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RELAZIONE FINALE SUL PROGRAMMA DI RICERCA STM Dr. Silvia Trini Castelli
Il Fruitore: SILVIA TRINI CASTELLI
Istituto di afferenza : ISTITUTO DI SCIENZE DELL‟ATMOSFERA E DEL CLIMA, C.N.R.
con qualifica RICERCATORE livello III
Descrizione dettagliata dell‟Istituzione ospitante:
Institut für Meteorologie, Freie Universität Berlin; gruppo: Troposphärische Umweltforschung (Tropospheric Environmental Research group); http://www.geo.fu- berlin.de/met/index.html
Dipartimento di afferenza TERRA E AMBIENTE
Titolo del programma:
Caratterizzazione della meteorologia urbana e studio delle sue peculiarità in relazione alla dispersione di inquinanti nelle città.
Relazione finale.
Il progetto nell‟ambito del quale si è svolto il programma di ricerca STM ha la finalità di approfondire lo studio delle caratteristiche della meteorologia in area urbana e dei suoi effetti sulla dispersione di inquinanti nella complessa geometria urbana.
Con riferimento al programma di ricerca presentato, si richiamano qui gli obiettivi principali:
Stabilire un programma di collaborazione tra il CNR-ISAC e il FU-IM per lo studio delle caratteristiche della meteorologia nelle aree urbane ed i suoi effetti sulla dispersione di inquinanti per la valutazione della qualità dell’aria.
Obiettivi principali: (1) comprensione dei processi atmosferici nello strato limite urbano (2) valutazione delle teorie della similarità in applicazione alla meteorologia urbana (3) identificazione della modellistica alla microscala adatta alla simulazione dei processi di circolazione e dispersione in ambiente urbano.
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L‟attività di ricerca svolta nel periodo di permanenza presso l‟Institut für Meteorologie è stata dedicata principalmente a quanto segue:
1. installazione e test della nuova versione del modello micro meteorologico Envi-met;
2. identificazione di siti di misura e database utili alla ricerca.
Nel seguito sono riassunti gli aspetti principali dell‟attività svolta.
1. Installazione e test della nuova versione del modello micro meteorologico Envi- met;
Questa prima parte di lavoro si inserisce nell‟Attività (con riferimento al programma di ricerca):
Valutazione e confronto di modelli micro-meteorologici, sia diagnostici (MINERVE e TRAMPER) sia prognostici (RAMS, μRMS, MSS ed Envi-met), per la riproduzione e la simulazione della meteorologia e della dispersione di inquinanti in area urbana:
- selezione di casi studio per successive intercomparison, in geometrie semplificate e in casi reali, nelle città di Torino e Berlino;
- elaborazione di un protocollo di valutazione e validazione della modellistica utilizzata - programmazione per la pubblicazione dei risultati del progetto
Grazie ai risultati del lavoro di validazione sul modello Envi-met svolto nel corso della collaborazione con l‟Institut für Meteorologie (FU-IM) nell‟anno 2010 ed i cui risultati sono pubblicati nel report:
Trini Castelli S. and Piefel M., 2010. Evaluation of the Envi-met model simulating the flow around a single obstacle: the CEDVAL A1-1 test case. Internal Report CNR-ISAC-TO/01- 2010, 37 pages, September 2010
erano state evidenziate alcune problematiche relative alla gestione delle condizioni di inizializzazione, delle condizioni al contorno del dominio di calcolo e delle condizioni al suolo per le variabili turbolente utilizzate nel modello. Sulla base del‟analisi svolta, il modello è stato in seguito corretto e migliorato dagli autori (Bruse M., 1999; Huttner and Bruse, 2009). Inoltre, il codice è stato riscritto in linguaggio C ed implementato per sistemi operativi tipo unix, e sono stati rilasciati al nostro gruppo FU-IM e ISAC, per il presente lavoro di ricerca, i moduli sorgente su cui poter intervenire.
La versione nuova e aggiornata di Envi-met è stata acquisita ed installata sulle macchine a disposizione dell‟Institut für Meteorologie. Sono stati corretti problemi di compilazione e sono stati adattati i file di inizializzazione, in modo da poter procedere con le simulazioni di test per il modello.
Sono state inoltre analizzate le routine di calcolo per approfondire la conoscenza del modello.
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Il modello Envi-met è stato quindi configurato per simulare lo stesso case study CEDVAL A1-1 analizzato in precedenza (Trini Castelli and Piefel, 2010). In esso, si riproduce il flusso e la turbolenza intorno ad un ostacolo singolo (parallelepipedo) in condizioni di stratificazione atmosferica neutra, simulata in wind tunnel (Leitl, 2000) e di cui si hanno a disposizione i dati misurati (http://www.mi.uni-hamburg.de/Introduction.433.0.html). Per la geometria dell‟esperimento si fa riferimento alla Figura 1.
Figura 1. Sketch della geometria del case study CEDVAL A1-1. La linea blu rappresenta il profilo della geometria e del dominio sperimentale nel wind tunnel, le croci rosse sono i punti di misura dove sono
stati osservati i profili delle variabili a diverse quote. La funzione descritta dalla linea verde rappresenta il profilo di inizializzazione per la velocità del vento.
In una prima fase, sono state ripetute diverse simulazioni preliminari in configurazione semplificata per verificare sia la riproducibilità delle simulazioni già prodotte nel corso della precedente validazione sia l‟effettivo miglioramento delle condizioni di inizializzazione e di contorno. In input al modello è stato unicamente fornito il valore della velocità del vento a 10 m, variandolo da 3 m/s, a 3.75 m/s e 5 m/s, valori che erano stati precedentemente utilizzati per lo studio della sensitività del modello ai dati di input.
Dopo queste verifiche preliminari, nella seconda fase il modello è stato inizializzato con il profilo di vento del caso CEDVAL A1-1. In Figura 2 è riportato un esempio di confronto tra le simulazioni condotte con la versione precedente del modello Envi-met e con quella attuale, dove sono state recepite le modifiche suggerite a seguito della validazione condotta precedentemente (Trini Castelli and Piefel, 2010). Si nota come il problema di discontinuità al contorno del dominio di calcolo, riguardante la coordinata latitudinale Y, sia stato risolto.
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Figura 2a. Confronto tra la simulazione del caso CEDVAL A1-1 con il modello Envi-met originario (2010, in alto) e aggiornato (2011, in basso). Sezione orizzontale del campo del vento iniziale.
Figura 2b. Confronto tra la simulazione del caso CEDVAL A1-1 con il modello Envi-met originario (2010, in alto) e aggiornato (2011, in basso). Sezione orizzontale del campo iniziale di tke.
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La successiva fase di lavoro è stata dedicata all‟analisi della condizione alla superficie imposta sul valore della energia cinetica turbolenta (tke). La precedente validazione di Envi-met sul caso CEDVAL A1-1 aveva evidenziato, come accennato prima, l‟inadeguatezza della gestione della condizione al limite inferiore del dominio di calcolo. Questa condizione, che non è stata modificata dagli autori del codice, portava ad una sovrastima del valore misurato alla superficie, come mostrato in Figura 3. Tale valore viene mantenuto nel dominio di simulazione e compromette la corretta riproduzione del profilo verticale della tke.
Figura 3. Profili dell’energia cinetica turbolenta (tke) nei primi 9 punti di misura a monte dell’ostacolo.
Le x sono i dati misurati, le linee blu e rosse sono i dati calcolati ai due punti griglia più vicini al punto di misura.
Per comprendere come il modello riproduce il campo della turbolenza e come sia possibile agire su di esso per migliorare la riproducibilità del campo turbolento, sono stati studiati i codici sorgente del modello. Dall‟analisi del codice, si è dedotto che il modello Envi-met inizializza il campo 3D dell‟energia cinetica turbolenta in tre passi: un valore di „first guess‟ viene assegnato inizialmente, da questo si calcola un profilo 1D, a partire poi dal quale si ricostruisce il campo iniziale 3D tenendo conto della geometria degli ostacoli.
Sono stati fatti quindi alcuni test preliminari in cui sono stati modificati i valori assegnati, all‟interno del codice, al dato di superficie dell‟energia cinetica turbolenta, descritti di seguito. Si sottolinea che le simulazioni sono gravose dal punto di vista numerico, per cui per riprodurre pochi minuti in
“tempo reale” sono necessari tempi di calcolo di CPU di molte ore.
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Test 1. È stato cambiato il valore di first-guess nella corrispondente routine di inizializzazione;
questa modifica non ha prodotto effetti visibili.
Test 2. Il valore alla superficie del profilo 1D nella corrispondente routine è stato modificato tramite un‟estrapolazione tra il valore calcolato al livello superiore ed il valore che assumerebbe all‟altezza di rugosità z=z0, in modo da applicare la no-slip condition valida alla superficie, che implica tke(z0)=0; i profili della tke prodotti da Envi-met hanno mostrato uno spostamento nei valori ma il problema della sovrastima della tke alla superficie non è stato risolto. Da questo test è stato possibile comprendere che i valori assegnati alla tke alla superficie ed al top del dominio non vengono successivamente modificati nel corso della simulazione ed agiscono come limiti per la ricostruzione del profilo 1D ai livelli intermedi, ovvero nella preparazione del campo 3D.
Test 3. È stato forzato un valore costante per la tke al primo livello del grigliato nel profilo 1D, pari al valore minimo iniziale dell‟esperimento CEDVAL. Questa modifica non ha prodotto risultati visibili, per cui è stato dedotto che la successiva ricostruzione del campo 3D annullava il forcing imposto alla superficie.
Al presente si stanno effettuando ulteriori simulazioni in cui si applicano correzioni sia al campo 1D della tke sia al suo termine di dissipazione e si sta analizzando la routine di calcolo del campo 3D della tke per ulteriori interventi correttivi.
Il fine di queste simulazioni di test è di comprendere meglio il funzionamento del modello e di ottenere una versione di Envi-met in cui sia possibile operare sulle condizioni iniziali e di controllo e si sia risolto il problema del valore della tke alla superficie. Ottenuto ciò, sarà possibile procedere con una intercomparison con i modelli in uso all‟ISAC-TO, RAMS6.0-mod, (Trini Castelli and Reisin, 2010 e 2011), μRMS e MSS (Trini Castelli et al., 2011).
2. Identificazione di siti di misura e database utili alla ricerca.
Questa seconda parte di lavoro si inserisce, con riferimento al programma di ricerca, nell‟Attività:
Creazione di una banca di dati osservati, meteorologici e di qualità dell’aria, raccolti nelle città di Torino e Berlino, che sia di riferimento per lo studio previsto.
Analisi dei dati raccolti al fine di identificare le peculiarità della meteorologia urbana nelle due città. Verifica dell’applicabilità della teoria di similarità di Monin-Obukhov per il surface layer ed il boundary layer urbano.
L‟ISAC-TO ha a disposizione un dataset di misure meteorologiche raccolte in un sito urbano nell‟ambito del Progetto di Ricerca: Urban Turbulence Project (2007-2008: Ferrero et al., 2009).
I dati sperimentali sono relativi a misure di vento e turbolenza registrati con tre anemometri sonici disposti su un palo anemometrico e raccolti per un periodo di 15 mesi nel corso di una campagna di misura svolta nella città di Torino (Mortarini et al., 2009). Questo dataset costituisce un banco di prova ideale per lo sviluppo e la validazione di parametrizzazioni per lo strato limite atmosferico in aree urbane e per condizioni di calma di vento, in quanto le osservazioni sono state fatte all'interno
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del tessuto urbano e la velocità del vento registrata è inferiore a 1.5 m/s in più del 90% dei casi. Il database UTP è stato presentato al FU-IM e si è proposto di ripetere l‟analisi fatta su di esso (Trini Castelli et al., 2011) anche sui database attualmente in dotazione a FU-IM, al fine di approfondire la conoscenza dei processi atmosferici nello strato limite urbano, considerando l‟effetto della presenza di ostacoli e di vegetazione, e per valutare l‟applicabilità delle teorie della similarità in applicazione nella meteorologia urbana.
A tale scopo sono quindi stati visionati e selezionati alcuni database già disponibili presso il FU-IM (Stern R. and Yamartino R.J, 2001) o raccolti recentemente in nuove campagne sperimentali.
Sono stati acquisiti i dati meteorologici in diversi siti di misura in Berlino (Dahlem, Schoeneberg) e di qualità dell‟aria relativi a misure in street canyon, condotte negli anni passati in Schildhornstrasse.
Quest‟ultima è una strada a quattro corsie caratterizzata da traffico intenso, in cui è presente una stazione di misura fissa e dove è stata svolta una campagna di misura intensiva dal 4 dicembre 1994 al 10 marzo 1995. In Figura 4 è riportato un esempio dei dati disponibili.
Figura 4a. Esempio di dati meteorologici misurati in siti urbani a Berlino e resi disponibili per il programma di ricerca.
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Figura 4b. Esempio di dati di qualità dell’aria misurati in siti urbani a Berlino e resi disponibili per il programma di ricerca.
Nell‟ambito del progetto interdisciplinare MILIEU Centre for Urban Earth System Studies “Man in Urban Agglomerations - the Influence of Climate and Environmental Issues”, sono state inoltre recentemente svolte da FU-IM delle campagne di misura in quattro siti nella città di Berlino, per ottenere misure di micrometeorologia in canopy vegetativa ed urbana, nell‟ambito del sotto-progetto
“Vectorborne Diseases in an urban environment”. Le variabili misurate sono temperatura e umidità del suolo e dell‟aria a 1 m di altezza dalla superficie, radiazione solare a 2 m, velocità del vento a 2.5 m. Tre della quattro stazione sono in prossimità - a distanze comprese tra 50 e 500 m - di stazioni meteorologiche standard, delle quali è possibile acquisire i dati. Nelle Figure 5 e 6 sono riportate le foto aeree dei due siti di misura selezionati per la successiva analisi, dove è evidenziata la presenza della copertura vegetativa e degli edifici. Le misure proseguono con continuità dallo scorso luglio 2010.
È stata avviata una prima analisi dei dati, attualmente curata dalla Dr.ssa Piefel, dottoranda presso il FU-IM. In particolare, si sta procedendo con la valutazione della qualità dei dati e con un loro primo confronto con i dati delle stazioni meteorologiche standard, per evidenziare le peculiarità delle variabili meteorologiche al variare delle condizioni della vegetazione nel corso delle stagioni.
I database raccolti nella città di Berlino saranno poi utilizzati per studiare le parametrizzazioni di strato limite superficiale e di strato limite atmosferico urbano già in studio sui dati UTP raccolti nella città di Torino. La disponibilità di dati misurati di qualità dell‟aria in Berlino ed in Torino (disponibili dalla rete di stazioni di misura della Regione Piemonte) consentirà di verificare l‟efficacia delle suddette parametrizzazioni in applicazione alla modellistica della qualità dell‟aria.
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Figura 5. Sito di misura in canopy vegetale ed in area urbana, Moabit. Progetto MILIEU.
Figura 6. Sito di misura in canopy vegetale ed in area suburbana, Tegel. Progetto MILIEU.
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In conclusione, il lavoro di ricerca svolto presso il FU-IM nell‟ambito del programma STM del CNR ha consentito di avviare con successo sia l‟attività modellistica sia l‟attività di analisi dati da cui proseguire con lo studio dello strato limite urbano.
La collaborazione tra l‟ISAC e l‟FU-IM si è consolidata grazie al periodo di permanenza presso il FU-IM e si è avuta l‟opportunità di pianificare l‟attività dei prossimi mesi. In particolare, è stato stabilito di richiedere, su fondi della Freie Universität Berlin, il finanziamento di un anno di assegno di ricerca post-doc per un ricercatore non tedesco da svolgersi presso la FU-IM in Berlino. Questo aprirà la possibilità ad eventuali candidati italiani di lavorare nell‟ambito della collaborazione tra ISAC e FU-IM.
Bibliografia
Bruse M, 1999., Die Auswirkungen kleinscaliger Umweltgestaltung auf das Mikroklima - Entwicklung des prognostischen numerischen Modells ENVI-met zur Simulation der Wind-, Temperatur- und Feuchteverteilung in städtischen Strukturen, Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Geowissenschaften, urn:nbn:de:hbz: 294-1169
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Stern R., Yamartino R.J. , 2001. Development and First evaluation of micro-calgrid: a 3-D, urban-canopy- scale photochemical model. Atmospheric Environment 35 Supplement No. 1, S149-S165
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Trini Castelli S. and Piefel M., 2010. Evaluation of the Envi-met model simulating the flow around a single obstacle: the CEDVAL A1-1 test case. Internal Report CNR-ISAC-TO/01-2010, 37 pages, September 2010,
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Trini Castelli S., Falabino S., Mortarini L., Ferrero E., Anfossi D., Richiardone R., 2011. The Urban Turbulence Project – analysis of urban boundary layer parameters on the basis of an experimental campaign in Turin city. Boundary Layer Meteorology, under review.
Torino, 28.06.2011
Firma del Fruitore
