6 Applicazione del modello CAMx

(1)

6 Applicazione del modello CAMx

6.1 Confronto tra modelli: CAMx vs CALPUFF

Una volta messa a punto la rete di preprocessori e interfacce atta a preparare i dati di input per CAMx, è giunta finalmente l’ora di far “girare” il modello. Essendo un software localmente sconosciuto, prima di applicarlo sulla scala regionale è naturale effettuare delle prove preliminari per testarlo e iniziare a conoscerne le caratteristiche. Si è pensato quindi di confrontarne le prestazione, a parità di dati in ingresso, con un altro codice ben noto e già da tempo utilizzato dal gruppo di ricerca: il modello CALPUFF. Questo è stato possibile grazie al concomitante lavoro di tesi di una collega in ingegneria chimica, dal quale sono stati ripresi alcuni dei risultati riportati come confronto.

CALPUFF è un modello di dispersione che per approccio teorico è completamente diverso da CAMx:

− è lagrangiano a puff : schematizza le emissioni come porzioni discrete di materia inquinante rilasciate ogni un certo intervallo di tempo (sampling step) e ne segue la crescita e il movimento rispetto a un sistema di coordinate solidale con esse, per un periodo stabilito (basic time step); il “pennacchio”

risultante dopo ogni passo è rappresentato dalla convoluzione di tutti gli

“sbuffi” (puff) presenti in quel dato momento. Dopo ogni periodo base (in genere un’ora) il sistema si aggiorna e perde le informazioni in atto (si dice che non ha “memoria”).

− è analitico gaussiano : per ogni puff integra l’equazione generale di trasporto in modo analitico (soluzione “esatta”) e non numerico, considerando alcune ipotesi semplificative; la soluzione ottenuta è la tipica curva “a campana” di Gauss, che diventa rappresentativa del pennacchio e delle sue variazioni nel tempo e nello spazio. I punti di massima concentrazione si hanno sulla semiretta con origine nel punto di rilascio e che si estende parallelamente alla direzione del vento.

− Nel piani ortogonali e paralleli a questa direttrice la curva si “apre” per rappresentare la dispersione orizzontale e verticale; l’entità di questi fenomeni è data dai coefficienti xy e z (ossia le deviazioni standard della curva) che misurano la dispersione lungo i tre assi principali. Sono calcolati in funzione dei parametri descrittivi della turbolenza (altezza dello strato di rimescolamento, stabilità atmosferica, velocità di attrito ed altri) o possono essere specificati direttamente dall’utente (ad es., da misure sperimentali).

− non c’è quindi nessuna rappresentazione a griglia tridimensionale (discreta) del dominio di studio; le concentrazioni sono puntuali (continue) e devono essere specificati dall’utente i punti in cui se ne vuole il calcolo (recettori).

− non è fotochimico, anzi l’ unica chimica implementata è un semplice meccanismo dello pseudo-primo ordine che considera solo cinque specie (SO2, SO42-, NOx, NO3- e HNO3) e tratta le trasformazioni linearmente assegnando dei parametri di rimozione.

Si notano da queste caratteristiche le differenze di CAMx, che ad ogni passo d’integrazione tratta le emissioni come iniezioni finite di materia che si miscelano perfettamente nella cella di partenza, e non come entità indipendenti (i puff) da trattare separatamente per un tempo finito.

(2)

Il trasporto e la dispersione sono affrontati con la soluzione numerica dell’equazione di continuità, che non necessita l’introduzione delle ipotesi semplificative dei modelli gaussiani (tra cui la velocità del vento non nulla) e non porta a considerare nessuna particolare curva per la descrizione dei pennacchi; questo approccio consente di seguire la “storia” delle concentrazioni medie di ogni cella, così da avere “memoria” del periodo simulato trascorso;

inoltre la struttura a griglia tridimensionale con cui è suddiviso il dominio consente delle elaborazioni dei risultati non permesse da CALPUFF, o almeno non con la stessa facilità, come il calcolo delle concentrazioni medie giornaliere e massime orarie per ogni cella, la determinazione delle colonne d’inquinanti e dei profili di concentrazione verticali, insomma tutte le operazioni permesse con una matrice quadrimensionale di numeri. Fondamentale la chimica, di ordine superiore rispetto al semplicissimo e molto limitato schema (adatto per le piogge acide) implementato in CALPUFF; CAMx offre invece uno strumento completo, seppur semplificato, per trattare la fotochimica atmosferica in fase gassosa e, contemporaneamente, ne proporne uno per affrontare il complicatissimo fenomeno dell’aerosol atmosferico (PM10 e soci).

Chiaramente esistono anche aspetti negativi, come i problemi di stabilità per le soluzioni numeriche, che possono divergere causando grossi errori, i tempi di calcolo che crescono esponenzialmente aumentando la risoluzione della griglia, la complessità intrinseca di alcuni dati richiesti in ingresso, la non rappresentatività nei meccanismi chimici delle specie modellate rispetto a quelle reali (fatto inevitabile allo stato attuale delle risorse tecnologiche).

I due modelli condividono comunque alcuni aspetti:

− entrambi possono utilizzare campi di vento e temperatura forniti da CALMET

− anche CALPUFF implementa meccanismi di rimozione secca e umida simili a quelli di CAMx

− entrambi modellano sorgenti emissive puntuali e areali; in più CALPUFF offre la possibilità di considerare anche sorgenti lineari e volumetriche

− i valori di diffusività verticale devono essere forniti a CAMx dall’esterno;

nelle presenti applicazioni i dati sono calcolati con una routine estratta da CALGRID (“fratello” maggiore di CALPUFF, ma si potrebbe utilizzare qualsiasi altro algoritmo a disposizione) che utilizza i campi dei parametri descrittivi della turbolenza calcolati da CALMET. Questi campi sono gli stessi utilizzati da CALPUFF per il calcolo delle deviazioni y e z

− per le sorgenti puntuali, entrambi i modelli calcolano l’innalzamento del pennacchio (plume raise) all’uscita dei camini in maniera analoga

I modelli sono stati applicati su due scenari differenti, uno locale e artificiale, l’altro più ampio e basato su dati che cercano di descrivere la realtà, e se ne sono confrontati i risultati.

6.2 Prove di calcolo

Il primo e più ristretto dominio di calcolo utilizzato per l’applicazione dei modelli comprende i territori limitrofi alle città di Livorno e Pisa (fig.6.1). Lo scenario è stato caratterizzato come segue:

Dimensioni spaziali: griglia di 34 colonne per 30 righe spaziate di 1.1 km ; 12 livelli verticali a intervalli variabili, il primo posto a 20 m , l’ultimo a 2500 m

(3)

Periodo temporale: 24 ore di simulazione durante un giorno invernale

Scenario emissivo: due sole grandi sorgenti puntuali concentrate,localizzate a Livorno (Centrale TermoElettrica e Raffineria Agip) che emettono solo NOx , per un totale di 19 camini (fonte IRSE)

Condizioni meteorologiche: il campo di vento è costruito ad hoc con il preprocessore CALMET, considerando direzione e velocità costanti; la temperatura e la pressione sono mantenute costanti a parità di altezza, mentre diminuiscono lungo la verticale, seguendo il gradiente termico adiabatico la prima (circa – 0.01 °C/m), e l’ipotesi idrostatica la seconda:

)

)) 0 ( ) ( ( exp( 2 ) 0 ( )

( R T z T

p gz z

p = ⋅ − +

Vista anche la stagione scelta, la copertura nuvolosa è assunta completa, per mettersi nelle peggiori condizioni dispersive possibili (atmosfera stabile o al massimo neutra)

Chimica: assenza completa di trasformazioni chimiche (simulazione inerte) Deposizione: assenti fenomeni di rimozione sia secchi che umidi

Qualità dell’aria: sono considerate sempre nulle le concentrazioni iniziali e al contorno

fig.6.1: dominio per le prove di calcolo ( 34x30 celle, dxy=1.1 km, 12 livelli verticali )

Le prove sono state effettuate per velocità del vento crescenti (0.3, 1, 5, 10 m/s) e direzione di provenienza costante (SW). La temperatura e la pressione superficiali sono mantenute rispettivamente a 7°C e 1013 mb . Le classi di stabilità risultanti variano da F, nelle ore di buio, a C , intorno al mezzogiorno. Di seguito sono riportati i risultati di entrambi i modelli mostrando le concentrazioni di tracciante, al suolo per CALPUFF, nel primo strato (0-20 m) per CAMx.

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

CAMx - 0.3 m/s

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

0.0 2.5 4.9 7.4 9.8 12.3 14.8 17.2 19.7 22.1 24.6 27.1 6 12 18 24

CALPUFF - 0.3 m/s

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

0.0 2.5 4.9 7.4 9.8 12.3 14.8 17.2 19.7 22.1 24.6 27.1 6 12 18 24

fig.6.2: concentrazione media al suolo di NOx (ppm) in funzione della distanza sottovento dalla sorgente emissiva (km) lungo la direzione del vento, per velocità di 0.3 m/s e diverse ore della giornata

CAMx - 1 m/s

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

0 2.5 4.9 7.4 9.8 12.3 14.8 17.2 19.7 22.1 24.6 27.1 6 12 18 24

CALPUFF - 1 m/s

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

0 2.5 4.9 7.4 9.8 12.3 14.8 17.2 19.7 22.1 24.6 27.1 6 12 18 24

fig.6.3: come sopra, con velocità del vento 1 m/s

(13)

CAMx - 5 m/s

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

0 2.5 4.9 7.4 9.8 12.3 14.8 17.2 19.7 22.1 24.6 27.1 6 12 18 24

CALPUFF - 5m/s

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

0 2.5 4.9 7.4 9.8 12.3 14.8 17.2 19.7 22.1 24.6 27.1 6 12 18 24

CAMx - 10 m/s

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045

0 2.5 4.9 7.4 9.8 12.3 14.8 17.2 19.7 22.1 24.6 27.1 6 12 18 24

CALPUFF - 10 m/s

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045

0 2.5 4.9 7.4 9.8 12.3 14.8 17.2 19.7 22.1 24.6 27.1 6 12 18 24

(14)

CAMx - 0.3 m/s

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

0 km 1 km 5 km 10 km 20 km

CALPUFF - 0,3 m/s

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

0 km 1 km 5 km 10 km 20 km

fig.6.6: concentrazione media al suolo di NOx (ppm) in funzione del tempo (ore) per diverse distanze sottovento dalla sorgente emissiva (km), lungo la direzione del vento e per velocità di 0.3 m/s

CAMx - 1 m/s

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

0 km 1 km 5 km 10 km 20 km

CALPUFF - 1 m/s

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

0 km 1 km 5 km 10 km 20 km

(15)

CAMx - 5 m/s

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

0 km 1 km 5 km 10 km 20 km

CALPUFF - 5m/s

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

0 km 1 km 5 km 10 km 20 km

CAMx - 10 m/s

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

0 km 1 km 5 km 10 km 20 km

CALPUFF - 10 m/s

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

0 km 1 km 5 km 10 km 20 km

(16)

Osservando i risultati delle simulazioni, si nota anzitutto come il modello CALPUFF vada completamente in crisi nel caso di velocità del vento prossime allo zero (situazioni di calma), in quanto viene contraddetta una delle ipotesi costitutive dei modelli gaussiani, ossia che il campo di vento sia non nullo. CAMx, al contrario, sembra non risentire particolarmente di queste condizioni.

Un altro comportamento significativo, stavolta di entrambi i modelli anche se in maniera più accentuata in CAMx, è il seguire il ciclo giorno-notte in relazione alla dispersione verticale (e non potrebbe essere diversamente, visto che i parametri micrometeorologici alla base del loro calcolo provengono per entrambi i modelli da CALMET): durante le ore diurne, quando l’irraggiamento e quindi la turbolenza convettiva è maggiore, viene favorito il rimescolamento verticale (aumenta la mixing height) con conseguente attenuazione delle ricadute al suolo. Si vedano a questo proposito le figure 6.2-3-6-7 e le mappe delle prime due simulazioni specialmente per CAMx, dove è evidente l’oscillazione delle concentrazioni al primo strato tra massimo, minimo e di nuovo massimo in corrispondenza del ciclo mattina-pomeriggio-sera.

Questo effetto è particolarmente marcato per basse velocità del vento, mentre perde d’incisività al suo aumentare, in quanto diventa prevalente il trasporto meccanico dovuto al campo di vento.

Per velocità superiori a 5 m/s (per CALPUFF forse anche prima) il pennacchio diventa insensibile alla variazione quotidiana d’irraggiamento, raggiunge presto uno stato stazionario e le concentrazioni si mantengono praticamente costanti (nel tempo) lungo l’intero arco della giornata (fig.6.8-9 e relative mappe).

Funzione della velocità del vento è naturalmente anche la forma dei pennacchi. A bassi regimi, la differenza tra i due modelli è netta: quelli di CALPUFF sono a forma di “palloncino”, per CAMx la forma è più ristretta e “slanciata” . All’aumentare della velocità i pennacchi tendono ad affusolarsi e le differenze si attenuano; quelli di CALPUFF sembrano comunque più “lanciati” e proseguono oltre il dominio di studio.

Ma la differenza sostanziale si trova nei profili di concentrazione lungo la distanza sottovento dalla sorgente emissiva, mantenendosi paralleli alla direzione del vento (fig.6.3-4-5). Mentre CAMx presenta un profilo in continua attenuazione, pressoché monotono non crescente, CALPUFF al contrario riporta sempre un picco di concentrazione a una certa distanza dalla sorgente, per poi proseguire con una “coda” dai valori analoghi a quelli espressi da CAMx. Non c’è da stupirsi in quanto questo comportamento è costitutivo dei modelli gaussiani, che trattano la dispersione lungo i tre assi ortogonali con la caratteristica curva “a campana” , che è proprio quella rappresentata nelle figure menzionate (in questi casi, la dispersione è orizzontale lungo l’asse x parallelo alla direzione del vento).

E’ stata quindi accertata, oltre che nell’approccio teorico anche nelle applicazioni pratiche, la sostanziale differenza tra i due modelli, naturale per codici appartenenti a categorie diverse.

6.3 Dispersione di un tracciante inerte sullo scenario toscano

La seconda applicazione di CAMx è stata fatta su uno scenario più ampio e complesso (fig.6.10), delle cui caratteristiche si è discusso nei capitoli precedenti e che vengono di seguito riassunte:

Dimensioni spaziali: griglia di 145 colonne per 135 righe spaziate di 2 km, comprendente la Toscana e parte dei territori limitrofi; 12 livelli verticali a intervalli variabili, il primo posto a 20 m , l’ultimo a 3700 m

Periodo temporale: 36 ore di simulazione, dalle 0.00 del 11/10 alle 12.00 del 12/10/2004

(17)

Scenario emissivo: tutte le sorgenti puntuali che emettono SO_x ricavate dall’IRSE (rif. anno 2000), per un totale di 306 camini; gli ossidi di zolfo sono stati considerati come SO2

Condizioni meteorologiche: basate su dati estratti da simulazione MM5 per il periodo in questione, successivamente elaborati con CALMET

Chimica: assenza completa di trasformazioni chimiche (simulazione inerte) Deposizione: è considerato il fenomeno di rimozione secca

Qualità dell’aria: sono considerate nulle le concentrazioni iniziali e al contorno

fig.6.10: dominio di studio per la simulazione “Tosca”

Di seguito sono mostrati i risultati delle simulazioni, sotto forma di mappe di concentrazioni medie orarie al suolo (per CAMx s’intende nel primo strato, quello più adiacente al terreno) per diverse ore. Esclusivamente per CAMx, sono riportate anche le mappe di concentrazioni e colonne medie giornaliere e massime orarie per ogni cella superficiale del dominio.

I risultati sono stati poi confrontati con i valori di SO2 misurati da alcune centraline per la qualità dell’aria (in totale quattordici) situate nelle Province di Pisa e Firenze, per le quali sono disponibili le serie temporali del periodo in questione. A queste stazioni se n’è aggiunte altre dieci ubicate nelle Province di Livorno, Lucca e Prato, per il confronto delle medie giornaliere, l’unico dato disponibile per queste centraline.

In più con CAMx è stata effettuata un’ulteriore simulazione, con l’aggiunta allo scenario sopra definito delle sorgenti diffuse (areali) di SOx presenti in Toscana (fonte dati: IRSE, anno 2000).

Le concentrazioni sono in g/m³ , secondo la seguente scala che rispecchia i criteri di qualità:

(18)

CAMx

fig.6.11: Dispersione emissioni sorgenti puntuali SO _x : concentrazioni al primo strato dopo 6,12,18,24,30,36 ore di simulazione

(19)

CALPUFF

fig.6.12: Dispersione emissioni sorgenti puntuali SOx : concentrazioni al suolo dopo 6,12,18,24,30,36 ore di simulazione

(20)

(21)

CAMx

fig.6.13: Dispersione emissioni puntuali e diffuse SO_x : concentrazioni al primo strato dopo 6,12,18,24,30,36 ore di simulazione

(22)

(23)

fig.6.14: confronto tra le concentrazioni ( g/m³) misurate da alcune centraline e quelle predette da CAMx (solo emissioni puntuali) e CALPUFF durante le simulazione

S.CROCE - via del Concilio

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11

misurati camx calpuff

EMPOLI - via Ridolfi

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11

FIRENZE - via Bassi

0 10 20 30 40 50 60

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35

CASTELFRANCO - piazza Alessandrini

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35

FUCECCHIO - Ponte a Cappiano

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11

S.MARIA a MONTE - via Usciana

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11

(24)

fig.6.15: confronto tra le concentrazioni ( g/m³) misurate da alcune centraline delle province di Pisa e Firenze e quelle predette da CAMx , con le sole emissioni puntuali e con l’aggiunta delle emissioni diffuse

FIRENZE - via Bassi

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11

misurati puntuali diffuse

EMPOLI - via Ridolfi

0 1 2 3 4 5 6 7

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11

misurati puntuali diffuse

CASTELFRANCO - piazza Alessandrini

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11

misurate puntuali diffuse S.CROCE - via del Concilio

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11

misurate puntuali diffuse

S.MARIA a MONTE - via Usciana

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11

misurate puntuali diffuse FUCECCHIO - Ponte a Cappiano

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11

MONTOPOLI - S.Romano

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11

S.CROCE - Cerri

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11

(25)

Osservando i primi confronti (fig.6.14) si nota subito la netta differenza tra le serie temporali ottenute con i due modelli. CALPUFF, come già visto nelle prove di sensitività, presenta sempre picchi di concentrazione molto più elevati rispetto ai valori medi risultanti da CAMx.

Questo comportamento si spiega con i diversi fondamenti teorici su cui si basano i codici di calcolo:

CALPUFF, modellando i pennacchi come una curva continua gaussiana, presenta un massimo di concentrazione lungo le direttrici parallele alla direzione del vento; quando queste direttrici, in seguito alle rotazioni del campo di vento, intersecano o giungono in prossimità dei punti prescelti come “recettori” (in questo caso le centraline, individuate analiticamente con le loro coordinate), sorge inevitabilmente un picco tipico della conformazione della curva. Questo massimo sarà tanto più alto quanto più stretta (meno “dispersa”) è la curva.

CAMx considera invece le concentrazioni calcolate per ogni punto griglia non come puntuali, ma rappresentative delle concentrazioni medie delle celle corrispondenti. Ne consegue una maggiore livellazione dei valori, dovuta alla redistribuzione omogenea della quantità di materia presente nelle cella. Tanto maggiore sarà la dimensione della cella, tanto minore sarà la discriminazione delle zone a concentrazioni diverse, con conseguente appiattimento dei profili di concentrazione. Inoltre CAMx, per la sua struttura tridimensionale, non consente l’individuazione esatta della posizione delle centraline e costringe a considerare come rappresentativi i valori delle celle che le contengono. Chiaramente all’aumentare della maglia questi valori perdono di significato, rappresentando valori medi riferiti ad un volume che non possono certo essere confrontati con valori puntuali, misurati magari a distanza di chilometri.

La differenza strutturale dei due modelli porta CALPUFF a stimare valori nettamente più alti nelle zone in prossimità delle sorgenti, e CAMx a miscelare i contributi emissivi

“spalmandoli” su porzioni finite di volume (si osservino le mappe di concentrazione in fig.6.11-12). A questo proposito è bene far di nuovo notare che le concentrazioni mostrate, che sono medie orarie, per CALPUFF s’intendono al suolo (e quindi puntuali), mentre per CAMx sono riferite alla media nel primo strato (0-20 m, e quindi miscelate).

Per quanto riguarda i confronti con i valori misurati dalle centraline (fig.6.15), tutto sommato i risultati possono considerarsi soddisfacenti. Lungi dal poter riprodurre fedelmente le serie temporali misurate (che però in alcuni casi sono lacunose, e in generale non possono comunque considerarsi “verbo divino”) i valori predetti sono in media prossimi a quelli sperimentali, specialmente nel caso delle sole emissioni puntuali (per quanto riguarda le emissioni diffuse, vige il “ragionevole dubbio” per quanto già discusso nella sezione 5.1.3). In questa situazione le concentrazioni medie calcolate per l’intero periodo della simulazione (riferimento a 14 centraline) si discostano tra loro pochissimo, al massimo di una sola unità (fig.6.16-17). Le medie giornaliere predette discostano da quelle misurate (riferimento a 24 centraline per la giornata dell’11 Ottobre) al massimo di 2,5 g/m³ (fig.6.18-19).

Considerando poi che le emissioni dovute al traffico locale, molto influenti a seconda della dislocazione della centralina, non sono state valutate e che le concentrazioni iniziali sono state considerate nulle, il risultato ottenuto con il solo ausilio delle grandi sorgenti puntuali mi pare buono. Citando chi da anni si occupa di modellistica: “con la SOx non dobbiamo prendere l’ordine di grandezza, ma il valore”, direi che in questo caso la condizione è stata soddisfatta!

(26)

Concentrazioni Medie Simulazione

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

904801 905003

905007 905010

905011 905012

905013 905016

904808 904809

904810 904812

904817 904824

misurate puntuali

fig.6.16: concentrazioni medie ( g/m³) riferite all’intero periodo della simulazione (solo sorgenti puntuali), calcolate dalle concentrazioni medie orarie predette da CAMx e da quelle misurate da quattordici centraline delle province di Pisa e Firenze

Errore assoluto

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

904801 905003

905007 905010

905011 905012

905013 905016

904808 904809

904810 904812

904817 904824

fig.6.17: differenza ( g/m³) tra le concentrazioni medie predette da CAMx a quelle misurate riportate in fig.6.16

(27)

Concentrazioni Medie Giornaliere

0 2 4 6 8 10 12

904901 904911

904603 904606

904610 905003

905010 905012

905016 904808

904810 904817

misurate puntuali

fig.6.18: concentrazioni medie ( g/m³) riferite alla giornata dell’11 Ottobre 2004 (solo sorgenti puntuali), calcolate dalle concentrazioni medie orarie predette da CAMx e da quelle misurate da ventiquattro centraline delle province di Livorno, Lucca, Prato, Pisa e Firenze

Errori Assoluti

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05 9E+05

fig.6.19: differenza ( g/m³) tra le concentrazioni medie predette da CAMx a quelle misurate riportate in fig.6.18

(28)

6.4 Simulazione con trasformazione chimica

Come ultima applicazione personale del modello ho tentato di effettuare sullo stesso dominio una simulazione che prevedesse anche le trasformazioni degli inquinanti emessi. Ciò non è stato possibile per problemi di stabilità numerica, dovuta al numero troppo grande di celle (145x135x12). Infatti, se introdotta, la chimica aumenta notevolmente i tempi di calcolo (quasi completamente impiegati per la risoluzione del modulo chimico) con l’introduzione di sistemi d’equazioni fortemente non lineari, e con essi aumentano anche gli errori che si commettono ad ogni passo d’integrazione e che portano la soluzione numerica a divergere da quella

“esatta”. Il codice ricalcola il passo temporale ad ogni aggiornamento fino a quando scende sotto un valore limite, dopodiché la computazione si arresta perché non più sostenibile.

Volendo comunque effettuare una simulazione di questo tipo, anche se solo per testare il corretto funzionamento delle interfacce di pre- e post- elaborazione e la bontà formale degli input preparati, è necessario allargare la maglia della griglia, diminuendo così il numero di celle.

Il nuovo dominio proposto è rappresentato da un reticolo di dimensioni 72x67x12 celle di 4 km di lato. Con queste condizioni è stato possibile portare a termine la simulazione con il modulo chimico.

Lo scenario meteorologico è lo stesso della situazione precedente, chiaramente adattato alla nuova griglia, mentre quello emissivo è stato arricchito con l’aggiunta di tutte le emissioni puntuali ricavate dal database IRSE.

Sono stati aggiunti il file sulle velocità di fotolisi, ricavate dal modello TUV, il file correlato con i valori di albedo e colonne di ozono e aerosol, e il file con le umidità assolute ricavate da MM5.

I risultati ottenuti non hanno certamente nessuna pretesa di essere rappresentativi della situazione reale, ma come detto hanno avuto solo la funzione di rodare il modello. Troppo scarse sono ancora le informazioni disponibili per poter effettuare una simulazione “credibile”

sullo scenario in esame.

Fondamentale è la completa assenza di dati sulla qualità dell’aria. A differenza di un’applicazione inerte, una che invece prevede la chimica ha un insopprimibile esigenza di informazioni su specie “chiave” come l’ozono, il perossido d’idrogeno, l’isoprene e le molte sottospecie in cui vengono suddivisi i VOC (paraffine, olefine, formaldeide e molte altre), normalmente non considerate in prove inerti, oltre ai soliti ossidi di azoto che hanno un ruolo fondamentale nei processi fotochimici dell’atmosfera. Essendo CAMx un modello nato proprio per riprodurre questi fenomeni, non può certamente prescindere da informazioni come le concentrazioni iniziali, al contorno e al limite superiore del dominio (initial, boundary e top concentrations) delle specie in questione. Se mancano viene meno anche il significato, da un punto di vista predittivo, delle simulazioni eseguite.

Le ultime figure inserite sono riportate a solo titolo d’esempio, come auspicio per prossime applicazioni riguardanti lo studio delle interazioni tra NOx - O3 - VOC e soprattutto la dispersione e la formazione di PM in atmosfera in Toscana attraverso l’utilizzo del modello CAMx, obiettivi per cui la presente tesi è stata un punto di partenza.

(29)

fig.6.20: esempio di trasporto di NOx durante le 36 ore (tutte le sorgenti puntuali contenute nell’IRSE) ottenuto con CAMx

(30)

fig.6.21: esempi di concentrazioni massime orarie delle diverse componenti del particolato (scenario emissivo dalle sorgenti puntuali dell’IRSE “speciate” secondo il sistema SCC). Da in alto a sinistra: solfati, ammonio, carbonio elementare (EC), particolato organico (OC), altro PM2.5 e PM10 totale.