6. APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

6. APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

6.1 Introduzione

Per descrivere la situazione meteoclimatica di una determinata zona (per definire la struttura del campo di vento sull’intero dominio di calcolo, le misure, a meno di una particolare omogeneità, non sono sufficienti) e per una valutazione della qualità dell’aria più efficiente è consuetudine ricorrere all’utilizzo di modelli.

Come già ricordato, la stessa direttiva europea 96/62/CE ne prevede l’utilizzo al fine di sostituire (in alcuni casi) ed integrare la raccolta di misure sperimentali e quindi di ridurre le postazioni fisse di qualità dell’aria (con notevole riduzione dei costi).

Una valutazione preventiva dell’inquinamento, inoltre, permette di focalizzare maggiormente l’attenzione sui “punti critici”, consentendo la possibilità di “prevedere” in tempo utile fenomeni acuti di inquinamento e una migliore gestione di situazioni di emergenza. Con questo spirito, è stata effettuata l’applicazione del modulo CALMET-CALPUFF alla Provincia di Arezzo.

La simulazione consiste nel calcolo della dispersione e successiva ricaduta al suolo dell’inquinante PM10 a seguito delle emissioni dei grandi impianti industriali localizzati entro i confini della Provincia. L’intervallo di tempo preso in considerazione è il triennio 2001-2003 mentre il dominio di calcolo è costituito da una reticolo rettangolare (87x83 km) di 7221 celle quadrate, ciascuna di 1 km di lato. La figura 6.1.1, rappresentata con il programma Arc View Gis 3.2, riproduce la griglia di calcolo utilizzata e la sua collocazione nella regione.

Poiché la meteorologia costituisce un elemento fondamentale nella

dispersione delle sostanze inquinanti, si è ritenuto opportuno, prima di applicare

E’ inoltre doveroso sottolineare che, come tipicamente avviene in questi casi, l’applicazione del modello è stata effettuata con varie ipotesi semplificative e con dati “teorici” (quelle delle sorgenti di emissione), non necessariamente corrispondenti a quelli reali (come sarà illustrato nei paragrafi successivi).

Fig. 6.1.1 - Rappresentazione del dominio di calcolo

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6.1.1 Dati di ingresso ai modelli

L’applicazione del codice CALMET-CALPUFF richiede tre principali categorie di dati di ingresso:

Il termine di sorgente;

I dati metereologici;

L’orografia e l’utilizzo del territorio.

Poichè la precisione complessiva di un modello è determinata fortemente dalle approssimazioni e dalla precisione dei dati di ingresso, primariamente è stato necessario, nel caso di alternative disponibili, selezionare il tipo di dati da utilizzare.

La scelta è avvenuta sulla base di:

Disponibilità delle misurazioni/informazioni;

Affidabilità delle stesse;

Attualità dei dati;

Completezza delle misure.

Valutati gli elementi da adottare come input, in seguito sono stati elaborati nella forma richiesta dal codice di calcolo.

La scelta dei camini da utilizzare quali sorgenti puntiformi rappresenta sicuramente il punto chiave per effettuare una simulazione consistente.

I dati disponibili a riguardo sono stati quelli censiti a livello Provinciale e quelli dell’Inventario Regionale delle Emissioni (Vedi paragrafo 4.4).

La selezione è avvenuta per livelli successivi.

A un primo stadio fondamentalmente si sono preferiti i dati dell’Inventario

Provinciale, più conservativi dei dati IRSE, ma disponibili per un numero

maggiore di impianti e generalmente più attuali e “update” (eventuali variazioni

negli impianti o nei sistemi di abbattimento sono sicuramente comunicati alle

sedi Arpat e alla Provincia mentre l’IRSE potrebbe non essere aggiornata in

questo senso). Nei casi in cui per una azienda i dati dell’Inventario Provinciale

selezionando solo quelle che avevano presentato richiesta di Autorizzazione Integrata Ambientale (Vedi paragrafo 4.4 e Appendice 3), che rappresentano 26 ditte con un totale di 216 camini. Poiché un numero così elevato di sorgenti puntuali risulta difficilmente gestibile è stato necessario un’ulteriore selezione.

Il criterio utilizzato è stato stabilito sulla base delle emissioni di polveri totali dichiarate dalle aziende, in particolare sono stati considerati solo i camini ai quali è associata una portata massiva di polveri minima di 0,1 g/s.

Il numero finale di camini utilizzati nella simulazione con CALPUFF si è in tal modo ridotto a 29 camini, che, anche se costituisce soltanto il 13.4% del totale, danno comunque origine a circa l’82% delle emissioni di polveri totali. La figura 6.1.2 rappresenta le aziende della Provincia di Arezzo censite nel 1991, quelle che hanno presentato richiesta di Autorizzazione Integrata Ambientale e quelle utilizzate nella simulazione.

Fig. 6.1.2 - Aziende censite nel ’91, che hanno presentato domanda di A.I.A. e utilizzate in CALPUFF

Il codice CALPUFF per le sorgenti puntiformi richiede le seguenti informazioni:

1. Identificazione della sorgente

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3. altezza del camino (m) 4. quota s.l.m. (m)

5. diametro del camino (m) 6. velocità di efflusso (m/s)

7. temperatura dei fumi in uscita (°K) 8. rateo di emissione (g/s)

Per adeguare i dati dell’inventario alla forma richiesta dal codice (Vedi anche paragrafo 6.3, figura 6.3.10), i dati di concentrazione e portata all’uscita del camino sono stati trasformati in portate massive, le sezioni in diametro ed è stato necessario stimare la percentuale di PM10. A tal riguardo è necessario ricordare che sia le dichiarazioni delle aziende che i controlli ai camini effettuate dal personale autorizzato sono relativi alle emissioni di particolato totale (il rilevamento sperimentale descritto nel paragrafo 4.4.3 rappresenta in questo senso una novità). Mancando dunque una base informativa adeguata, le percentuali sono state stimate in modo approssimato in base ai fattori di emissione consigliati da US-EPA ^/37/ .

La guida per la determinazione delle emissioni in base al tipo di attività,

di processo, di sistema di contenimento adottato e della relativa efficienza, di

taglia delle particelle che si vuole campionare (nella fattispecie 10 µm), etc.,

fornisce delle percentuali che rappresentano una stima della frazione di tali

particelle rispetto al particolato totale. Non essendo note in modo esatto le

attività e i processi delle varie aziende considerate, così come l’efficienza dei

sistemi di contenimento utilizzati, la stima della percentuale di PM10 rispetto al

particolato totale è stata fatta basandosi sulle linee guida descritte

nell’Appendice B-2 della suddetta guida per emissioni incontrollate. La tabella

6.1.1 rappresenta l’elenco delle sorgenti puntuali utilizzate per la simulazione,

con le relative grandezze richieste dal codice e la stima della percentuale di

PM10 (il numero tra parentesi indica la categoria della guida US-EPA presa a

A z ie n d a D e n o m in a z io n e S ig la e m is s io n e C o o rd in a te U T M X (K m ) C o o rd in a te U T M Y (K m ) A lt e z z a c a m in o ( m ) Q u o ta ( m ) D ia m e tr o ( m ) V e lo c it a ( m /s ) T e m p e ra tu ra ( K ) P T S ( g /s ) P M 1 0 :f a tt o re d i e m is s io n e % (c a te g o ri a U S -E P A )

AISA c E1 728.354812.49 60 244 1.10 16 4230.10 67 (a) Casprini

GruppoIndustriale f7 E15 701.394827.38 10 140 0.60 16 2990.20 85 (4) Casprini Gruppo

Industriale f8 E16 701.394827.38 10 140 0.60 16 2990.20 85 (4) Casprini Gruppo

Industriale f9 E17 701.394827.38 10 140 0.60 16 2990.20 85 (4) Casprini Gruppo

Industriale f10 E18 701.394827.38 10 140 0.60 16 2990.20 85 (4) CHIMET g1 EC0020 724.834809.92 20 265 2.36 8.2 2930.95 92 (8) CHIMET g2 GC0001 724.834809.92 14 265 0.90 15.5 3130.21 92 (8) CHIMET g3 BC0006 724.834809.92 22 265 1.20 10.1 3430.19 92 (8) CHIMET g4 CC0002 724.834809.92 20.5 265 1.5217.39 3230.67 92 (8) CHIMET g5 DC0002 724.834809.92 22 265 1.40 12.7 3430.33 92 (8) CHIMET g6 EC0001 724.834809.92 22 265 1.00 17.1 3730.24 92 (8) COLACEM

(IRSE) lIR2 728.704837.89 94 300 3.5010.11 3200.49

Fornaci Baglioni i1 E24 717.414822.35 11 250 1.13 11.2354.50.24 85 (4) Industria Vetraria

Valdarno n2 D1 705.244826.15 8 130 0.30 13 2930.13 92 (8) Industria Vetraria

Valdarno n6 E2A 705.244826.15 8 130 0.70 12.6 9610.14 92 (8) Industria Vetraria

Valdarno n9 E5A 705.244826.15 8 130 0.55 8 6330.12 92 (8) Sadam

Castiglionese p6 E23 734.184801.02 34 250 3.8011.33 3420.14 94 (9) S.A.F.I.MET. q2 E2 729.094812.38 11 247 0.55 18 2980.10 92 (8) SILO z3 E3 722.674822.83 12 260 0.63 17.5 3500.21 92 (8) SILO z9 E9 722.674822.83 12 260 0.35 16.9 2980.22 85 (4) SOLAVA y4

11

E11,E12,E13,E14, E15,E16,E20ter, E21,E22,E23,E24

700.774833.34 9 130 0.90 6.4 3130.18 85 (4)

SOLAVA y5 5 E17,E18,E19,

E20,E20bis 700.774833.34 10 130 0.76 9.1 3130.18 85 (4) SOLAVA y6 E26 700.774833.34 12 130 1.07 4.75 3630.11 85 (4) SOLAVA y8 E28 700.774833.34 13.3 130 1.35 3.1 3630.10 85 (4) SOLAVA y10

3 E31,E32,E33 700.774833.34 7 130 0.78 11 3030.24 85 (4) SOLAVA y11

5

E35,E36,E37,

E38,E39 700.774833.34 8 130 0.78 11 3030.24 85 (4) TCA k1 E1bis (edificio C) 729.014822.64 11 213 0.80 7 3330.13 92 (8) TCA k4 E7 (edificio A-B) 729.014822.64 12 213 1.00 14.2 2980.33 92 (8) Terreal Italia Area

Produzione"

Laterizi faccia a vista-Mattoni"

j1 E1 737.594802.13 14 255 1.10 11.6 2970.40 85 (4)

Tab. 6.1.1 - Sorgenti di emissione puntuali utilizzate nella simulazione

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

Insieme alle “sorgenti di emissione “ l’altro cardine fondamentale su cui sono basati i modelli meteo-diffusionali è rappresentato dalla meteorologia.

I dati utilizzati sono quelli forniti dall’Aeronautica Militare (Vedi Appendice 2), già analizzati nel paragrafo 4.2.3. Per la giustificazione dell’utilizzo di questo tipo di dati, anziché quelli forniti dall’ARSIA per la stazione Pratomagno, si rimanda al paragrafo 4.2.4.

Il processore CALMET richiede in input due file (SURF.DAT e UP.DAT) in cui sono contenute tutte le informazioni e le variabili metereologiche, a livello superficiale e in quota. Non essendo presenti stazioni di rilevamento in quota, i dati sono stati generati partendo da quelli superficiali attraverso il programma READ 62, facente parte del pacchetto CALMET-CALPUFF (reperibile nel sito internet www.src.com/verio/download/p2.htm ) che, attraverso un semplice file di input, fornisce i dati di output richiesti e utilizzabili da CALMET.

La figura seguente riporta un esempio di file SURF.DAT e UP.DAT.

b)Esempio di file UP.DAT

Fig. 6.1.3 - Esempio di files di input di CALMET Le grandezze richieste per i dati superficiali sono:

Modulo della velocità del vento (m/s);

Direzione del vento (gradi sessagesimali);

Temperatura (°K);

Copertura del cielo (Decimi);

Altezza base delle nubi (m);

Pressione (hPa);

Umidità relativa (%);

Rateo di precipitazioni (mm)

Per i dati in quota le grandezze richieste sono:

Velocità del vento (m/s);

Direzione del vento (gradi sessagesimali);

Temperatura (°K);

Pressione (hPa);

Quota (m).

In entrambi i casi le misure sono rappresentate in forma di medie orarie.

Per utilizzare i dati meteorologici della stazione di Arezzo Aeroporto è

stato necessario adattare i tipi di misure fornite dall’Aeronautica Militare a

quanto richiesto dal codice di calcolo.

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

oraria, dalle 4 di mattina alle 18 di sera). Infatti alcune grandezze (velocità e direzione del vento, temperatura e pressione) compaiono in entrambi i bollettini, altri solo nei Metar, altri solo nei sinottici (copertura del cielo, altezza base delle nubi, umidità relativa) creando una sovrapposizione di misure nelle ore in cui si hanno entrambi i tipi di rilevamento (Vedi tabella 6.1.2).

data_validità v_dir (deg)

v_mod (nodi)

v mod (m/sec)

t_aria (°C)

mslp (hPa)

Prec (mm)

nuv_tot (ottavi)*

h_base_nubi

**

Rh (%)

01/01/2001 0.00 0 0 0 0.8 1016.1 0 0 9 70

01/01/2001 3.00 0 0 0 -1 1017.1 0 9 86

01/01/2001 4.00 0 0 0 -1 1015 01/01/2001 5.00 0 0 0 -3 1015

01/01/2001 6.00 0 0 0 -2.4 1017.3 0 0 9 95

01/01/2001 6.00 0 0 0 -2 1015 01/01/2001 7.00 0 0 0 -3 1015 01/01/2001 8.00 0 0 0 -3 1015

01/01/2001 9.00 0 0 0 1.4 1018.8 0 9 89

01/01/2001 9.00 0 0 0 1 1017

01/01/2001 10.00 0 0 0 3 1017

01/01/2001 11.00 0 0 0 5 1017

01/01/2001 12.00 0 0 0 7 1017.8 0 0 9 37

01/01/2001 12.00 0 0 0 7 1017

*Nuvolosità totale espressa in ottavi di cielo coperto.

Es.: 1=1/8 - ……- 8=8/8; 9 = cielo invisibile;/ = osservazione non effettuata.

** Codice altezza delle nubi Cifra

del codice

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 /

metri da 0 a 50

da 50 a 100

da 100 a 200

da 200 a 300

da 300 a 600

da 600 a 1000

da 1000 a

1500 da 1500 a

2000 da 2000 a

2500

maggiore di 2500 o nessuna

nube

altezza della base

delle nubi sconosciuta

Tab. 6.1.2 – Esempio di sovrapposizione di dati i metereologici del tipo Metar e sinottici

Attraverso l’utilizzo di fogli di calcolo appositamente predisposti i dati

sono stati pertanto ordinati in forma oraria (dalle 3 del mattino alle 18 di sera) o

trioraria, come mostrato nella tabella seguente.

Data Ora

Vel.

modulo (m/sec)

Direz.

(deg) Temp.

(°C)

Press.

mslp (hPa)

Precipitaz.

(mm)

Nuvolosità tot. (in ottavi)

Altezza base delle nubi

Umidità relativa rh (%)

v mod (nodi)

01/01/01 0.00 0 0 0.8 1016.1 0 0 1 70 0

01/01/01 1.00 01/01/01 2.00

01/01/01 3.00 0 0 -1 1017.1 0 1 86 0

01/01/01 4.00 0 0 -1 1015 0

01/01/01 5.00 0 0 -3 1015 0

01/01/01 6.00 0 0 -2.2 1016.15 0 0 1 95 0

01/01/01 7.00 0 0 -3 1015 0

01/01/01 8.00 0 0 -3 1015 0

01/01/01 9.00 0 0 1.2 1017.9 0 1 89 0

01/01/0110.00 0 0 3 1017 0

01/01/0111.00 0 0 5 1017 0

01/01/0112.00 0 0 7 1017.4 0 0 1 37 0

01/01/0113.00 0 0 8 1016 0

01/01/0114.00 0 0 8 1016 0

01/01/0115.00 0 0 7.9 1016.5 2 1 37 0

*Nuvolosità totale espressa in ottavi di cielo coperto.

Es.: 1=1/8 - ……- 8=8/8; 9 = cielo invisibile;/ = osservazione non effettuata.

** Codice altezza delle nubi Cifra

del codice

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 /

metri da 0 a 50

da 50 a 100

da 100 a 200

da 200 a 300

da 300 a 600

da 600 a 1000

da 1000 a

1500 da 1500 a

2000 da 2000 a

2500

maggiore di 2500 o nessuna

nube

altezza della base

delle nubi sconosciuta

Tab 6.1.3 - Esempio di dati meteorologici in input al codice CALPUFF In seguito sono state eliminate le celle nelle quali i valori erano privi di significato (ad esempio il 28 Agosto 2001 alle ore 12 la temperatura risultava pari a 310°C) e selezionate le celle vuote negli orari in cui le misure generalmente sono rilevate (ciò per evitare “riempimenti accidentali”). Poiché la disponibilità delle misure (Vedi tabella 6.1.4) non supera il 75% per alcune grandezze (velocità e direzione del vento, temperatura e pressione), il 33% per altre (copertura nuvolosa, altezza base delle nubi e umidità) o addirittura il 17% per le precipitazioni, per l’utilizzo di questi dati come input al codice CALMET si è reso necessario il “riempimento” delle ore prive di misure. A questo proposito è stato elaborato un semplice sistema che assegna ad valore non rilevato quello dell’ora precedente o successiva o, nel caso in cui anche queste risultino vuote, delle ore disponibili più vicine.

Questo è stato ritenuto, tra i tanti possibili, un metodo valido in quanto si

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

v_dir (%)

v mod (%)

t_aria (%)

mslp (%)

precip.

(%)

nuv_tot (%)

h_base_nub (%)

rh (%) gen 75.0 75.0 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3

feb 71.1 71.1 71.1 71.1 16.7 33.0 33.0 33.0 mar 74.5 74.7 74.7 74.7 16.7 33.3 33.3 33.3 apr 74.9 75.0 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3 mag 74.5 74.9 74.9 74.9 16.7 33.3 33.3 33.3 giu 74.4 74.9 74.9 74.9 16.7 33.3 33.3 33.3 lug 74.9 75.0 75.0 75.0 16.7 33.2 33.2 33.2 ago 74.7 74.9 74.9 74.9 16.7 33.3 33.3 33.3 set 74.9 74.9 74.9 74.9 16.7 33.3 33.3 33.3 ott 75.0 75.0 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3 nov 75.0 75.0 75.0 75.0 16.5 33.2 33.2 33.2 dic 75.0 74.9 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3 2001 74.5 74.6 74.6 74.6 16.7 33.3 33.3 33.3

v_dir (%)

v mod (%)

t_aria (%)

mslp (%)

precip.

(%)

nuv_tot (%)

h_base_nub (%)

rh (%) gen 75.0 75.0 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3

feb 75.0 75.0 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3 mar 75.0 74.9 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3 apr 74.9 74.9 74.9 74.9 16.7 33.3 33.3 33.3 mag 75.0 74.7 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3 giu 75.0 74.3 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3 lug 75.0 74.9 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3 ago 75.0 74.7 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3 set 75.0 75.0 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3 ott 75.0 75.0 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3 nov 75.0 75.0 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3 dic 75.0 75.0 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3 2002 75.0 74.9 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3

v_dir (%)

v mod (%)

t_aria (%)

mslp (%)

precip.

(%)

nuv_tot (%)

h_base_nub (%)

rh

(%)

gen 75.0 74.9 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3

feb 75.0 74.6 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3

mar 75.0 75.0 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3

apr 75.0 75.0 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3

mag 75.0 75.0 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3

giu 75.0 74.7 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3

lug 75.0 75.0 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3

ago 75.0 74.7 75.0 75.0 16.7 33.3 33.3 33.3

L’ultima categoria di grandezze richieste dai codici di calcolo è costituita dalle informazioni geofisiche quali: l’utilizzo del territorio, la quota altimetrica, la rugosità superficiale, l’albedo, il rapporto di Bowen, l’indice di vegetazione e copertura fogliare, parametri di flusso di riscaldamento del suolo e di flusso di calore antropogenico. Tutte queste informazioni possono avere influenza sul grado di turbolenza (meccanica e termica) nell’area intorno alla sorgente emissiva, determinando variazioni nella forma della gaussiana e della velocità del vento con la quota. Il file di input al codice CALMET che include le informazioni geofisiche è il file GEO.DAT, un cui estratto è rappresentato nella figura seguente.

Fig. 6.1.4 - Estratto file GEO.DAT

I dati di utilizzo del territorio e di orografia inseriti nel file sono stati reperiti

nell’archivio informatico del Sistema Informativo Territoriale della Regione

Toscana; essi sono forniti, per tutto il dominio di calcolo, attraverso un sistema

grigliato, costituito da 83 celle verticali e 87 celle orizzontali, aventi passo di

1Km. Il dominio di calcolo, caratterizzato attraverso le coordinate UTM, ha il

riferimento nel punto più basso, S-E, identificato con la nomenclatura matriciale

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

(1,1) e da qui procede dal basso verso l’alto e da sinistra a destra, fino a giungere al punto più alto, N-O.

La figura seguente riporta le quote altimetriche della Provincia sottoforma di curve di livello; la variazione della gradazione cromatica permette la percezione immediata della situazione orografica della zona.

La visualizzazione grafica è stata fatta attraverso il programma SURFER per Windows.

Fig. 6.1.5 - Orografia della Provincia di Arezzo

La figura 6.1.6 rappresenta le categorie di utilizzo del territorio compatibili

con il codice CALMET; in corrispondenza di ognuna di esse sono anche

riportati i valori di alcuni parametri superficiali.

Fig .6.1.6 - Categorie di utilizzo del territorio

Nella figura seguente l’utilizzo del territorio viene rappresentato in funzione delle tre categorie utilizzate nel file GEO.DAT , descritte nella precedente tabella.

Urbano

Agricolo

Bosco

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

6.2 Applicazione del codice CALMET

Il codice CALMET viene “pilotato” per mezzo di un file di input (di estensione “.inp”) definito dall’utente, attraverso cui è possibile la selezione delle opzioni proposte dal codice, come la definizione di parametri, unità di misura, modalità di calcolo, etc. Il file di input consta di 10 (da 0 a 9) gruppi di dati, suddivisi a loro volta in sottogruppi. Nel primo gruppo (figura 6.2.1) si definiscono i nomi dei files di output, quello in formato testo di estensione “.lst” e il file binario, di estensione “.dat”, in cui sono contenute le informazioni meteorologiche utilizzate dal post-processore PRTMET o da CALPUFF.

Fig. 6.2.1 - File di input di CALMET cmet_A01.inp :gruppo 0

Sempre nel primo gruppo avviene la definizione del file di input relativo

attraverso l’indicazione del numero di celle (87x83), del passo (1 Km) e delle coordinate del punto (1,1) corrispondente al vertice sud-est della maglia (688.259 Km, 4781.263 Km UTM). In questo gruppo viene inoltre definita la dimensione verticale della griglia, cioè il numero e l’altezza dei livelli verticali (nella fattispecie 12) per i quali il codice dovrà calcolare i campi tridimensionali di velocità del vento e di temperatura. La figura 6.2.3 riporta un estratto di un file di input relativo alla compilazione del gruppo 2.

Fig. 6.2.2 - File di input di CALMET cmet_A01.inp: gruppo 1

Fig. 6.2.3 - File di input di CALMET cmet_A01.inp: gruppo 2

Il gruppo 3 è riservato alle opzioni di output, mentre il 4 (figura 6.2.4) a

quelle “meteorologiche” (ad es. utilizzare dati misurati o generati da

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

precipitazioni, il formato dei dati meteorologici di input, etc). Il gruppo 5 riguarda opzioni e parametri relativi al campo di vento, il gruppo 6 i parametri di piovosità, dell’altezza di miscelamento e della temperatura. Le stazioni di misura dei parametri meteorologici sono definite nel gruppo 7 attraverso le proprie coordinate (figura 6.2.5) e analogamente, nel gruppo 8 e 9 per le stazioni, rispettivamente, in quota e di misura delle precipitazioni.

Fig. 6.2.4 - File di input di CALMET cmet_A01.inp :gruppo 4

La simulazione è stata condotta su un intervallo temporale della durata di tre anni.

Per evitare errori di overflow (non esistono limiti temporali, ma le dimensioni del file di output non deve superare un numero fissato di Gbyte) sono stati utilizzati 7 file di input per ogni anno (6 di 54 giorni, cmet_a01.inp÷cmet_f01.inp, e 1 di 41 giorni, cmet_g01.inp).

La simulazione, inoltre, è stata fatta per tutti i punti griglia, ma l’esame dei risultati per il loro confronto con i dati rilevati sperimentalmente è stato concentrato in particolare nel punto (43,35) della suddetta griglia, in corrispondenza della stazione di Arezzo Aeroporto. La figura seguente riporta la griglia di calcolo in cui sono evidenziati la stazione meteorologica (triangolino rosso) e il vertice (43,35) della griglia (quadratino rosso). La loro distanza è di 703 m.

Fig. 6.2.6 - Rappresentazione della griglia di calcolo

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

6.2.1 I risultati di CALMET

Il codice CALMET genera un file meteorologico binario che include campi orari tridimensionali, di vento e di temperatura, sulla griglia in ognuno dei livelli considerati (12) e campi meteorologici orari sulla superficie relativi a grandezze descrittive della turbolenza.

Per l’analisi dei risultati delle simulazioni viene utilizzato il post- processore (PRTMET), che permette di estrarre, dai risultati di CALMET, campi bidimensionali, sezioni e profili verticali per le sequenze orarie desiderate, trasformandoli in formato adatto per le analisi quantitative (file in formato testo) e consentendone una visualizzazione grafica tramite il programma SURFER ^TM per Windows.

Nel file di input al programma (costituito da 5 gruppi, con relativi

sottogruppi) si selezionano le variabili che si desidera visualizzare, la durata

dell’intervallo temporale (anno, mese, giorno, ora di inizio e fine) e la/e cella/e

della griglia a cui riferirsi (Vedi figura 6.2.7).

Le grandezze possono essere rappresentate per tutti i livelli considerati nel codice CALMET o solo per alcuni; per ciascun livello selezionato è possibile scegliere tra varie opzioni di rappresentazione.

Tra i principali parametri calcolati si evidenziano:

il campo di vento

la temperatura

la classe di stabilità, PGT

l’altezza di rimescolamento, MIXHT

La tabella seguente rappresenta un estratto delle grandezze sopramenzionate per il primo livello (a circa 10 m di quota); i valori sono in forma di medie orarie. La tabella 6.2.2 riporta le stesse grandezze in forma di medie mensili.

I valori si riferiscono alla cella della griglia (43,35) corrispondente al punto (730.172058 Km, 4815.89111 Km) in coordinate UTM, nei pressi della stazione di Arezzo Aeroporto (figura 6.2.6).

YEAR MONTH DAY HOUR LEVEL WIND (m/s)

WIND (Deg)

W-VEL (m/s)

TEMP

(K) PGT MIXHT (m)

2001 1 1 1 1 0 0 0 273.8 6 100

2001 1 1 2 1 0 0 0 272 6 100

2001 1 1 3 1 0 0 0 272 6 100

2001 1 1 4 1 0 0 0 272 6 100

2001 1 1 5 1 0 0 0 270 6 100

2001 1 1 6 1 0 0 0 270.8 6 100

2001 1 1 7 1 0 0 0 270 6 100

2001 1 1 8 1 0 0 0 270 6 100

2001 1 1 9 1 0 0 0 274.2 3 100

2001 1 1 10 1 0 0 0 276 3 582.1

2001 1 1 11 1 0 0 0 278 2 968.8

2001 1 1 12 1 0 0 0 280 2 1269.3

2001 1 1 13 1 0 0 0 281 2 1492.3

2001 1 1 14 1 0 0 0 281 2 1648.3

2001 1 1 15 1 0 0 0 280.9 2 1699.8

2001 1 1 16 1 0 0 0 278 3 1617.4

2001 1 1 17 1 0 0 0 277 3 100

2001 1 1 18 1 0 0 0 276.9 6 100

2001 1 1 19 1 0 0 0 276.9 6 100

2001 1 1 20 1 0 0 0 275.6 6 100

Tab. 6.2.1 – Esempio di simulazioni di CALMET per la cella (43,35) della griglia

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

Anno 2001 Velocità del vento (m/s)

Direzione del vento (Deg)

Temperatura media (K)

altezza di miscelamento

MIXHT (m)

Gen 1.48 62.66 280.05 507.73

Feb 1.06 51.14 279.05 653.44

Mar 1.60 126.63 284.98 841.89

Apr 1.09 70.15 284.02 1004.71

Mag 0.93 56.85 291.09 1134.23

Giu 1.12 82.52 293.56 1217.11

Lug 1.12 79.52 296.14 1196.30

Ago 0.97 59.45 297.35 1141.47

Set 0.75 54.73 288.67 937.06

Ott 0.19 17.41 288.13 759.31

Nov 1.15 44.94 281.21 569.94

Dic 1.62 51.29 275.67 558.89

Totale 1.09 63.29 286.77 879.80

Anno 2002 Velocità del vento (m/s)

Direzione del vento

(Deg)

Temperatura media (K)

altezza di miscelamento

MIXHT (m)

Gen 0.35 16.40 274.74 440.48

Feb 0.89 63.78 280.23 602.33

Mar 1.02 51.87 282.82 832.71

Apr 0.97 60.94 284.43 939.13

Mag 0.83 62.94 289.63 1126.09

Giu 0.93 64.26 295.33 1199.71

Lug 0.86 63.44 295.50 1177.05

Ago 0.63 50.35 294.21 1108.40

Set 0.61 33.04 289.69 946.86

Ott 0.55 52.31 286.69 730.74

Nov 1.16 78.40 284.85 538.40

Dic 1.11 40.85 280.53 417.75

Totale 0.83 53.10 286.60 840.66

Anno 2003 Velocità del vento (m/s)

Direzione del vento (Deg)

Temperatura media (K)

altezza di miscelamento

MIXHT (m)

Gen 1.61 65.01 277.25 623.62

Feb 1.51 54.85 274.95 778.88

Mar 1.22 61.05 281.53 924.25

Apr 1.59 76.11 284.25 1089.57

Mag 1.02 60.27 291.68 1193.97

Giu 1.03 73.11 297.60 1234.56

Lug 1.62 95.22 299.02 1214.87

Di seguito si riportano le rappresentazioni dei singoli parametri meteorologici così come calcolate dal codice di calcolo per il punto della griglia (43,35).

L’analisi è preceduta da una rapida descrizione delle grandezze in esame.

Campo di vento

Il campo di vento rappresenta uno dei parametri principali da cui dipendono i fenomeni di dispersione. Questo elemento, variabile nello spazio e nel tempo, dipende da molteplici fattori: la turbolenza, la rugosità superficiale, l’orografia, la presenza di discontinuità orografiche (interfaccia terra-mare, montagna-pianura).

Viene definito attraverso le funzioni U(x,y,z,t), V(x,y,z,t) e W(x,y,z,t) che descrivono l’andamento nello spazio e nel tempo del vettore della velocità media del vento. Il codice fornisce due opzioni di rappresentazione sul piano orizzontale:

1) sottoforma di un vettore di cui sono date le due componenti lungo i due assi della griglia (U e V);

2) sottoforma di modulo e direzione, rappresentazione selezionata anche per la presente simulazione.

La figura 6.2.8 riporta la rosa dei venti e la distribuzione della velocità per il triennio 2001-2003 mentre le figure 6.2.9 e 6.2.10 descrivono la distribuzione, in forma percentuale, della direzione del vento, trimestrale e annuale. La tabella 6.2.3 infine riporta la distribuzione della velocità e della direzione del vento rispettivamente in 7 classi di velocità e 16 settori. Dall’osservazione delle figure emerge che i venti prevalenti sono quelli provenienti dalle direzioni E ed O, con contributi apprezzabili anche di quelli provenienti dal settore 101,25°-123,75° (SE).

Le classi di velocità a maggior percentuale di presentazione, escluse le calme di vento, sono quelle comprese tra 2 e 4 m/s. Esaminando i tre anni singolarmente si nota una spiccata somiglianza delle rose dei venti degli anni 2001 e 2002, mentre il 2003 è caratterizzato da venti prevalenti provenienti anche dai settori NE (settori 33,75°-56,25° e 56,25°-78,75°). L’assunzione che il 2003 si presenta come un anno anomalo rispetto al passato è confermato dall’esame della distribuzione del modulo della velocità del vento, che evidenzia un netto aumento di venti forti (Vedi tabella 6.2.3 e figura 6.2.8).

Questa conclusione è confermata dai dati sperimentali (paragrafo 4.2.2) i

quali mostrano una tendenza verso venti di velocità elevata.

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

Anno 2001

Anno 2002

Anno 2003

Tab. 6.2.3 - Distribuzione percentuale di direzione e velocità del vento

Anno 2001

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

Fig. 6.2.8 - Rosa dei venti e distribuzione statistica della velocità del vento: cella (43,35) Anno 2002

Anno 2003

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

Fig. 6.2.9 - Distribuzione di direzione del vento per i quattro trimestri dell’anno

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

Fig. 6.2.10 - Distribuzione annuale di direzione del vento

Temperatura

Rappresenta l’altro parametro principale nel processo di dispersione degli inquinanti. Il profilo verticale di temperatura, infatti, rappresenta un indice della capacità dispersiva dell’atmosfera, in particolar modo lungo la componente verticale. Il profilo verticale di temperatura può essere misurato (attraverso radiosondaggi, RASS etc.).

Le figure seguenti riportano le temperature medie, massime e minime, mensili e annuali.

Fig. 6.2.11 - Temperature medie,massime e minime mensili per il punto (43,35)

della griglia

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

Fig. 6.2.12 - Temperature medie annuali per il punto (43,35) della griglia

Classe di stabilità

La classe di stabilità fornisce indicazioni qualitative sulla turbolenza atmosferica. Esistono diversi sistemi di classificazione (le misure di irraggiamento solare e terrestre, la misura del gradiente termico verticale, la misura dello sbandieramento (variazione di direzione) del vento sul piano orizzontale e/o verticale, il numero di Richardson, parametrizzazioni empiriche basate sulla rugosità superficiale e la lunghezza di Monin Obukhov, etc). La classificazione più comunemente usata è quella di Pasquill-Gifford (Vedi figura 6.2.13), la quale considera sei possibili condizioni, dalla fortemente instabile (A) alla fortemente stabile (F), sulla base dell’intensità del vento e della radiazione solare (di giorno) e della copertura nuvolosa (di notte). In particolare un’atmosfera stabile è caratterizzata da un profilo termico che limita eventuali moti verticali delle particelle, favorendo l’accumulo di inquinanti emessi al suolo.

Il profilo allungato del pennacchio (Vedi figura 6.2.14) permette l’esistenza di

elevate concentrazioni anche a grandi distanze dal punto di rilascio. Al contrario

in atmosfera instabile si assiste a un’amplificazione dei moti verticali delle

Nel file di output di CALMET la classe di stabilità è espressa attraverso numeri interi compresi tra 1 e 6 corrispondenti alle classi di stabilità di Pasquill- Gifford, rispettivamente dalla classe A alla classe F.

Fig. 6.2.13 – Determinazione delle classi di stabilità

(tratto da Pasquill F.: "Atmospheric Diffusion", Van Nostrand Ed., New

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

Fig.6.2.14 - Dispersione degli inquinanti in funzione della stabilità atmosferica (Tratto da G. Finzi, Introduzione alla modellistica per la dispersione degli

inquinanti in atmosfera, 2004) Classe di stabilità A

Classe di stabilità D

Classe di stabilità F

aumento degli stati moderatamente instabili (classe B) che crescono dal 10- 11% rispettivamente degli anni 2001 e 2002, al 18% del 2003. Osservando i grafici e le tabelle seguenti, si osserva una predominanza delle condizioni di moderata e soprattutto forte instabilità (rispettivamente classi B e A) nei mesi estivi. Le elevate temperature, infatti, favoriscono il movimento verso l’alto delle masse d’aria, creando condizioni di elevata turbolenza. La classe debolmente instabile (classe C) si presenta con percentuali di frequenza comparabili, in tutti i mesi dell’anno, al contrario delle condizioni di neutralità (D) e di moderata stabilità (E) che dominano nei mesi di Dicembre e Gennaio. Situazioni di forte stabilità (classe F), infine, si presentano, similmente alla classe C, in tutti i mesi dell’anno.

2001 2002 2003

A B C D E F A B C D E F A B C D E F 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 Gen 0.0 2.4 10.2 51.45.7 30.3 0.0 9.4 17.6 24.20.7 48.0 0.0 12.5 15.7 14.76.2 50.9

Feb 0.3 6.1 18.0 33.33.6 38.7 0.0 7.0 16.5 38.43.0 35.1 1.5 9.8 20.5 14.04.2 50.0 Mar 0.4 3.0 13.7 50.43.9 28.6 2.2 8.6 19.0 23.50.5 46.2 5.9 17.3 18.8 6.6 2.6 48.8 Apr 3.8 11.4 19.4 29.91.9 33.6 3.3 7.8 18.3 35.81.3 33.5 5.0 22.4 19.4 11.11.4 40.7 Mag 8.2 14.5 19.9 23.00.8 33.6 7.4 11.3 22.8 24.71.3 32.413.326.2 16.9 3.2 0.0 40.3 Giu 10.416.5 23.1 12.60.7 36.713.316.3 19.4 16.41.3 33.318.521.4 18.1 4.6 0.3 37.2 Lug 9.5 18.8 23.4 11.81.2 35.2 9.1 17.3 24.9 12.10.7 35.911.321.6 19.9 9.7 0.7 36.8 Ago 7.3 22.6 21.2 6.5 0.0 42.5 7.8 14.8 22.6 15.20.0 39.7 6.0 24.6 19.5 7.4 0.8 41.7 Set 4.0 12.6 17.9 20.61.5 43.3 4.6 11.1 22.4 18.80.1 43.1 6.0 22.2 18.5 4.6 2.1 46.7 Ott 3.5 13.4 22.8 9.5 1.1 49.6 1.1 7.8 21.9 25.91.2 42.1 2.3 15.7 15.9 14.44.3 47.4 Nov 0.0 5.2 17.0 30.25.5 42.2 0.0 2.2 14.3 52.43.5 27.6 0.0 13.9 19.2 11.02.2 53.8 Dic 0.0 4.9 14.8 36.94.2 39.3 0.0 1.5 8.5 58.84.2 27.0 0.0 13.0 14.7 14.74.4 53.1 Gen-

Feb- Mar

0.2 3.8 13.8 45.44.4 32.3 0.7 8.4 17.7 28.41.3 43.4 2.5 13.3 18.3 11.74.3 49.9 Apr-

Mag- Giu

7.5 14.1 20.8 21.81.1 34.6 8.0 11.8 20.2 25.61.3 33.112.323.4 18.1 6.3 0.5 39.4 Lug-

Ago- Set

7.0 18.1 20.9 12.90.9 40.3 7.2 14.4 23.3 15.30.3 39.5 7.8 22.8 19.3 7.2 1.2 41.7 Ott-

Nov- Dic

1.2 7.9 18.3 25.33.5 43.8 0.4 3.9 15.0 45.52.9 32.4 0.8 14.2 16.6 13.43.7 51.4

Tot 4.0 11.0 18.5 26.32.5 37.8 4.1 9.6 19.1 28.71.5 37.1 5.8 18.5 18.1 9.6 2.4 45.6

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

a)rappresentazione per mese

b) rappresentazione per classe di stabilità

Fig. 6.2.15 - Categorie atmosferiche:distribuzione percentuale mensile

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

Fig. 6.2.16 - Frazione percentuale annuale delle classi di stabilità

La variazione diurna della stabilità si ritrova nel grafico 6.2.17 e nella tabella 6.2.5 che descrivono un generico giorno tipo per ognuno dei tre anni considerati.

2001 2002 2003

A B C D E F A B C D E F A B C D E F

Ora 1 2 3 4 5 6 Ora 1 2 3 4 5 6 Ora 1 2 3 4 5 6 0-2 0.0 0.0 0.0 16.5 4.179.3 0-2 0.0 0.0 0.0 20.21.8 77.9 0-2 0.0 0.0 0.0 3.0 3.593.5 3-5 0.0 0.0 0.0 18.0 4.877.2 3-5 0.0 0.0 0.0 23.62.2 74.2 3-5 0.0 0.0 0.0 2.4 3.694.0 6-8 0.0 14.7 31.9 24.3 2.926.2 6-8 0.0 12.3 32.3 27.01.9 26.5 6-8 0.0 20.9 33.0 7.1 2.736.4 9-11 13.325.2 26.9 34.6 0.0 0.0 9-11 15.117.1 31.4 36.40.0 0.0 9-11 18.742.9 25.9 12.50.0 0.0 12-14 15.923.3 24.6 36.2 0.0 0.0 12-14 14.124.5 25.0 36.40.0 0.0 12-14 23.245.9 20.2 10.70.0 0.0 15-17 2.8 21.4 39.0 36.8 0.0 0.0 15-17 3.6 19.7 38.0 38.70.0 0.0 15-17 4.9 33.6 42.1 19.30.0 0.0 18-20 0.0 3.6 25.3 28.5 3.639.0 18-20 0.0 3.6 25.8 28.82.5 39.3 18-20 0.0 4.4 23.4 19.44.848.1 21-23 0.0 0.0 0.0 15.2 4.480.321-23 0.0 0.0 0.0 18.13.2 78.721-23 0.0 0.0 0.0 2.7 4.992.5 Tot 4.0 11.0 18.5 26.3 2.537.8 Tot 4.1 9.6 19.1 28.71.5 37.1 Tot 5.8 18.5 18.1 9.6 2.445.6

Tab. 6.2.5 - Distribuzione percentuale diurna della classe di stabilità: giorno tipo

Fig.6.2.17 - Classe di stabilità :giorno tipo

Altezza di rimescolamento

L’altezza di rimescolamento o mixing height (MIXHT) rappresenta lo spessore dello strato di rimescolamento, cioè la parte d’atmosfera, a contatto con la superficie terrestre, dove avvengono e sono confinati i principali processi di dispersione degli inquinanti, senza possibilità di interazione con gli strati atmosferici superiori. Generalmente viene assunta uguale all'altezza della base del primo strato stabile esistente in quota entro lo Strato Limite del Pianeta (PBL).

Più precisamente può essere definita come l’altezza dello strato adiacente al

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

dispersa verticalmente per turbolenza (meccanica o convettiva) in un tempo pari a circa un’ora. Di giorno, in presenza della radiazione solare, per effetto della turbolenza (soprattutto convettiva), l’altezza di rimescolamento tende ad aumentare. Dopo il tramonto, in condizioni di stabilità, il MIXHT tende a diminuire.

Il MIXHT dipende da vari fattori (copertura del cielo, velocità del vento, rugosità del terreno, stagione, etc). Valori tipici sono compresi fra qualche centinaio di metri (in inverno, su terreni piatti, con rugosità molto bassa) fino a circa 2000 m in estate (per superfici pianeggianti, ma estremamente rugose).

Le tabelle e i grafici seguenti rappresentano i valori dell’altezza di rimescolamento calcolata dal codice CALMET. Il punto della griglia a cui ci si riferisce è ubicato all’interno della città, che è pertanto caratteristico della categoria “urbana”.

2 0 0 1 M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x ( m ) M IX H T m in (m ) 2 0 0 2 M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x ( m ) M IX H T m in ( m ) 2 0 0 3 M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x ( m ) M IX H T m in ( m )

gen 508 2256 100 gen 440 2008 100 gen 624 2180 100

feb 653 2400 100 feb 602 2400 100 feb 779 2400 100

mar 842 2400 100 mar 833 2400 100 mar 924 2400 100

apr 1005 2400 100 apr 939 2400 100 apr 1090 2400 100

mag 1134 2400 100 mag 1126 2400 100 mag 1194 2400 100

giu 1217 2400 100 giu 1200 2400 100 giu 1235 2400 100

lug 1196 2400 100 lug 1177 2400 100 lug 1215 2400 100

ago 1141 2400 100 ago 1108 2400 100 ago 1151 2400 100

set 937 2400 100 set 947 2400 100 set 1001 2400 100

ott 759 2400 100 ott 731 2400 100 ott 884 2400 100

nov 570 2289 100 nov 538 2254 100 nov 647 2367 100

dic 559 2024 100 dic 418 2020 100 dic 591 2399 100

2 0 0 1 M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x ( m ) M IX H T m in ( m ) 2 0 0 2 M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x ( m ) M IX H T m in ( m ) 2 0 0 3 M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x ( m ) M IX H T m in ( m )

gen- feb- mar

668 2400 100 gen-

feb- mar

626 2400 100 gen-

feb- mar

776 2400 100 apr-

mag- giu

1119 2400 100 apr- mag-

giu

1089 2400 100 apr- mag-

giu

1173 2400 100 lug-

ago- set

1093 2400 100 lug- ago-

set

1079 2400 100 lug- ago- set

1124 2400 100 ott-

nov- dic

631 2400 100 ott- nov-

dic

564 2400 100 ott- nov-

dic

709 2400 100 Anno 880 2400 100 Anno 841 2400 100 Anno 946 2400 100

Tab. 6.2.6 - Altezza di rimescolamento media, massima e minima 2001 Gen-Feb-Mar Apr-Mag-Giu Lug-Ago-Set Ott-Nov-Dic

Ora

M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x (m ) M IX H T m in ( m ) M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x (m ) M IX H T m in ( m ) M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x( m ) M IX H T m in ( m ) M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x (m ) M IX H T m in ( m )

0-2 205 1875 100 106 459 100 103 443 100 187 1731 100

3-5 189 1722 100 115 937 100 103 443 100 191 1864 100

6-8 248 1855 100 688 1877 100 579 1468 100 218 1815 100

9-11 906 2222 100 1929 2400 657 1917 2400 550 968 2007 100

12-14 1587 2400 555 2311 2400 1257 2342 2400 1121 1674 2400 100

15-17 1664 2400 100 2348 2400 1598 2376 2400 1858 1453 2400 100

18-20 338 2309 100 1343 2400 100 1218 2400 100 178 1796 100

21-23 208 1859 100 111 589 100 109 510 100 184 1796 100

Totale 668 2400 100 1119 2400 100 1093 2400 100 631 2400 100

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

2002 Gen-Feb-Mar Apr-Mag-Giu Lug-Ago-Set Ott-Nov-Dic

Ora

M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x (m ) M IX H T m in ( m ) M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x (m ) M IX H T m in ( m ) M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x (m ) M IX H T m in ( m ) M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x (m ) M IX H T m in ( m )

0-2 116 720 100 103 360 100 100 131 100 140 1430 100 3-5 123 1046 100 109 759 100 100 173 100 167 1514 100 6-8 174 1036 100 654 1481 100 551 1470 100 221 1544 100 9-11 879 2096 100 1855 2400 611 1850 2400 561 871 2001 100 12-14 1660 2400 100 2240 2400 1196 2345 2400 1199 1519 2400 544 15-17 1678 2400 100 2319 2400 1515 2368 2400 1506 1303 2400 100 18-20 258 2315 100 1315 2400 100 1213 2400 100 152 930 100 21-23 118 656 100 114 724 100 104 303 100 141 1070 100 Totale 626 2400 100 1089 2400 100 1079 2400 100 564 2400 100

2003 Gen-Feb-Mar Apr-Mag-Giu Lug-Ago-Set Ott-Nov-Dic

Ora

M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x (m ) M IX H T m in ( m ) M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x (m ) M IX H T m in ( m ) M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x (m ) M IX H T m in ( m ) M IX H T m e d io ( m ) M IX H T m a x (m ) M IX H T m in ( m )

0-2 192 1726 100 122 1648 100 112 741 100 179 1525 100 3-5 174 1824 100 123 1424 100 106 742 100 181 1620 100 6-8 260 1926 100 732 1997 100 613 2080 100 234 1954 100 9-11 1133 2180 100 2110 2400 1292 2032 2400 1212 1100 2399 100 12-14 1990 2400 1306 2399 2400 2395 2399 2400 2376 1928 2400 1280 15-17 1971 2400 100 2399 2400 2395 2398 2400 2348 1624 2400 100 18-20 303 2287 100 1365 2400 100 1215 2400 100 243 2367 100 21-23 178 1726 100 135 1648 100 114 465 100 187 1456 100 Totale 776 2400 100 1173 2400 100 1124 2400 100 709 2400 100

a) Variazione trimestrale dell’altezza di rimescolamento

Ora

MIXHT medio

2001 (m)

MIXHT max 2001

(m)

MIXHT min 2001

(m)

MIXHT medio

2002 (m)

MIXHT max 2002

(m)

MIXHT min 2002

(m)

MIXHT medio

2003 (m)

MIXHT max 2003

(m)

MIXHT min 2003

(m)

0-2 150 1875 100 115 1430 100 151 1726 100

3-5 149 1864 100 125 1514 100 146 1824 100

6-8 435 1877 100 401 1544 100 461 2080 100

Fig. 6.2.18 - Variazione mensile dell’altezza di rimescolamento

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

Fig. 6.2.19 - Altezza di rimescolamento media nei quattro trimestri dell’anno (m)

Le figure confermano una variazione stagionale e diurna, con valori

massimi che raggiungono 2,4 Km e minimi di 100 m. I valori medi mensili sono

maggiori nel periodo estivo, soprattutto nei mesi di Giugno e Luglio, i valori

minimi nei mesi di Dicembre e Gennaio. Per quanto riguarda la variazione

diurna (Vedi figure 6.2.20 e 6.2.21 e la precedente tabella 6.2.7) i valori

massimi si raggiungono nell’intervallo compreso tra le ore 12 e le ore 17 mentre

i valori minimi nel periodo notturno.

Fig. 6.2.21 - Variazione diurna dell’altezza di rimescolamento nei quattro trimestri dell’anno

Tra le altre grandezze calcolate dal codice infine si ricordano:

rateo di precipitazioni (mm/h);

velocità del vento in direzione verticale W-VEL (m/s)

Velocità di frizione U* e velocità convettiva W*(m/s)

Sono entrambe velocità di scala. La velocità di frizione (o “friction velocity”)

permette di quantificare lo sforzo di taglio (o forza di Reynolds) dovuto

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

turbolenza di origine meccanica. La velocità convettiva (o “convective scale velocity") rappresenta al contrario la turbolenza di origine convettiva e fornisce indicazioni sulle velocità verticali che possono essere generate dai moti convettivi del PBL (Planetary Boundary Layer, Strato Limite del Pianeta).

Lunghezza di Monin-Obukhov (m)

La lunghezza di Monin-Obukhov, L, è un grandezza di scala ed è definita

come il rapporto fra la turbolenza di origine meccanica e quella di origine

convettiva. Può assumere valori positivi o negativi : di giorno (in condizioni

di PBL instabile) L è negativa, mentre L/2 è circa uguale all'altezza in cui le

due sorgenti di turbolenza sono uguali; di notte (PBL stabile) L è positiva a

causa della stabilità dell'atmosfera che, favorendo la stratificazione, inibisce

la convezione e il termine di produzione convettiva diventa negativo (Stull,

1988).

6.3 Applicazione del codice CALPUFF

L’applicazione del codice CALPUFF all’area allo studio segue quella del codice CALMET, di cui utilizza i risultati come dati di ingresso. Il modello prevede infatti due files di input: uno (estensione “.inp”) è quello compilato dall’utente, in cui si specificano le opzioni desiderate; l’altro è un file binario (estensione “.DAT”), output di CALMET (cmet_a01.dat, cmet_ b01, etc), in cui sono contenute tutte le informazioni meteorologiche necessarie al calcolo di dispersione degli inquinanti. L’applicazione di CALPUFF copre un intervallo di tempo di tre anni; a tal proposito sono stati utilizzati 7 file di input (cpuf_a01, cpuf_b01, etc.) per ogni anno, ciascuno della stessa durata di quelli utilizzati per la simulazione metereologica (sei di 54 giorni e uno di 41 giorni); anche il dominio di calcolo utilizzato risulta essere lo stesso.

Il file di input consta di 18 gruppi (contrassegnati da numeri interi compresi tra 0 a 17); i gruppi sono a loro volta suddivisi in sottogruppi. Nel Gruppo “0” (figura 6.3.1) l’utente seleziona il nome, con relativo percorso, rispettivamente del file di input che il codice utilizzerà quale fonte di grandezze meteorologiche e dei file di output.

Fig. 6.3.1 - Esempio di compilazione del file di input di CALPUFF,cpuff_a01.inp, gruppo 0

I files di output sono due: uno, di estensione “.lst”, è un file di testo,

analogo a quello di output di CALMET, che ripete nella prima parte il file di input

a cui si riferisce, mentre nella seconda riporta, per tutti i punti della griglia, il

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

del terreno, etc) (Vedi figura 6.3.2); l’altro è un file binario che contiene le concentrazioni/deposizioni delle varie sostanze inquinanti.

Fig. 6.3.2 - Estratto del file di output “cpuff_a01.lst”

Il gruppo 1 viene utilizzato per definire “parametri di controllo generali”

per l’esecuzione del programma: data di inizio della simulazione, durata,

numero di specie chimiche considerate, formato del file meteorologico,

etc.(Vedi figura 6.3.3).

Il gruppo 3 è relativo alle “opzioni tecniche”di calcolo; in questa parte l’utente può selezionare ad esempio le modalità di calcolo dei coefficienti di dispersione, la possibilità o meno di modellare trasformazioni chimiche, i fenomeni di deposizione secca o umida etc. (figura 6.3.4). In questa parte vengono inoltre definite le variabili relative alla specie chimica da considerare (figura 6.3.5).

Fig. 6.3.4 - File di input di CALPUFF ,cpuff_a01.inp, gruppo3

Fig. 6.3.5 - File di input di CALPUFF, ,cpuff_a01.inp, gruppo3a

Il gruppo 4 è dedicato alla definizione del dominio. CALPUFF a tal

proposito permette di utilizzare una “griglia di calcolo” (figura 6.3.6.b) diversa da

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

purché all’interno della prima. Viene definita inoltre un’ulteriore maglia che identifica i recettori areali (griglia dei recettori areali, figura 6.3.6.c), la quale può coincidere o essere contenuta nella “computational grid”; il passo può essere uguale o inferiore a quello della prima. Come è possibile osservare dalle figure, nella simulazione attuale le tre griglie coincidono; analogamente il passo della griglia di calcolo e quella della griglia areale sono entrambi di 1 km (figura 6.3.7).

a) griglia meteorologica

c) griglia dei recettori areali

Fig. 6.3.6 - File di input di CALPUFF,cpuff_a01.inp, gruppo 4

Fig. 6.3.7 - Rappresentazione della griglia utilizzata da CALMET-CALPUFF

Nel gruppo 5 è possibile selezionare le opzioni di output desiderate, il

gruppo 6 è relativo all’eventualità di utilizzare particolari procedure per

correggere il campo di flusso in presenza di “complex terrain” (in una prima fase

il modello accetta il campo di flusso prodotto in base alla struttura del campo di

vento e di temperatura; procede quindi nel simulare variazioni nel flusso e nel

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

è il “complex terrain model”, sviluppato da EPA). A tal scopo il codice offre anche la possibilità di selezionare “special complex terrain receptors”. La figura seguente descrive la compilazione del gruppo 6 utilizzando l’interfaccia grafica.

Fig. 6.3.8 - Compilazione del gruppo 6 del file di input a CALPUFF,cpuff_a01.inp

I gruppi 7÷ 10 descrivono parametri relativi alla deposizione secca e

umida, il gruppo 11 i parametri chimici, mentre il gruppo 12 quelli di dispersione

(valori delle costanti da utilizzare nelle equazioni del modello, intervallo dei

categorie “land-use” da considerare come “urban”, velocità minima del vento da

considerare come calma di vento, etc.). Il gruppo 13 (figura 6.3.9) è quello cui si

specificano le sorgenti puntuali (vedi paragrafo 6.1.1) in termini di unità di

misura, numero di sorgenti con parametri di emissione variabili, etc.; i valori

delle coordinate e dei parametri di emissione sono invece descritti nel

Fig. 6.3.9 - File di input a CALPUFF,cpuff_a01.inp, gruppo 13

Fig. 6.3.10 - File di input a CALPUFF, cpuff_a01.inp, gruppo 13(a)

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

Fig. 6.3.11 - Sorgenti puntuali

Analoghi al gruppo 13 sono il 14, 15 e 16 relativi rispettivamente alle sorgenti areali , lineari e volumetriche. Il gruppo 17 infine è riferito ai recettori discreti. CALPUFF permette di selezionare punti di particolare interesse da parte dell’utente, non necessariamente coincidenti con quelli della griglia areale.

Come mostrato dalle figure 6.3.12 e 6.3.13 per la presente applicazione sono stati utilizzati otto recettori discreti corrispondenti alle cinque stazioni di misura di qualità dell’aria del Comune di Arezzo e a tre della rete ENEL S. Barbara (Vedi tabella 6.3.1).

Recettori discreti

Denominazione

1 PIAZZA DELLA REPUBBLICA

2 VIA FIORENTINA

3 VIA ACROPOLI

4 VIA S. DONATO

5 SEDE PROVINCIA

6 VIA AMENDOLA (MONTEVARCHI)

7 STADIO - VIA PERUGIA (SAN GIOVANNI VALDARNO)

8 VIA ARGINE ARNO (FIGLINE VALDARNO)

a) griglia dei recettori areali e recettori discreti utilizzati per la simulazione

b) Localizzazione dei recettori discreti (1-5) all’interno della città di Arezzo

Fig. 6.3.12 - Griglia dei recettori areali e recettori discreti

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

Fig. 6.3.13 - File di input a CALPUFF, cpuff_a01.inp ,gruppo 17

6.3.1 I Risultati di CALPUFF

Il processore CALPUFF, come già ricordato, utilizza i risultati del codice CALMET per generare valori di concentrazione e/o deposizione. E’ necessario osservare però che, mentre CALMET si limita a calcolare le grandezze meteorologiche “grigliate” (sulla maglia meteorologica), CALPUFF esegue, all’interno del dominio (griglia di calcolo), le sue valutazioni in modo continuo. I valori così calcolati possono essere rappresentati attraverso un post-processore, CALPOST, il quale, a sua volta, utilizza i file binari di concentrazione prodotti da CALPUFF come input da cui ricavare le informazioni relative alla dispersione delle sostanze inquinanti.

Per ridurre il numero di file di input-output di CALPOST, per ognuno degli anni considerati, i 7 file di concentrazione in uscita da CALPUFF sono stati opportunamente “sommati” in un unico file di estensione “.CON”. A tal proposito è stato utilizzato il programma APPEND (scaricabile gratuitamente dal sito internet www.src.com/verio/download/p2.htm), che, stabiliti i file da “appendere” e il loro intervallo-sequenza temporale in un file di input, fornisce in uscita un singolo file di concentrazione (rispettivamente cpuf01.con, cpuf02.con e cpuf03.con per i tre anni considerati). Il calcolo effettuato da CALPOST è basato, analogamente ai processori precedenti CALMET-CALPUFF, su un file di input (estensione “.inp”) mentre in uscita produce file di estensione “.lst” (simili a quelli prodotti da CALPUFF) e tabulazioni/

mappe visualizzabili attraverso il programma SURFER ^TM per Windows. Il file di input è costituito da 4 gruppi (definiti con numeri interi compresi tra 0 e 3). Il gruppo 0 è dedicato alla definizione dei nomi, con relativo percorso, dei file di input-output, mentre nel gruppo 1 CALPOST fornisce l’opportunità di scegliere l’intervallo di tempo da considerare: l’intero periodo considerato da CALPUFF oppure solo una parte (Vedi figura 6.3.14). E’ inoltre possibile scegliere il periodo di mediazione calcolato (ogni ora, ogni 2 ore,etc.).

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

Sempre nel primo gruppo viene definita la specie chimica (PM10) e il tipo di recettori: la griglia dei recettori areali, i recettori discreti o entrambi.

CALPOST permette inoltre di utilizzare anche solo una parte dei recettori-griglia selezionati nel file di input di CALPUFF; la porzione che si vuol considerare viene delineata specificando le coordinate del punto in basso a sinistra e di quello più alto a destra (Vedi figura 6.3.15).

Fig. 6.3.15 - File di input di CALPOST, gruppo 1: definizione dei punti recettori

Il gruppo 2 è dedicato a parametri di “visibilità”. Infine nel gruppo 3 si

selezionano le opzioni di output che si desidera siano eseguite: l’unità di misura

della concentrazione (ad esempio µg/m ³ ), il periodo di mediazione (1 ora, 3 ore,

24 ore, l’intera durata della simulazione di CALPUFF, oppure un tempo di

Questo tipo di informazioni può essere utile in quanto impiegato per la creazione di mappe di isoconcentrazione, ma è necessario sottolineare che i valori riportati si possono riferire, ad esempio, a uno qualunque dei 365 giorni dell’anno o corrispondentemente a un’ora qualunque delle 8760 ore rispettivamente per le medie giornaliere o orarie. In altre parole i valori messi a confronto per i vari recettori sono i valori massimi, ma vengono raggiunti in momenti diversi per ogni recettore.

Fig. 6.3.16 - File di input CALPOST:definizione dell’unità di misura e del periodo di mediazione

Fig. 6.3.17- File di input di CALPOST, gruppo 3: definizione del tipo di tabulazione

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

Fig. 6.3.18 - Estratto del file“cpost_01.lst

Un’altra possibilità offerta dal codice è quella di rappresentare, per i giorni selezionati dall’utente (al limite l’intero intervallo di tempo), serie temporali che riportano, per ciascun recettore, la data (anno, giorno giuliano e ora) e il valore corrispondente al tipo di media selezionata (TS01 per le medie orarie, TS24 per quelle giornaliere, etc.). I valori così calcolati possono essere visualizzati utilizzando SURFER ^TM per Windows ed eventualmente estratti e riportati in programmi di calcolo quale ad esempio Microsoft Excel.

La figura 6.3.19 rappresenta un estratto della “timeseries” relativa ad un

periodo di mediazione di 1 ora e agli 8 recettori discreti individuati nel

paragrafo precedente.

Congiuntamente al “list file” possono essere creati dei “plot file” (solo per i “top N” valori e per le serie temporali; non possono essere creati per le tabelle relative ai primi 50 valori), disponibili in due formati differenti: “DATA” e “GRID”.

Il primo formato, utilizzabile sia con i recettori discreti che con la griglia, consiste in una rappresentazione sottoforma di un listato in cui, per ogni recettore, vengono rappresentate le coordinate (UTM, in Km) e i valori delle concentrazioni medie specificate. La figura 6.3.20 rappresenta un plot file dei

“top 2” valori di concentrazione media giornaliera.

Fig. 6.3.20 - Estratto del file R24

Il formato GRID può essere utilizzato solo nell’eventualità che i recettori

siano sottoforma di griglia (gli eventuali recettori discreti devono essere

deselezionati); i valori vengono scritti in forma di righe (variabile x) iniziando a

contare da quella più a sud della griglia. I file, di estensione “.grd”, sono

compatibili con il software SURFER ^TM per Windows (la figura 6.3.21 riporta una

mappa di isoconcentrazione; nella figura è riportata anche l’orografia del

territorio).

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL CODICE DI CALCOLO

Fig. 6.3.21 - Mappa di isoconcentrazione (primo rango, media giornaliera), file R2401.grd

La modalità con la quale rappresentare le concentrazioni deve essere valutata sulla base del tipo di informazione di cui si necessita e che deve essere evidenziato.

Le mappe di isoconcentrazione ad esempio, per certi versi possono

essere molto utili (es. possibilità di evidenziare le zone più critiche,

determinazione dell’impatto provocato da particolari sorgenti, pianificazione

territoriale, etc.), ma è necessario sottolineare che non contenendo alcun

riferimento temporale, sono strumenti “statici” che non permettono di valutare

scenari evolutivi nel tempo. In questo caso è necessario ricorrere ad altri