ARPA EMILIA ROMAGNA SEZIONE FERRARA RAPPORTO METEO ANNUALE PER LA QUALITÀ DELL'ARIA PROVINCIA DI FERRARA - DATI 2010

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1 ARPA EMILIA ROMAGNA SEZIONE FERRARA RAPPORTO METEO ANNUALE PER LA QUALITÀ DELL'ARIA

2 a cura di: Arpa Emilia Romagna - sez. Ferrara (dir. Simona Coppi) Servizio Sistemi Ambientali (resp. Enrica Canossa) Responsabilità scientifica: Enrica Canossa resp. Area monitoraggio e valutazione aria Gruppo di lavoro: M.Rita Mingozzi resp. prov. Rete qualità dell aria Sabina Bellodi, Paola Leuci, Tiziana Pumo, Marco Tosi ha collaborato: Giovanni Bonafè ARPA SIMC Per l immagine di copertina si ringrazia G. Garasto

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4 SOMMARIO 1. L INFLUENZA DELLA MICROMETEOROLOGIA ANALISI DELLE GRANDEZZE METEOCLIMATICHE TEMPERATURA INTENSITÀ E DIREZIONE DEL VENTO ALTEZZA DI RIMESCOLAMENTO CLASSI DI STABILITÀ PRECIPITAZIONI... 14

5 1. L INFLUENZA DELLA MICROMETEOROLOGIA I parametri meteorologici svolgono un ruolo determinante nell evoluzione dell inquinamento atmosferico. Gli episodi di inquinamento, infatti, sono governati da processi meteorologici che avvengono all interno dello strato di atmosfera direttamente sopra alla superficie terrestre (strato limite o boundary layer) sia a scala regionale che locale. Per quanto riguarda i processi a scala regionale risultano particolarmente rilevanti i fenomeni di stagnazione della massa d aria. Tale fenomeno avviene quando l aria permane per un certo periodo su una determinata regione d origine (oceano, mare, continente o bacino aerologico) e di conseguenza assume caratteristiche tipiche di quella regione (ad es. aria calda e umida oceanica, fredda e secca continentale). Così, ad esempio, l aria che risiede per un certo periodo sull area padana, ricca di industrie, ad intensa attività umana ed elevato traffico si arricchisce di sostanze inquinanti quali ossidi di azoto e composti organici volatili che, oltre a produrre direttamente inquinamento, rappresentano potenziali precursori dell inquinamento da ozono. Relativamente ai processi meteorologici che avvengono a scala locale, questi sono governati dal vento in prossimità della superficie e dalla differenza di temperatura tra il suolo e l aria sovrastante, grandezze che determinano la diluizione o il ristagno degli inquinanti in atmosfera. I più importanti fattori meteorologici che interessano i fenomeni di inquinamento atmosferico sono: Temperatura: sono importanti la sua evoluzione annuale, quella diurna nonché il profilo verticale; Vento orizzontale (velocità e direzione): generato dalla componente geostrofica e modificato dal contributo delle forze d attrito del terreno e da effetti meteorologici locali, come brezze (di monte-valle o marine) o, come nel caso di una città, da circolazioni urbano-rurali; Altezza di rimescolamento: è un indicatore della capacità che ha la troposfera di disperdere gli inquinanti; indica indirettamente il volume all interno del quale gli inquinanti emessi si concentrano; Stabilità atmosferica: è un indicatore della turbolenza atmosferica alla quale si devono i rimescolamenti dell aria e, quindi, il processo di diluizione degli inquinanti; Precipitazioni: è importante il numero di giorni caratterizzati da quantità di pioggia >=5 mm nonché l entità cumulata mensile e annuale; Inversione termica: quota alla quale si verifica che la temperatura, anziché diminuire, aumenta con l aumento dell altezza. Essa determina anche l altezza del PBL (Planetary Boundary Layer), porzione più bassa dell atmosfera che comprende la parte di troposfera nella quale la Rev. Pagina 2 di 15

6 struttura del campo anemologico risente dell influenza della superficie terrestre e si estende fino a pochi chilometri di altezza; Movimenti atmosferici verticali: spostamenti di masse d aria in senso verticale che in ambiente urbano sono dovuti principalmente a moti termoconvettivi. Si riportano, di seguito, alcune elaborazioni di dettaglio relative ai seguenti parametri meteorologici: temperatura ( C), velocità del vento (m/s) e direzione (gradi), altezza di rimescolamento (m), classi di stabilità, precipitazioni (mm). Le elaborazioni sono state ottenute a partire dai dati meteo forniti dal Servizio Idro-Meteo- Clima di Arpa - SIMC, utilizzando il preprocessore meteorologico tridimensionale Calmet applicato all area del comune di Ferrara. Il preprocessore Calmet 1, a partire da osservazioni relative ai parametri meteorologici disponibili (stazioni al suolo e radiosondaggi), effettua un interpolazione nello spazio e nel tempo e ricostruisce i campi atmosferici su un grigliato regolare a maglie di 5 Km di lato. I dati dei parametri temperatura, direzione e velocità del vento ottenuti con Calmet relativamente al comune di Ferrara sono confrontati con i dati registrati presso la stazione urbana di Ferrara, installata nel maggio 24 (in via Paradiso n. 12) e gestita anch essa dal Servizio Idro- Meteo-Clima. 1 Il preprocessore meteorologico CALMET (Scire J. S., Insley E. M., Yamartino R. J., Fernau M. E. - semptember 1999: A User s guide for the CALMET Meteorological Model version 5.), viene appositamente implementato presso Arpa- Servizio IdroMeteoClima (Deserti et al., 1999). Il preprocessore, sulla base delle variabili puntuali misurate nelle stazioni meteorologiche e delle caratteristiche della superficie, quali ad esempio orografia, uso del suolo, rugosità ricostruisce il campo tridimensionale di vento e temperatura ed il campo bidimensionale di grandezze caratteristiche dello strato limite planetario (altezza di rimescolamento, classi di stabilità) e della turbolenza (lunghezza di Monin-Obukhov, velocità di attrito, velocità convettiva di scala). Rev. Pagina 3 di 15

7 2. ANALISI DELLE GRANDEZZE METEOCLIMATICHE 2.1. Temperatura I mesi invernali di gennaio, febbraio, marzo e dicembre dell anno 21 sono stati caratterizzati da temperature inferiori rispetto agli ultimi tre anni e, analogamente, le medie mensili dei mesi di agosto, settembre e ottobre. Si nota che l andamento del primo semestre dell anno 21, è quasi perfettamente sovrapponibile a quello dell anno 26. In generale l estate 21 è stata leggermente meno calda rispetto a quella degli anni precedenti. Comune di Ferrara Andamento delle temperature medie mensili C gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic mesi Andamento delle temperature medie mensili Confronto dati Calmet e staz. urbana Arpa-SIMC Andamento delle temperature medie mensili in tre postazioni della provincia Calmet 21 Staz.Urbana Staz.Urbana FE 21 Staz.Pontelagoscuro 21 Staz.Ostellato 21 C 15 C gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic mesi gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic mesi Le temperature registrate presso la stazione urbana sono quasi esattamente sovrapponibili a quelle calcolate dal preprocessore Calmet: per tutto il corso dell anno le temperature misurate nella stazione urbana risultano superiori, rispetto a quelle calcolate da Calmet, al massimo di +1.2 C. Rev. Pagina 4 di 15

8 Le temperature nel centro urbano e nella periferia (Ferrara e Pontelogoscuro) sono quasi esattamente sovrapponibili e sono costantemente superiori a quelle rilevate nella stazione di fondo rurale di Ostellato. Tale comportamento è dovuto all effetto dell isola di calore 2 che si sviluppa nei centri urbani. La temperatura media annua calcolata presso la stazione urbana di via Paradiso è di circa 14 C contro i circa 13 C di Ostellato Intensità e direzione del vento Comune di Ferrara Media mensile dell intensità del vento a 1m Anni dati Calmet Comune di Ferrara Media mensile dell intensità del vento a 1m Anni Stazione Urbana di Ferrara Staz.Urbana 26 Staz.Urbana 27 Staz.Urbana 28 Staz.Urbana 29 Staz.Urbana m/s 2. m/s mesi gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic mesi La rappresentazione delle intensità medie mensili del vento per il comune di Ferrara, sia quelle stimate da Calmet nel corso degli ultimi 5 anni che quelle registrate dalla stazione urbana, evidenzia valori molto bassi, pressoché sempre inferiori a 2.5 m/s. La figura seguente rappresenta le mappe Calmet delle direzioni prevalenti e dell intensità media del vento nelle quattro stagioni del Isola di calore: progressivo surriscaldamento della bolla di aria calda che grava in continuazione al di sopra dei centri urbani. La cappa d aria surriscaldata, di non più di 2-3 metri di spessore, costituisce una vera e propria isola più calda rispetto al circostante ambiente rurale. Tale surplus di calore attenua i rigori invernali ma nelle soleggiate e calde giornate estive trasforma le città delle medio-basse latitudini in una sorta di fornace. L isola di calore trae origine dal particolare tessuto urbano, costituito in prevalenza da asfalto, calcestruzzo, mattoni e cemento, ovvero materiali che, rispetto alla copertura vegetale della campagna, assorbono in media il 1% in più di energia solare. Il surplus di calore solare immagazzinato dai manufatti cittadini viene poi riemesso per irraggiamento, ovvero sotto forma di energia nell infrarosso, con conseguente surriscaldamento dell aria che sovrasta la città. All isola di calore dà un rilevante contributo anche il tipico assetto geometrico delle città, con strade relativamente strette rispetto alle dimensioni verticali degli edifici. Rev. Pagina 5 di 15

9 Velocità media del vento a 1 metri e direzioni prevalenti nelle quattro stagioni, su tutto il territorio provinciale (dati CALMET) Vento a 1 m: direzione e intensità media (m/s) Periodo: dicembre 29 febbraio 21, inverno ore 2 ore 14 Vento a 1 m: direzione e intensità media (m/s) Periodo: marzo - maggio 21, primavera ore 2 ore 14 Vento a 1 m: direzione e intensità media (m/s) Periodo: giugno - agosto 21, estate ore 2 ore 14 Vento a 1 m: direzione e intensità media (m/s) Periodo: settembre - novembre 21, autunno ore 2 ore 14 Rev. Pagina 6 di 15

10 Nelle prime ore del mattino si osservano situazioni di sostanziale calma di vento. L assenza delle frecce direzionali nelle immagini sopra riportate è dovuta al fenomeno di sbandieramento del vento, che non ha consentito di definire una direzione di provenienza prevalente. Si osservano venti provenienti da est nelle prime ore del pomeriggio delle stagioni invernale, primaverile e estiva. Come ben noto, il comune di Ferrara non è caratterizzato da una forte intensità dei venti. In particolar modo, l analisi dei dati registrati dalla stazione urbana per l anno 21 evidenzia che si sono verificati solo 2 giornate (il 9 e il 1 marzo) con velocità media superiore ai 6 m/s, solo 44 giorni con velocità media superiore ai 3 m/s, 223 giorni con velocità superiore ai 2 m/s contro 142 giorni (39%) con velocità inferiore o uguale ai 2 m/s (elaborazioni relative ai dati della stazione urbana). Gli episodi lievemente più intensi si sono distribuiti pressoché equamente in tutte le stagioni. Dati Calmet anno 21 Ferrara: Rosa dei venti, anno 21 Dati stazione Urbana anno (knots) Wi nd speed (m/s) (knots) Wind speed (m/s) Le rose dei venti qui rappresentate sono state realizzate con il modello ADMS-URBAN 3 a partire da dati orari di velocità e direzione del vento. Il modello ADMS usato per l elaborazione della rosa dei venti considera come calme i valori di velocità del vento minori o uguali a.75 m/s. Osservando le rose dei venti, si nota come i venti durante l anno provengano in prevalenza da ovest e ovest-nordovest e, spesso più intensi, da nordest. Distinguendo le stagioni, a Ferrara in 3 ADMS URBAN (versione 2..4., sviluppato dalla Cambridge Environmental Research Consultants - UK) è un modello analitico stazionario, eseguibile su PC, della dispersione in atmosfera di sostanze inquinanti rilasciate nelle aree urbane da differenti tipologie di sorgenti (puntuali, lineari, di aree e di volumi). Rev. Pagina 7 di 15

11 inverno e in autunno prevalgono i venti da ovest e da nordest, mentre in primavera e in estate predominano i venti provenienti dai quadranti orientali. Ferrara: Rosa dei venti, stagioni anno 21 dati Calmet Inverno: gennaio, febbraio, marzo Primavera: aprile, maggio, giugno (knots) Wi nd speed (m/s) Estate: luglio, agosto, settembre (knots) Wi nd speed (m/s) Autunno: ottobre, novembre, dicembre (knots) Wind speed (m/s) (knots) Wind speed (m/s) 2.3. Altezza di rimescolamento Dalla seguente figura, si osserva che nei mesi invernali lo strato di rimescolamento presenta i valori più bassi dell anno, causa il modesto irraggiamento solare, l alta umidità relativa, la presenza di nebbie e la bassa temperatura. La riduzione dello strato di rimescolamento è uno stato che favorisce alte concentrazioni d'inquinanti. Inversamente, nel periodo estivo, le alte temperature diurne e l irraggiamento solare favoriscono l aumento dello strato di rimescolamento e quindi, in casi di tempo stabile, si ha una maggiore diluizione degli inquinanti rispetto ad altri periodi dell anno. Rev. Pagina 8 di 15

12 Media mensile dell altezza di rimescolamento, comune di Ferrara dati Calmet, anni metri gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic mesi Dalle immagini seguenti, che riportano l evoluzione dell altezza di rimescolamento (hmix) nei diversi periodi dell anno e in due fasce orarie corrispondenti al momento di minima altezza (ore 2) e di massima altezza (ore 14) per l intero territorio provinciale, si può osservare come nel periodo invernale hmix raggiunge al massimo i 7 m nelle ore centrali delle giornate per poi scendere fino a circa 7 m di notte. Quando lo strato di rimescolamento si riduce a zero si ha l inversione termica al suolo, situazione nella quale gli inquinanti primari non possono diffondere nell atmosfera e, quindi, persistono al suolo in concentrazioni elevate. In primavera si assiste ad un forte ricambio d aria con hmix che raggiunge di giorno una quota media di m per poi passare ad una situazione estiva dove si raggiungono i 2 m grazie all accentuarsi dei moti convettivi causati dalle più alte temperature. In autunno la situazione comincia a peggiorare poiché hmix media scende al di sotto dei m, generando condizioni favorevoli al ristagno di inquinanti anche se in modo non così marcato come in inverno. Rev. Pagina 9 di 15

13 Variazione stagionale dell altezza di rimescolamento nella provincia di Ferrara Altezza di rimescolamento media (m) Dati Calmet, Periodo dicembre 29 febbraio 21 ore 2 ore 14 Altezza di rimescolamento media (m) Periodo marzo - maggio 21 ore 2 ore 14 Altezza di rimescolamento media (m) Periodo giugno - agosto 21 ore 2 ore 14 Altezza di rimescolamento media (m) Periodo settembre - novembre 21 ore 2 ore Classi di Stabilità Di seguito si riportano, per la provincia di Ferrara, le percentuali di condizioni stabili (classi di Pasquill) nelle quattro stagioni dell anno 21 stimate da Calmet sulla base del gradiente verticale di temperatura. Rev. Pagina 1 di 15

14 Percentuale di condizioni stabili nelle quattro stagioni Percentuale di condizioni stabili Periodo dicembre 29 febbraio 21 Percentuale di condizioni stabili Periodo marzo maggio 21 Percentuale di condizioni stabili Periodo giugno - agosto 21 Percentuale di condizioni stabili Periodo settembre - novembre 21 Rev. Pagina 11 di 15

15 Ferrara Di seguito si riportano le frequenze delle classi di stabilità stimate da Calmet per il comune di 1% Ferrara: Classi di Stabilita - Frequenze mensili, anno 21 8% 6% % 4% 2% % gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic Classe F+G Classe E Classe D Classe C Classe B Classe A La percentuale relativa al numero di casi di ogni singola classe di stabilità è stata calcolata sul numero totale dei dati validi per l anno corrente. Dai grafici si osserva la distribuzione in termini percentuali delle classi nei vari mesi: la classe D (neutralità) è quella prevalente nella stagione invernale, mentre le classi F+G (forte stabilità) sono comunque sempre fortemente presenti in tutti i mesi. La classe A è presente solo nel periodo estivo ed è più frequente nei mesi di maggio, giugno e luglio, mentre la classe B è presente soprattutto nei mesi da aprile a settembre. La classe C è distribuita abbastanza omogeneamente in tutti i mesi dell anno. Come si evince dalla tabella sottostante, analogamente agli anni 28 e 29, anche nel 21 si è vista una lieve riduzione nel numero di casi di classe di stabilità F+G (alta stabilità inversione termica) a favore della classe D (specie nei mesi invernali), classe di neutralità che comunque contribuisce a fenomeni di ristagno delle masse di aria senza possibilità di diffusione degli inquinanti. Percentuali Classi di stabilità Comune di Ferrara Anno % Classe A % Classe B % Classe C % Classe D % Classe E % Classe F+G 23 4% 15% 14% 26% 5% 35% 24 3% 14% 16% 29% 4% 34% 25 2% 14% 16% 28% 5% 36% 26 4% 16% 16% 22% 4% 38% 27 2% 15% 16% 25% 4% 38% 28 2% 14% 16% 28% 5% 35% 29 2% 14% 15% 31% 4% 34% 21 2% 13% 16% 31% 5% 33% Dal seguente grafico relativo alla frequenza percentuale delle classi di stabilità atmosferica nelle 24 ore del giorno-tipo calcolato sull intero anno, si osserva la presenza della classe F+G nelle prime ore della giornata, dalle ore 1 sino alle ore 7, e nelle ore della sera, dalle 17 in poi. Rev. Pagina 12 di 15

16 Ferrara: Giorno tipo della distribuzione delle classi di stabilità, anno 21 1% Classi di Stabilita: Frequenze giorno tipo, anno 21 8% 6% % 4% 2% % Classe F+G Classe E Classe D Classe C Classe B Classe A Il numero di casi della classe F+G e la sua distribuzione nei due periodi della giornata sopra descritti cambia a seconda della stagione. Se si osservano le elaborazioni del giorno tipo invernale ed estivo si nota che in inverno, a causa delle temperature più basse che contribuiscono al mantenimento della condizione di inversione termica, la classe F+G risulta presente per un numero maggiore di ore, mentre in estate, grazie a temperature più elevate che dissolvono prima il fenomeno di inversione termica venuto a crearsi durante la notte, la classe F+G rimane vincolata alle primissime ore della giornata e scompare a partire dalle 5 del mattino, mentre la sera comincia a insediarsi a partire da un ora più tarda (dalle 2 circa). L analisi degli andamenti nelle due stagioni permette inoltre di evidenziare la maggiore presenza della classe D nelle giornate invernali, mentre in estate la classe A è specifica delle ore più soleggiate e calde (ore 11-13). % 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % Classi di Stabilità: Frequenze giorno tipo, periodo dicembre 29 - gennaio, febbraio, Classe F+G Classe E Classe D Classe C Classe B Classe A 1 % 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % Classi di Stabilità: Frequenze giorno tipo, periodo giugno, luglio, agosto, anno Classe F+G Classe E Classe D Classe C Classe B Classe A Rev. Pagina 13 di 15

17 2.5. Precipitazioni Precipitazione cumulata mensile registrata in città (stazione urbana) precipitazione cumulata (mm) gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic Si osserva che il mese di giugno 21 è stato molto piovoso; nello specifico, dalla banca dati gestita dal Servizio Idro-Meteo-Clima, risulta che nella sola giornata del 2 giugno è stata registrata una pioggia cumulata giornaliera di oltre 1 mm. Anche i mesi di maggio e agosto 21 hanno registrato precipitazioni più copiose rispetto agli anni precedenti. I mesi in cui è piovuto meno sono stati luglio e settembre, seguiti da dicembre e gennaio. mesi Osservando i grafici seguenti, l analisi della temperatura massima giornaliera indica che solo nei mesi più caldi (vedi grafico luglio- settembre) si osservano picchi superiori ai 3 C (giugno, luglio e agosto). In corrispondenza di giornate interessate da elevate temperature massime, si registrano elevati valori di altezza di rimescolamento massimo e assenza di precipitazioni. Riguardo al vento, si osservano sempre condizioni di scarsa intensità, con valori medi giornalieri dell ordine di 2-3 m/s;si registrano valori di velocità media giornaliera dell ordine dei 6 m/s solo in alcune giornate di marzo e superiori a 4 m/s in alcune giornate di marzo e novembre, quasi sempre in concomitanza di maltempo accompagnato da precipitazioni. La riduzione dell altezza di rimescolamento si registra nei mesi invernali e, in particolare, nelle giornate interessate da precipitazioni. Rev. Pagina 14 di 15

18 Stazione Urbana di Ferrara - Precipitazione cumulata giornaliera, vento medio, altezza di rimescolamento massima e temperatura massima giornaliera registrate in città 21 Rev. Pagina 15 di 15