Il sistema modellistico di valutazione e previsione-prognostica

ARIA - Modellistica - Il sistema modellistico di valutazione e previsione-prognostica

Negli ultimi anni una delle principali attività svolte da Arpa Piemonte nell'ambito della modellistica di qualità dell'aria è stata incentrata sullo sviluppo e implementazione di un sistema modellistico, basato sull'applicazione dei modelli euleriani di trasporto, dispersione e trasformazione chimica di inquinanti in atmosfera (Chemical Transport Models), in grado di produrre simulazioni ad elevata risoluzione di campi tridimensionali di concentrazione dei principali inquinanti atmosferici su tutto il territorio regionale. In Figura 1 è rappresentata schematicamente l'architettura del sistema, il cui cuore è il modello di qualità dell'aria, il modello euleriano di chimica e trasporto FARM. Il modello FARM, sviluppato dalla società Arianet con la quale Arpa collabora nelle attività legate alla modellistica di qualità dell'aria, tratta tutti gli inquinanti atmosferici normati (O₃, NO₂, NOx, PM₁₀, PM_2.5, CO, SO₂, benzene), implementa meccanismi chimici di varia complessità per il trattamento della fotochimica e del particolato, è in grado di lavorare su domini ad orografia complessa in modalità multiscala, con più griglie innestate di differenti risoluzioni, tratta la chimica in fase acquosa ed eterogenea, oltre ai processi di deposizione secca ed umida.

Figura 1: il sistema modellistico di valutazione e previsione

Il sistema modellistico utilizza in ingresso molteplici dataset che componenti specifiche elaborano in modo da produrre, sui domini di simulazione, tutti i dati in ingresso necessari al modello di qualità dell'aria. In sintesi i principali elementi che compongono il sistema, schematizzati in Figura 1, possono essere riassunti in:

• un modulo territoriale che, a partire dalle basi dati territoriali (orografia, uso del suolo, cartografia tematica), costruisce i campi dei parametri geofisici territoriali sui domini di simulazione;
• un modulo di interfaccia meteorologico che, a partire dai dati meteorologici di ingresso (osservazioni al suolo e in quota e/o campi tridimensionali, previsti o analizzati, di modelli meteorologici a mesoscala), costruisce, sui domini di simulazione, i campi meteorologici tridimensionali e bidimensionali di turbolenza utilizzati dal modello di qualità dell'aria;
• un modulo delle emissioni che, a partire dagli inventari delle emissioni disponibili sui domini di simulazione, costruisce i campi bidimensionali orari dei ratei di emissione per tutte le specie chimiche trattate dal modello di qualità dell'aria;
• il modulo per le condizioni iniziali e al contorno che, a partire dai campi tridimensionali di concentrazione di un modello di qualità dell'aria a mesoscala e/o dai dati chimici osservati, prepara i campi di condizioni iniziali e al contorno sui domini di simulazione;
• un modulo di post-elaborazione che elabora i campi tridimensionali di concentrazione per produrre campi aggregati di indicatori, secondo quanto richiesto dalla normativa comunitaria e nazionale e calcola, mediante opportuni algoritmi di mediazione, i valori di concentrazione sui singoli comuni piemontesi e l'indice di qualità dell'aria previsto sull'area metropolitana torinese;
• un modulo di analisi che, per gli inquinanti a maggiore criticità, assimila i dati osservati di qualità dell'aria all'interno dei campi simulati dal sistema modellistico, ai fini di ridurre al minimo l'errore di simulazione ed ottenere la migliore stima possibile della qualità dell'aria sul territorio regionale, utilizzando tutte le informazioni disponibili.

Il sistema modellistico di valutazione e previsione è attualmente operativo in due differenti configurazioni, la versione diagnostica per le valutazioni di lungo periodo utilizzata a partire dall'anno 2005 e la versione prognostica, implementata sperimentalmente nel 2006 e resa operativa dal 2007, in grado di produrre le previsioni di qualità dell'aria per il giorno di emissione ed i due giorni successivi.

La versione prognostica

A partire dal 2006 la catena modellistica è stata implementata operativamente in versione prognostica (Finardi et al., 2008) per effettuare quotidianamente la previsione dei livelli di concentrazione al suolo dei principali inquinanti atmosferici e di distribuire e mettere a disposizione le informazioni ottenute dalle simulazioni.
La catena modellistica prognostica è un sistema multiscala, in grado di effettuare le simulazioni di qualità dell'aria su differenti domini a differente risoluzione. A partire da un dominio di background a bassa risoluzione, tramite la tecnica delle griglie innestate, viene effettuata la discesa di scala su sotto-domini ad alta risoluzione (domini target). L'approccio multiscala permette di simulare le dinamiche di dispersione, trasporto e trasformazione degli inquinanti nei domini target considerando nel contempo anche gli effetti delle sorgenti emissive localizzate al loro esterno e descrivendo meglio i fenomeni di accumulo (ad esempio legati allo smog fotochimico) caratterizzati da più grandi scale spaziali. Nel dettaglio i domini di applicazione del sistema prognostico sono (Figura 2):

• dominio di background g1 (in blu), con risoluzione orizzontale di 8 km, che interessa tutto il bacino padano adriatico e la regione alpina italiana;
• dominio piemontese g2 (in nero), con risoluzione orizzontale di 4 km, che interessa tutto il territorio regionale piemontese;
• domini target g3 (in rosso) ad alta risoluzione (1 km) centrati sull'area metropolitana torinese, sulla provincia di Novara e sulla provincia di Alessandria.

Il sistema modellistico prognostico utilizza come driver meteorologico i campi di previsione prodotti dal modello meteorologico non idrostatico ad aria limitata COSMO-I7, acquisito operativamente da Arpa nelle attività legate al Centro Funzionale della Protezione Civile, opportunamente elaborati per essere utilizzati in ingresso al modello FARM; le condizioni al contorno provengono dalla simulazioni previsionali a scala continentale del modello CHIMERE messe a disposizione dal servizio Prev'Air di INERIS. Le emissioni sono calcolate  a partire dall'Inventario Regionale delle Emissioni in Atmosfera (IREA) della Regione Piemonte nella versione più aggiornata disponibile, integrato con le informazioni riguardanti gli inventari emissivi dei territori confinanti e compresi nei domini di simulazione (INEMAR per la Lombardia, Inventario Regionale della Valle d'Aosta, Inventario nazionale per le altre regioni italiane ed EMEP per le regioni estere).
Il sistema modellistico prognostico produce quotidianamente, entro le ore 12, le previsioni di concentrazione dei principali inquinanti atmosferici per il giorno in corso e per i due giorni successivi. La catena operativa è organizzata in due principali fasi: nella prima vengono acquisiti e processati i i dati di ingresso (condizioni al contorno, emissioni e meteorologia) su tutti i domini di calcolo, nella seconda vengono effettuate le simulazioni di qualità dell'aria, con corse parallele, una per ogni dominio target, di FARM in modalità two-way nesting. Al termine di ogni giorno di simulazione (+24 verso le 8.30 ora locale, +48 verso le 9.30 ora locale e +72 ore verso le 10.30 ora locale), il modulo di post-elaborazione calcola gli indicatori di legge, l'indice di qualità dell'aria previsto sull'area metropolitana torinese ed effettua la disseminazione dei dati. In effetti La catena operativa prognostica costituisce la componente server di un sistema più ampio, completato da ulteriori componenti client, attualmente collocate e gestite presso la Provincia di Torino e la Provincia di Novara.