CALMET è un preprocessore meteorologico di tipo diagnostico in grado di riprodurre campi tridimensionali di vento e di temperatura e campi bidimensionali di parametri descrittivi della turbolenza.

2.1 Introduzione

L’applicazione dei modelli di dispersione atmosferica per la valutazione della qualità dell’aria richiede la predisposizione di dati meteorologici in ingresso sotto forma di campi tridimensionali che coprono l’intero dominio di applicazione del modello ed in grado di trattare adeguatamente i processi che avvengono nello strato limite planetario. I risultati delle simulazioni modellistiche sono, infatti, molto sensibili all’input meteorologico.

2.2 Il modello CALMET

CALMET è un preprocessore meteorologico di tipo diagnostico in grado di riprodurre campi tridimensionali di vento e di temperatura e campi bidimensionali di parametri descrittivi della turbolenza.

Il dominio su cui viene applicato è costituito da una griglia tridimensionale; in ogni cella è definito un punto rappresentativo (recettore) al quale sono assegnate le componenti orizzontali di velocità, ed un punto su una faccia della cella al quale si riferisce la componente verticale.

Per quanto riguarda la suddivisione orizzontale, il codice permette di tener conto anche della curvatura terrestre nel caso di dominio di calcolo molto ampio;

mentre, per quel che concerne l’asse verticale, CALMET utilizza un sistema di coordinate riferito al terreno (terrain-following) con strati verticali di spessore variabile.

I dati in ingresso al modello possono essere suddivisi in:

o Dati necessari o Dati opzionali

I primi risultano indispensabili per il calcolo dei campi di vento e per la restituzione del numero minimo di parametri meteorologici, i secondi servono soltanto ad ottenere una caratterizzazione più realistica della zona di studio.

In assenza dei parametri opzionali, infatti, il modello calcola l’evoluzione temporale dei parametri meteorologici sulla base di valori interni al modello stesso.

Gli input richiesti dal codice sono suddivisi in gruppi omogenei riguardanti dati

superficiali, in quota, sul mare e dati geofisici (tabella 2.1).

Tabella 2.1 Dati meteorologici in ingresso al modello CALMET

DATI METEOROLOGICI IN SUPERFICIE

Necessari Opzionali Dati orari

Velocità del vento Portata delle precipitazioni Direzione del vento Tipo di precipitazione

Temperatura Copertura nuvolosa

Altezza della base delle nuvole Pressione

Umidità relativa

DATI METEOROLOGICI IN QUOTA

Necessari Opzionali

Ogni 12 ore Campi di vento orari

Velocità del vento MM4/MM5 output Direzione del vento CSUMM output

Temperatura Pressione

Altezza della misura

DATI METEOROLOGICI SUL MARE

Necessari Opzionali Differenza di temperatura aria-mare

Temperatura dell’aria

Umidità relativa

Altezza di miscelamento sul mare Velocità del vento Direzione del vento Gradiente di temperatura sul mare (sopra e sotto l’altezza di miscelamento)

DATI GEOFISICI

Necessari Opzionali Campi bidimensionali Campi bidimensionali o dati puntuali

Elevazione del terreno Rugosità superficiale

Utilizzo del suolo (landuse) Albedo Rapporto di Bowen

Flusso di calore verso il suolo Flusso di calore antropogenico

Indice di copertura fogliare

Il modello richiede anche diverse informazioni relative alle dimensioni e alla posizione della griglia, al passo di griglia, alla struttura dei livelli verticali, al periodo di simulazione. Inoltre occorre fornire una serie di informazioni relative all’utilizzo degli algoritmi implementati e delle parametrizzazioni da utilizzare.

CALMET è costituito da tre moduli per la ricostruzione del campo di vento, dei

parametri di turbolenza e del campo di temperatura.

Ogni modulo viene applicato per ogni ora di simulazione utilizzando le informazioni disponibili per quella sequenza temporale (figura 2.1)

Campi 2D di Orografia, Landuse Misure al suolo di V, T, P, UR (orarie)

Misure sul mare di V e T Profili verticali di V e T

Upn.dat

Surf.dat

Sean.dat

Modulo per Temperatura

CALMET

- Campi orari 3D di V e T - Campi orari 2D di PGT, u^*, w^*, Hmix, L

Modulo Diagnostico

Modello Micromet.

Periodo di simulazione Griglia di calcolo Opzioni...

Input Control

Geo.dat

Figura 2.1 Schema a blocchi del modello CALMET

2.2.1 Campo di vento

L’inizializzazione del campo di vento può avvenire per valutare sia campi di vento diagnostici (riferiti ad un lasso di tempo di cui si dispone di dati osservati provenienti da centraline) che prognostici (basati sull’utilizzo di dati previsionali, provenienti da altri modelli).

La ricostruzione del campo di vento diagnostico avviene attraverso due passi successivi.

Inizialmente CALMET costruisce un campo di vento sulla base delle condizioni

generali dell’area, dell’orografia e della stabilità atmosferica. Successivamente

corregge il campo sulla base delle misure.

Più precisamente al primo passo vengono effettuate le seguenti operazioni:

o Vengono definite le componenti orizzontali U e V di un campo di vento di primo tentativo. Il campo può essere costruito mediante diversi tipi di inizializzazione: vento costante su tutto il dominio, estrapolazione verticale dei dati misurati in superficie, introduzione da parte dell’utente di pesi diversi per gli strati a quote diverse.

o Al campo di primo tentativo, eventualmente riadattato alla griglia di CALMET, viene aggiunta la componente verticale W della velocità, stimata attraverso un algoritmo che tiene conto dell’orografia e della stabilità atmosferica.

o Alle componenti orizzontali dei primi livelli viene aggiunta una correzione che tiene conto, soprattutto nelle zone ad orografia complessa, degli effetti cinematici dovuti al terreno, del flusso nei pressi dei pendii, dell’effetto degli ostacoli.

Il campo di vento sarà il risultato di un’interpolazione del tipo 1/r

(ogni stazione influenza il campo di vento calcolato in un punto in maniera proporzionale al quadrato della distanza tra stazione e punto stesso).

Il campo così calcolato viene riaggiustato in modo da rispettare l’ipotesi di divergenza nulla.

Sul camp (u

, v

), detto di primo passo, vengono effettuate le seguenti operazioni:

o Vengono calcolati nuovi valori delle componenti orizzontali (u

(x, y, z)) e (v

(x, y, z)), livello per livello, attraverso una media pesata che tiene conto del peso relativo del campo calcolato e delle misure sperimentali (peso maggiore ai dati sperimentali vicino alle centraline e minore in punti più lontani). Al suolo le misure sono costituite dalle stazioni di superficie, mentre in quota vengono utilizzate le stazioni di profilo.

Dopodiché viene applicato l’operatore di divergenza nulla che permette di ricavare nuovi valori di w(x, y, z).

o Le velocità verticali possono essere modificate basandosi sull’equazione di conservazione della massa per fluidi incomprimibili o attraverso la procedura di O’Brien (riduzione delle velocità verticali negli strati più alti dell’atmosfera, ponendo uguale a zero la velocità nell’estremo superiore del dominio).

In questo caso viene riapplicato l’operatore di divergenza per rendere nuovamente mass-consistent il campo di vento (ipotesi di fluido incomprimibile).

I dati provenienti da modelli prognostici vengono, invece, introdotti in CALMET in tre differenti modalità (figura 2.2):

o In sostituzione al campo di vento iniziale.

o In sostituzione al campo di vento calcolato dopo lo step 1.

o Come dati osservati nella procedura di analisi volta a produrre il campo di vento finale.

Inizializzazione campo di vento

Effetti cinematici del terreno Minimizzazione

divergenza

Dati prognostici come campo di vento iniziale

Dati prognostici come campo di vento calcolato Step 1

Campo di vento di primo passo

Procedura di analisi

Dati prognostici come

“osservazioni”

Smussatura Procedura di

O’Brien Minimizzazione

divergenza

Step 2 Campo di vento

finale

Figura 2.2 Diagramma di flusso del modulo di vento diagnostico in CALMET

con l’introduzione dei dati provenienti dai modelli prognostici.

2.2.2 Modello micrometeorologico

CALMET propone anche un modello micrometeorologico per la definizione dei parametri di turbolenza.

Il modulo permette di ricostruire l’evoluzione temporale, per ogni cella del dominio, della classe di stabilità atmosferica (PGT stability), della lunghezza di Monin-Obukhov (L), dell’altezza dello strato limite (Boundary Layer), della velocità d’attrito (u

) e della velocità convettiva di scala (w

) tenendo conto dei flussi di calore presenti nel Planetary Boundary Layer (PBL).

L’equazione di bilancio energetico utilizzata, definita come:

Q

+ Q

= Q

+ Q

+ Q

permette di quantificare il flusso di calore sensibile Q

sulla base del flusso netto di energia radiante Q

, dell’eventuale flusso di calore antropogenico Q

, del flusso di calore latente Q

e del flusso di calore verso il terreno Q

. Il termine Q

è funzione della radiazione solare incidente e riflessa (quindi della posizione geografica, dell’istante temporale, della copertura nuvolosa e dell’albedo(§ 2.3.3), Q

e Q

sono legati alle caratteristiche della superficie (umidità e coefficiente di assorbimento), mentre Q

qualifica l’effetto di eventuali sorgenti di calore antropogeniche.

L’algoritmo procede secondo i seguenti passi:

o Il valore di classe di stabilità è ricavato in funzione della radiazione solare, della copertura nuvolosa e dell’intensità del vento.

o Sulla base del flusso di calore sensibile vengono ricavati i valori di L e u

. o Per il calcolo dell’altezza dello strato di rimescolamento (mixing height,

MH) vengono utilizzati due approcci differenti:

1. durante le ore diurne viene definita come altezza di miscelamento (MH) il valore massimo ottenuto applicando due possibili algoritmi: uno tiene conto della componente convettiva della turbolenza e l’altro qualifica la componente di origine meccanica.

Nel primo l’altezza dello strato di rimescolamento risulta funzione di Q

e del gradiente termico, mentre nel secondo il valore di mixing height è legato all’intensità del vento attraverso u

.

2. di notte, invece, l’altezza di rimescolamento viene calcolata solo sulla base del contributo di tipo meccanico.

o Il calcolo di w

per le sole ore diurne viene effettuato in funzione del flusso di calore sensibile.

I parametri descrittivi della turbolenza così ottenuti vengono utilizzati dal modello

di dispersione CALPUFF per il calcolo dei coefficienti di diffusione turbolenta.

2.2.3 Campo di temperatura

Il modulo utilizza i dati misurati dalle stazioni al suolo e di profilo per ricostruire un campo tridimensionale di temperatura per ogni ora di simulazione.

L’algoritmo procede secondo i seguenti passi:

o Le misure di profilo di temperatura vengono interpolate, livello per livello, su tutte le celle del dominio.

o I valori al suolo vengono calcolati con lo stesso criterio, ma utilizzando i dati delle stazioni di superficie.

o All’interno dello strato di rimescolato convettivo (diurno) i valori di temperatura vengono corretti ipotizzando la presenza di un profilo adiabatico con valore al suolo pari a quello stimato per interpolazione.

o Il campo ottenuto viene “lisciato” mediando i valori spazialmente in funzione della direzione del vento.

E’ possibile, inoltre, ottenere:

un campo tridimensionale di precipitazioni sulla base di osservazioni orarie

delle precipitazioni stesse.

2.3 Opzioni di studio

Il preprocessore meteorologico CALMET è stato utilizzato per effettuare una caratterizzazione meteorologica della zona di studio mediante grandezze primarie, come velocità e direzione del vento, temperatura, umidità, copertura nuvolosa, radiazione, e mediante i parametri che descrivono i fenomeni che avvengono nello strato limite.

Poiché il valore di queste grandezze ha un impatto decisivo sulle proprietà diffusive dell’atmosfera, una loro accurata valutazione si è resa indispensabile al fine di un corretto utilizzo del modello di dispersione CALPUFF.

E’ stata, quindi, effettuata una convalida del preprocessore mediante una calibrazione sul campo attraverso strumenti quali:

o La scelta dell’inizializzazione più appropriata, tra quelle possibili (§ 2.2), mediante una valutazione dell’affidabilità dei dati di ingresso disponibili (§ 2.3.1);

o La scelta del dominio di calcolo che permetta al preprocessore di tener conto, con il desiderato grado di dettaglio, dell’orografia e della rugosità del terreno (§ 2.3.3).

2.3.1 Disponibilità dei dati meteorologici

Per poter essere applicato, il modello CALMET richiede in ingresso diverse informazioni indispensabili quali: condizioni meteorologiche al suolo (con cadenza oraria), condizioni meteorologiche in quota (con cadenza minima ogni 12 ore), dati geofisici (§ 2.2 Tabella 2.1).

Le informazioni sull’orografia e sull’uso del suolo sono reperibili da carte tematiche oppure da database informatizzati.

Per quanto riguarda i dati meteorologici, invece, le principali fonti sono costituite da:

o Dati misurati dalle centraline a terra e in quota (4 m, 10 m, 40 m);

o Dati calcolati da modelli.

Poiché la qualità dei risultati è fortemente legata alla rappresentatività delle

misure utilizzate, è stato necessario effettuare una validazione dei dati

meteorologici disponibili, attraverso il confronto tra i dati meteorologici misurati

dalle centraline di qualità dell’aria e i dati provenienti dal modello prognostico

RAMS (Regional Atmospheric Modelling System) (Pielke et al., 1992) fornito dal

La.M.M.A (Laboratorio Modelli e Meteorologia Ambientale della Regione

Toscana CNR-IBIMET).

2.3.2 Studio e confronto dei dati disponibili 2.3.2.1 Campo di applicazione

La zona su cui è stata effettuata la convalida dei dati è situata tra le province di Pisa, Lucca e Livorno. L’area di 37,4x33 km

comprende principalmente il bacino del fiume Arno con la pianura centrale, le colline a nord di Cascina e a sud di Livorno. La parte ovest comprende circa 1 km di mare, per tener conto di eventuali fenomeni di brezze marine (per una descrizione più dettagliata vedi Capitolo 4).

Figura 2.3 Zona di studio

2.3.2.2 Dati disponibili sulla zona

Per lo studio preposto in questo lavoro di tesi è stato selezionato l’anno 2002 e si è fatto riferimento ai seguenti dati:

• Dati RAMS (La.M.M.A): Il modello prognostico RAMS fornisce i dati meteorologici in modo omogeneo ed uniforme su tutto il dominio di studio (figura 2.2) con una risoluzione della griglia di 4km x 4km e per ognuno dei 12 livelli verticali, a partire da un’altezza di circa 38m.

Le centraline “virtuali” (punti griglia) RAMS misurano: velocità e direzione del vento, temperatura, pressione, umidità relativa.

• Centraline meteo a terra disponibili (Provincia e ARPAT):

- Cascina (PI) - Navacchio (PI) - Oratoio (PI) - I Passi (PI) - Ardenza (LI) - De Sanctis (LI)

I sensori sono tutti posizionati a quote intorno ai 4 metri sul livello del suolo; fanno eccezione le centraline di Ardenza (circa 10 metri) e De Sanctis (circa 35 metri).

Tutte le centraline meteo misurano i parametri di: velocità del vento, direzione del vento, temperatura, pressione, umidità relativa, radiazione solare totale.

Della centralina di De Sanctis si hanno a disposizione solo i dati di velocità e direzione del vento.

Alcune centraline misurano anche la deviazione standard della direzione del vento (sbandieramento) e la radiazione netta.

2.3.2.3 Validazione dei dati misurati dalle centraline

Per poter confrontare le misure di intensità e direzione del vento eseguite da due o più anemometri è necessario, innanzitutto, fare riferimento a misure eseguite contemporaneamente.

Bisogna, quindi, conoscere le caratteristiche dell’anemometro, in particolare, su

quali intervalli temporali sono calcolate le medie delle singole misure; più in

dettaglio, può essere utile la frequenza dei campionamenti, sui quali è poi

calcolata la media. E’ importante, inoltre, sapere come viene calcolata la direzione

media, soprattutto quando si è in presenza di alti valori dello sbandieramento e di

ampie oscillazioni della direzione del vento tra 0° e 360°.

In questo caso, il confronto tra le misure delle centraline è stato fatto mediante il calcolo del coefficiente di correlazione lineare e la rappresentazione scatter plot.

Questo metodo ha due aspetti critici:

- È necessario confrontare il modulo della velocità e la direzione del vento separatamente. E’ necessario, quindi, fare lo scatter plot delle velocità per un certo intervallo di direzioni nella stazione di riferimento e, successivamente, quello delle direzioni quando nella stazione di riferimento il modulo della velocità è compreso in un dato intervallo.

- E’ difficile tener conto della ciclicità della direzione, in quanto 5° e 355°

appaiono come punti molto lontani dalla bisettrice, mentre ovviamente non è così.

La centralina presa come riferimento è quella di Ardenza, in quanto è risultata la più attendibile attraverso un’analisi preliminare (quota intermedia e disponibilità di tutti i dati).

Un primo confronto è stato effettuato tra la centralina di riferimento e quella di De Sanctis.

In figura 2.4 è riportato lo scatter plot delle velocità in relazione ad un intervallo di direzioni prevalenti.

Un buon accordo tra i dati si ottiene quando i punti si trovano sulla bisettrice; in questo caso i punti si trovano sparsi attorno una retta la cui pendenza è maggiore dell’unità. Sebbene le centraline siano molto vicine tra loro, la discordanza tra le misure è dovuta alla differenza di altezza tra le due centraline: quella esaminata si trova, infatti, ad una altezza superiore (40 m) rispetto a quella di riferimento (10m) con conseguente registrazione di velocità del vento più alte.

Le correlazioni migliori si ottengono in presenza di velocità elevate registrate

dalla centralina di Ardenza (figura 2.5).

scatter plot velocità dir=45-67.5

R² = 0.5789

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00

vel Ardenza

vel De Sanctis

De Sanctis

Figura 2.4 Scatter plot delle velocità del vento per una direzione compresa tra 45° e 67.5°

scatter plot velocità dir=270-292.5

R² = 0.7307

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00

vel Ardenza

vel De Sanctis

De Sanctis

Figura 2.5 Scatter plot delle velocità del vento per una direzione compresa tra 270° e 292.5°

Nel confronto con le altre centraline, si ottiene la situazione contraria in quanto la

loro altezza (4 m) è inferiore a quella della centralina di Ardenza, pertanto le

velocità registrate risultano più basse. In questo caso, inoltre, le centraline

esaminate si trovano ad una distanza di oltre 20 km dalla centralina di riferimento,

lontano, quindi, dalla costa caratterizzata da velocità del vento maggiori.

scatter plot velocità dir=45-67.5

R² = 0.4832

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00

vel Ardenza

vel Cascina

Cascina

Figura 2.6 Scatter plot delle velocità del vento per una direzione compresa tra 45° e 67.5°

I risultati ottenuti per la centralina di Cascina (figura 2.6) sono paragonabili a quelli ottenuti per le centraline di Navacchio, I Passi e Oratoio.

In aiuto a questo metodo si possono utilizzare le rose dei venti per riassumere le informazioni relative alla velocità del vento, così da ottenere la frequenza congiunta (velocità-direzione).

0 100 20 0 30

0 40

0 500

60 0 700

N

NE

E

SE S

SW W

NW

0 1 2 3 4 5

N

NE

E

SE S

SW W

NW

DIREZIONE VELOCITA’

Figura 2.7 Rosa dei venti- Centralina di Ardenza- Anno 2002

0 200 400 600 800 1000

N

NE

E

SE S

SW W

NW

0 1 2 3 4 5 6 7

N

NE

E

SE S

SW W

NW

DIREZIONE VELOCITA’

Figura 2.8 Rosa dei venti- Centralina di De Sanctis- Anno 2002

0 0.5 1 1.5

N

NE

E

SE S

SW W

NW

0 200 400 600 800 1000

N

NE

E

SE S

SW W

NW

DIREZIONE VELOCITA’

Figura 2.9 Rosa dei venti- Centralina di Cascina- Anno 2002

2.3.2.4 Validazione dei dati RAMS

Per la verifica dei dati RAMS è stata utilizzata un’analisi quantitativa dell’errore sviluppata da Keyser e Anthes [9], che permette di valutare la bontà dei risultati di un modello sulla base dei dati misurati.

I parametri calcolati per l’analisi sono:

o L’errore quadratico medio

12 1

)

( ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ −

= ∑

=

N

E

i

obs

i

φ

φ

o L’ errore quadratico medio a meno di una certa variazione del parametro studiato

[ ]

1

2 0

0

) ( )

( ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ − − −

= ∑

=

N

E

i

obs iobs i

UB

φ φ φ φ

o La deviazione standard dei dati modellati

12 1

2 0

)

( ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ −

= ∑

=

N

S

i

i

φ

φ

o La deviazione standard dei dati osservati

12 1

2

0

)

( ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ −

= ∑

=

N

S

i

obs iobs

obs

φ φ

dove:

Φi e Φobs sono rispettivamente il dato modellato e osservato nella stessa posizione del dominio;

Φ0 e Φ0obs sono le medie di Φi e Φobs per una certo periodo studiato;

N è il numero di osservazioni.

La simulazione presenta valori accettabili quando:

S

S ≈ E < S

E

< S

La metodologia è valida per qualsiasi parametro meteorologico di cui si abbiano

valori misurati e calcolati negli stessi periodi.

Un primo controllo è stato effettuato tra la centralina RAMS 1358 e la centralina meteorologica De Sanctis (figura 2.3).

I risultati ottenuti per il mese di febbraio 2002 sono descritti nella tabella 2.2.

Tabella 2.2 Confronto dati RAMS-1358 e dati della centralina di De Sanctis

1358-

vs

centralina De Sanctis S S

S

E

obs UB

S E

Velocità del vento 0.82 0.74 0.73

Direzione del vento 0.979 1 0.98

I dati calcolati dal modello RAMS, per quello che riguarda la centralina esaminata, sono risultati in ottimo accordo con quelli misurati dalla centralina meteorologica.

Un’ulteriore verifica può essere fatta confrontando le medie mobili calcolate sulle 12 ore per la velocità e la direzione del vento ottenute per la centralina e per il punto RAMS. In figura 2.10 sono riportati gli andamenti delle velocità per il mese di febbraio 2002.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

1358 De Sanctis

Media Mobile su 12 per. (1358) Media Mobile su 12 per. (De Sanctis)

Figura 2.10 Andamenti della velocità del vento registrati dalla centralina di De Sanctis e calcolati nel punto 1358

Per il confronto su tutto il dominio è stata utilizzata la nuova versione del

modello CALMET (2003) che permette di utilizzare come soli dati di ingresso i

dati RAMS (§ 2.2 figura 2.2).

Il modello meteorologico è stato applicato al dominio di studio scelto, per il periodo di febbraio 2002 (26 giorni di dati disponibili per 24 ore al giorno: 624 ore totali).

Le opzioni utilizzate nel modello sono le seguenti:

• Orografia e landuse (GEO.DAT) caratterizzati con:

Grigliato di 37,4km x 33km

170 x 150 celle quadrate di 220 metri per lato

• Landuse costante su tutto il dominio (Agricultural Land)

• Interpolazione del tipo 1/r

tra i dati delle varie centraline (per calibrazione vedi Tesi Morale)

• Dati RAMS come campo di vento iniziale.

Dopo aver ricostruito il campo meteorologico sulla base dei dati RAMS, sul dominio dettagliato (celle di 220 metri), è stata effettuata la convalida dei risultati ottenuti nei diversi layer verticali attraverso i dati misurati nelle centraline di Ardenza (9 metri di altezza) e De Sanctis (35 metri di altezza), con la stessa metodologia già illustrata (tabelle 2.3-4)

Tabella 2.3 Confronto dati CALMET e dati della centralina di Ardenza

CALMET vs

centralina Ardenza (layer a 9 metri)

S

S

S

E

obs UB

S E

Velocità del vento 1.15 1.27 1.14

Direzione del vento 0.83 0.95 1.01

Tabella 2.4 Confronto dati CALMET e dati della centralina di De Sanctis

CALMET vs

centralina De Sanctis (layer a 35 metri)

S

S

S

E

obs UB

S E

Velocità del vento 0.91 0.83 0.80

Direzione del vento 0.984 1.04 0.98

I risultati ottenuti mostrano un buon accordo tra CALMET e Ardenza (layer a 9 metri): la direzione calcolata e misurata nel periodo esaminato risultano accettabili, le velocità del vento sono meno simili.

Tra CALMET e De Sanctis (layer a 35 metri) i risultati mostrano, invece, un

ottimo accordo sia per la velocità sia per la direzione del vento.

2.3.2.5 Conclusioni

Le buone correlazioni ottenute fanno si che i dati RAMS vengano preferiti a quelli provenienti dalle stazioni di monitoraggio.

Quest’ultime, infatti, oltre a fornire una quantità di dati spesso insufficiente (mancano, per esempio, le misure di altezza della base delle nuvole e di copertura del cielo, inoltre sono del tutto assenti le rilevazioni in quota), sono fortemente influenzate dai fattori micro-scala come l’altezza degli edifici, le turbolenze locali o le calme di vento.

Sebbene le centraline forniscano dei dati misurati, il loro utilizzo all’interno del

preprocessore meteorologico introduce un’ulteriore approssimazione del campo di

vento a causa delle stime e delle estrapolazioni che devono essere fatte

dall’operatore al fine di ottenere tutti i dati richiesti dal modello e non disponibili

come misure reali.

2.3.3 Altre opzioni di studio

Un’analisi di sensitività parametrica del modello CALMET è stata effettuata al fine di valutare gli effetti che alcuni parametri hanno sui risultati del modello.

I parametri presi in considerazione e le opzioni studiate sono riportati in tabella 2.5.

Tabella 2.5 Analisi di sensitività parametrica

INPUT

CALMET Opzioni Dettagli Risoluzione Griglia

Periodo di simulazione METEO

Modelli

prognostici RAMS

(38m-3000m) 1100mx1100m Febbraio ‘02 Modelli

prognostici RAMS

(38m-3000m) 220mx220m Febbraio ‘02 OROGRAFIA

Semplice Altezza di

risoluzione100m 220mx220m Giornaliero/orario Dettagliata Altezza di

risoluzione15m 220mx220m Giornaliero/orario/

Febbraio ‘02 Dettagliata Altezza di

risoluzione15m 1100mx1100m Giornaliero/orario/

Febbraio ‘02 LANDUSE

Semplice Territorio agricolo 220mx220m Giornaliero/orario Medio Territorio agricolo,

mare 220mx220m Giornaliero/orario Complesso Territorio agricolo,

urbano, boschivo, irrigato, mare

220mx220m Giornaliero/orario/

Febbraio ‘02

Complesso Territorio agricolo, urbano, boschivo,

irrigato, mare

1100mx1100m Giornaliero/orario/

Febbraio ‘02

L’analisi si è limitata a due parametri geofisici, l’orografia e la tipologia di copertura del suolo, che vengono introdotti in CALMET attraverso il file di input GEO.DAT.

I dati relativi a questi due parametri sono stati ricavati dalla cartografia digitalizzata fornita dal SIT della Regione Toscana.

Per un corretto utilizzo di tali dati, occorre verificare che il grado di dettaglio con cui vengono forniti sia compatibile con la scala spaziale con cui opera il modello;

i valori di questi due parametri devono essere noti per ogni punto del dominio considerato e pertanto introdotti nel modello come grigliato (per queste elaborazioni è stato usato Archview 3.2).

CALMET tiene conto dell’orografia subito dopo la creazione del campo di vento

iniziale, calcolando le velocità verticali in base al gradiente di altezza del terreno,

tenendo conto dei pendii e degli ostacoli.

L’uso di una griglia di valori di dettaglio, come nel caso della quota s.l.m. con risoluzione pari a 15 m, permette al modello di tenere conto in maniera più rappresentativa degli effetti orografici.

Gli effetti associati ad una variazione del landuse risultano molto più evidenti (tabella 2.5).

Ad ogni diverso uso del suolo, infatti, è associato un diverso valore dei parametri che descrivono le caratteristiche geofisiche del suolo, quali la rugosità superficiale, l’albedo

, il rapporto di Bowen

, il parametro del flusso di calore al suolo

, l’indice di copertura fogliare e il flusso di calore antropogenico.

Tutti questi parametri contribuiscono a definire le grandezze caratteristiche della turbolenza, necessarie a CALMET per definire i campi di vento tridimensionali.

Una volta definito il grado di dettaglio dell’orografia del territorio in esame e definito un giorno caratteristico dal punto di vista meteorologico, l’analisi è stata condotta effettuando una serie di simulazioni in base al diverso uso del suolo.

Per ognuna delle simulazioni sono state calcolate, e poste a confronto, le grandezze caratteristiche quali:

• Velocità del vento

• Direzione del vento

• Altezza di miscelamento (HM)

Le differenze sono state valutate mediante il calcolo dell’errore quadratico medio sull’intera griglia e mediante la differenza tra i valori massimi e minimi su ogni recettore per tutti i parametri (Elbir, T. 2003). I risultati ottenuti mostrano che l’altezza di miscelamento è il parametro più sensibile ad una variazione del landuse, mostrando differenze sull’intero dominio che vanno da qualche decina di metri fino a circa 650 m.

La direzione e la velocità del vento mostrano solo evidenti differenze locali che, comunque, hanno una certa influenza sulla modellazione della dispersione degli inquinanti. I risultati ottenuti sono descritti nella tabella 2.6.

NOTE:

1

Riflessività della superficie terrestre.

2

Rapporto tra il flusso di calore sensibile e il flusso di calore latente.

3

Coefficiente di assorbimento dell’energia radiante.

Tabella 2.6 Variazioni massime e percentuali dei parametri ottenuti con CALMET al variare del landuse.

PARAMETRI LANDUSE Semplice

vs complesso

Medio vs complesso

Max ∆velocità vento [m/s] 3.5 0.6

% dominio (∆vel>0.5m/s) 5 0.1

Max ∆direzione vento [°N] 85 28

% dominio (∆dir=10°N) 8 1

Max ∆altezza miscelamento[m] 650 66

% dominio (∆mix=50m) 99.5 4

Una maggiore risoluzione della griglia (celle di 220 metri) è stata utilizzata al fine di ottenere un campo di vento particolarmente dettagliato e dei dati quanto più realistici per i parametri micrometeorologici, necessari per un’applicazione avanzata del codice CALPUFF (§ 3.2).