Nel corso degli anni 2007-2010 il Dipartmento Sistemi Previsionali di ARPA Piemonte ha implementato e configurato in modalità operativa un sistema modellistico a supporto delle attività di gestione della qualità dell'aria della Provincia di Torino in grado di effettuare quotidianamente previsioni dei livelli di concentrazione al suolo dei principali inquinanti atmosferici e di distribuire e mettere a disposizione le informazioni ottenute dalle simulazioni. Tale attività è stata effettuata in collaborazione con la società Arianet s.r.l. e con il Servizio Qualità dell'Aria e Risorse Energetiche della Provincia di Torino.
In Figura 1 è rappresentato lo schema del sistema modellistico prognostico. Il cuore del sistema è rappresentato dal modello di qualità dell'aria, il modello euleriano di chimica e trasporto FARM (Flexible Air quality Regional Model). Il modello FARM tratta tutti gli inquinanti atmosferici normati (O3, NO2, NOx, PM10, PM2,5, 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.
Il sistema modellistico è una rete complessa di codici di calcolo che lavorano in modo integrato. Specifici moduli elaborano molteplici dataset per adattarli ai domini di simulazione del sistema. In sintesi i principali elementi che compongono il sistema sono:
- un modulo territoriale, che a partire dalle basi di orografia, cartografia e uso del suolo costruisce i campi dei parametri fisiografici territoriali sui domini di simulazione;
- un modulo di preprocessamento meteorologico che, a partire dai dati meteorologici di ingresso (campi 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 per il trattamento 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;
- un modulo per le condizioni iniziali ed 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 ed al contorno sui domini di simulazioni;
- un modulo di post-processing che al termine delle simulazioni elabora i campi tridimensionali di concentrazione per produrre campi aggregati di indicatori e mappe tematiche.
Figura 1 - Schema del sistema modellistico per la Qualità dell'Aria di Arpa Piemonte
Il sistema modellistico prognostico utilizzato operativamente da Arpa Piemonte 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 (two-way nesting), 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 caratterizzati da più grandi scale spaziali (ad esempio legati allo smog fotochimico).
La catena modellistica previsionale utilizza come dati meteorologici di ingresso i campi di previsione prodotti dal modello meteorologico non idrostatico ad area limitata COSMO-I7, acquisito da ARPA nelle attività operative legate alla previsione del rischio idrogeologico. COSMO-I7 fornisce quotidianamente le previsioni a 72 ore con una frequenza oraria o al più trioraria, su una griglia di coordinate geografiche che copre l'intero territorio italiano con una risoluzione orizzontale di circa 7 km alle nostre latitudini. I campi meteorologici prodotti da COSMO-I7 al suolo e sui livelli del modello vengono processati dal modulo di pre-processamento che provvede ad effettuarne l'interpolazione spaziale su ciascun dominio di calcolo, a riportare su base oraria i campi sui livello del modello, disponibili con scadenza trioraria, ed a calcolare i parametri di scala dello Strato Limite Planetario con la teoria di similarità di Monin-Obukhov e parametrizzazioni basate sul bilancio energetico superficiale.
I campi bidimensionali dei ratei di emissione per tutte le specie chimiche trattate dal modello di qualità dell'aria, modulati temporalmente su base oraria vengono prodotti dal modello delle emissioni EMMA (Arianet, 2005) a partire dall’Inventario Regionale delle Emissioni in Atmosfera (I.R.E.A) aggiornato all'anno della simulazione o relativo al più recente aggiornamento con dettaglio su macrosettore, settore ed attività secondo le categorie SNAP (classificazione CORINAIR), opportunamente integrato con le informazioni riguardanti gli inventari emissivi dei territori confinanti e compresi nel dominio di calcolo (INEMAR per la Lombardia, Inventario Regionale della Valle d'Aosta, CORINAIR per le altre regioni italiane ed EMEP per le regioni estere). Le condizioni al contorno e iniziali vengono predisposte a partire dalle previsioni condotte su scala continentale con il modello CHIMERE messe a disposizione dal servizio Prev'Air di INERIS (Institut National de l'EnviRonnement industriel et des rISques).
Il sistema modellistico viene applicato a tre domini computazionali innestati (Figura 2) un dominio di background, g1, che include tutto il bacino padano adriatico, l'arco alpino ed i principali rilievi appenninici, con una risoluzione orizzontale di 8 km, un dominio, g2, che comprende l'intera regione Piemonte e corrisponde a quello utilizzato per le VAQA e un sotto-dominio target g3 , ad alta risoluzione (1 km), centrato sull'area metropolitana torinese.
Figura 2 - Domini di simulazione del sistema modellistico prognostico: in blu dominio di background g1, in rosso dominio regionale g2 ed in nero dominio target g3
Il sistema prognostico produce quotidianamente le previsioni di qualità dell'aria per il giorno in corso ed i due giorni successivi, con risoluzione temporale oraria. La catena operativa è organizzata in due principali fasi: nella prima vengono acquisiti e processati 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. Al termine di ogni giorno di simulazione il modulo di post-elaborazione calcola, gli indicatori previsti dalla normativa, l'Indice Previsionale della Qualità dell'Aria sull'agglomerato torinese ed effettua la disseminazione dei dati.