I modelli matematici che simulano il comportamento degli inquinanti in atmosfera sono strumenti molto complessi in quanto devono riprodurre i principali processi subiti dagli inquinanti in aria: emissione, diffusione, trasporto, reazioni chimiche. Le elaborazioni prodotte dal sistema modellistico permettono:

  • di estendere l’informazione sulle concentrazioni di inquinanti in aria a tutto il territorio regionale (anche dove non sono presenti siti di misura);
  • di formulare ipotesi di scenari emissivi e di simularne gli effetti sulla qualità dell’aria, a scala regionale o locale;
  • di valutare gli impatti di una particolare sorgente emissiva sulla qualità dell’aria a scala locale o a microscala;
  • di prevedere lo stato della qualità dell’aria;
  • di valutare i contributi delle diverse sorgenti emissive alle concentrazioni di inquinanti in aria (source apportionment).

Il sistema modellistico è costituito da diversi codici di calcolo integrati tra di loro; i dati in ingresso (gli inventari delle emissioni, i dati geografici necessari alla descrizione della topografia, dell’uso del suolo e del dettaglio urbano, i dati meteorologi e chimici) vengono elaborati in modo da produrre tutte le informazioni necessarie al modello di dispersione.

sistema modelli

I principali elementi che compongono il sistema si possono sinteticamente riassumere in:

  • un modulo territoriale, che a partire dalle basi di dati territoriali costruisce i campi dei parametri geofisici e territoriali;
  • 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 i campi meteorologici tridimensionali e bidimensionali di turbolenza utilizzati dal modello di dispersione;
  • un modulo delle emissioni che, a partire dai dati dell'inventario regionale, ricostruisce i campi bidimensionali orari dei ratei di emissione per tutte le specie chimiche trattate dal modello di qualità dell’aria;
  • il modello chimico di qualità dell’aria, in grado di ricostruire i campi tridimensionali di concentrazione delle diverse specie chimiche prodotte dal modulo delle emissioni e dalle reazioni chimiche simulate in atmosfera;
  • un modulo di post-processing che elabora i campi tridimensionali di concentrazione per produrre campi aggregati di indicatori e mappe tematiche ed effettua la valutazione delle prestazioni del sistema modellistico.

In ARPA Valle d'Aosta sono utilizzati due modelli chimici per la qualità dell'aria:

  • FARM (Flexible Air quality Regional Model), un modello di chimica e trasporto idoneo per simulare il comportamento degli inquinanti in un territorio orograficamente complesso come quello valdostano, a lavorare su scale spaziali che vanno da quella urbana a quella regionale, su scale temporali sia orarie sia di lungo periodo. Tale modello inoltre è in grado di simulare i principali processi fisici e chimici a cui sono sottoposti gli inquinanti durante la loro permanenza in atmosfera, in modo da poter valutare accuratamente le relazioni tra le varie sorgenti e i soggetti recettori, inquinanti secondari (ozono, particolato secondario). Viene utilizzato un set di 129 reazioni chimiche con 56 specie di inquinanti denominato SAPRC90 (Carter, 2000). Questo modello necessita anche delle condizioni iniziali e ai bordi del dominio ricavate da simulazioni su scala maggiore.
  • SPRAY5, un modello lagrangiano a particelle che simula i fenomeni di trasporto, dispersione, deposizione secca e umida di inquinanti in aria in condizioni meteorologicamente complesse. Le sorgenti di emissione considerate possono essere puntuali, lineari o areali, continue o discontinue. L'inquinante aeriforme è simulato da un certo numero di particelle virtuali, ognuna della quali rappresenta una certa massa di inquinante; si suppone che queste particelle seguano il oto turbolento delle particelle di aria in cui sono immesse. La loro distribuzione spaziale ad un certo istante fornisce la concentrazione della sostanza. Il modello è stato sviluppato da Arianet S.r.l., in collaborazione con Aria Technologies SA,

La valutazione annuale della qualità dell'aria

Il sistema modellistico in versione diagnostica di lungo periodo è utilizzato a supporto delle valutazioni annuali della qualità dell’aria sul territorio regionale. Le simulazioni sono condotte con cadenza oraria su un dominio di calcolo che comprende l'intero territorio regionale con risoluzione orizzontale di 1 km. L’input meteorologico è costruito a partire dalle misure delle stazioni della rete trasformate in campi tridimensionali dal modello meteorologico diagnostico SWIFT. Per la parte chimica si utilizza il modello FARM.
A valle delle simulazioni di dispersione, con un modulo di post-elaborazione si producono le mappe tematiche su griglia, si calcolano gli indicatori richiesti dalla normativa e necessari per procedere alla valutazione del territorio in relazione allo stato di qualità dell’aria, Viene inoltre effettuata una prima verifica delle prestazioni del sistema, con particolare riferimento agli obiettivi di qualità per la modellizzazione richiesti dalla normativa nazionale e comunitaria.

Le previsioni di qualità dell'aria

Per la parte chimica si utilizza il modello FARM. Nel modello sono state implementate tecniche di one-way e two-way nesting. Il sistema fornisce i risultati su una griglia orizzontale con celle quadrate di 1 km, in modo da permettere la descrizione delle caratteristiche orografiche del territorio e delle aree urbanizzate. Per la previsione delle condizioni meteorologiche si utilizzano i campi tridimensionali prodotti dal modello COSMOi2 (reso disponibile ad ARPA Valle d'Aosta dal Centro Funzionale della Regione Autonoma della Valle d'Aosta), adattati al dominio di calcolo del modello di qualità dell'aria. Gli effetti delle sorgenti esterne alla regione ed i processi su scale spaziali più grandi della scala urbana, come lo smog fotochimico, sono descritti attraverso le condizioni al contorno fornite dal sistema di previsione della qualità dell'aria a scala nazionale QualeAria.

sistema previsione

Le previsioni sono elaborate giornalmente e disponibili a partire dalle ore 10; è possibile consultare le previsioni dello stato della qualità dell'aria (indice di qualità dell'aria) e delle concentrazioni dei principali inquinanti.

La valutazione di impatti a scala locale e a microscala

Il modello chimico più adatto per valutare l'impatto sulla qualità dell'aria di singole sorgenti emissive è SPRAY, un modello che non considera i processi chimici, ma solo i fenomeni di trasporto e diffusione degli inquinanti enmessi da sorgenti puntiformi, lineari, areali o volumetriche. L’input meteorologico è costruito a partire dalle misure delle stazioni della rete trasformate in campi tridimensionali dal modello meteorologico diagnostico SWIFT.

Questo modelllo, nella sua versione a microscala MICROSPRAY, permette di considerare l'effetto "ostacolo" degli edifici situati attorno alla sorgente di emissioni inquinanti da analizzare. Nelle figure seguenti sono riportati, a titolo di esempio, i risultati ottenuti dall'applicazione di MICROSPRAY: a sinsitra una mappa di concentrazione di PM10 e a destra una animazione che mostra l'evoluzione temporale di una emissione convogliata.

 microspray pm10 rid

 anim brezza aosta

 

La valutazione dei contributi dei diversi comparti emissivi

Una delle finalità della modellistica per la qualità dell'aria è quella di identificare le sorgenti dell'inquinamento per potere prevedere azioni efficaci per il miglioramento della qualità dell'aria (source apportionment).

In questa applicazione, il sistema modellistico viene utilizzato in versione diagnostica ed il modello chimico è FARM. Si effettuano molteplici simulazioni, in cui si variano le emissioni in ingresso, imponendo una variazione prefissata (brute force method) ad una tipologia di sorgenti e lasciando inalterate le altre.

Source apportionement

Riferimenti normativi

In attuazione delle disposizioni sulla qualità dell’aria contenute nella Direttiva europea 96/62/CE, il D.Lgs. 351/1999 e il successivo DM 261/2002 avevano fissato i criteri riguardanti l'uso di altre tecniche di valutazione della qualità dell'aria ambiente, in particolare la modellizzazione, con riferimento alla risoluzione spaziale, ai metodi di valutazione obiettiva ed alle tecniche di riferimento per la modellizzazione. Più recentemente, in seguito all’adozione della nuova Direttiva 2008/50/CE del Parlamento europeo e del Consiglio, il D.Lgs. 155/2010 ha riorganizzato tutta la materia, definendo in particolare nuovi criteri per l’utilizzo dei metodi di valutazione diversi dalle misurazioni in siti fissi, con particolare riferimento alle tecniche di modellizzazione (appendice III).
I modelli matematici per la simulazione della dispersione degli inquinanti sono impiegati da tempo nelle procedure di valutazione di impatto ambientale (VIA) relative ad impianti ed infrastrutture che comportino emissioni in atmosfera. Il D.P.C.M. 27/12/1988 (paragrafo A, punto 5, allegato II) stabilisce infatti che le analisi concerneneti l'amosfera siano affrontate attraverso la previsione degli effetti del trasporto (orizzontale e verticale) degli effluenti mediante modelli di diffusione di atmosfera.

Riferimenti bibliografici

Linee guida per la selezione e l’applicazione dei modelli di dispersione atmosferica per la valutazione della qualità dell’aria. A cura di F. Lollobrigida, G. Brusasca, M. Clemente, R. De Maria, M. Deserti, F. Desiato, F. Lena, G. Tinarelli, G. Zanini. Roma, 2001

La micrometeorologia e la dispersione degli inquinanti in aria. A cura di R. Sozzi. Roma, 2003

I modelli per la valutazione e gestione della qualità dell’aria: normativa, strumenti, applicazioni. A cura di M. Deserti, F. Lollobrigida, E. Angelino. Roma, 2004

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