Modellistica ambientale, previsione e pianificazione in Liguria

 

L’impiego di modelli nel campo della gestione ambientale ha ormai assunto un ruolo fondamentale e di primaria importanza. Attraverso questi strumenti è infatti possibile effettuare delle previsioni sugli effetti che le attività antropiche possono produrre sull’ambiente.

È pertanto evidente l’utilità di impiegare i modelli per arrivare a mettere a punto delle strategie efficaci per la mitigazione degli impatti sull’ambiente, tanto più in una regione numericamente piccola ma con particolari caratteristiche che richiede un gran numero di competenze e offre possibili scenari anche molto differenti fra loro.

L’applicazione di questi modelli richiede una fase preliminare di studio dell’attività di cui si intende prevedere l’effetto, affiancata da una dettagliata definizione del contesto ambientale di riferimento. I risultati dello studio preliminare forniranno i dati indispensabili all’implementazione dei modelli ambientali e alla loro corretta applicazione. Successivamente viene attuata una validazione sperimentale dei risultati della modellizzazione, per ottenere una migliore calibrazione del modello e pertanto raggiungere un maggiore grado di affidabilità delle stime che esso fornisce.

I modelli si possono utilizzare, quindi, a fini previsionali (la meteorologia ne è un esempio, ma anche la dispersione di inquinanti a seguito di rilasci incidentali), o a fini di pianificazione (la mappatura delle ricadute da sorgenti industriali).

In ognuno dei casi, qualsiasi modello di calcolo funziona nel seguente modo:

Nella figura: schema concettuale di un modello ambientale

In Arpal vengono utilizzati modelli ambientali per:

  • Dispersione in atmosfera:
    • Propagazione di inquinanti in atmosfera
    • Propagazione dei fumi di combustione da incendi all’aperto
    • Valutazione della qualità dell’aria
  • Idrodinamica marina e qualità delle acque:
    • Previsioni di corrente marina
    • Valutazione delle conseguenze di rilasci in mare di inquinanti
    • Valutazioni su idrodinamica costiera, moto ondoso, correnti,…
    • Trasporto di sedimenti
  • Valutazione delle conseguenze di scenari incidentali:
    • Rilasci di sostanze tossiche
    • Flusso termico da incendi
    • Sovrapressione da esplosioni

In ogni caso, si tratta di modelli fluidodinamici, che, con diverse formulazioni a seconda dell’utilizzo, descrivono la propagazione di una o più specie in un’altra.

Le applicazioni già descritte nel campo della dispersione atmosferica (rif. Casi studio presentati al Convegno delle Agenzie – 2013), continuano ad essere utilizzate in Agenzia sia per fornire supporto agli interventi in pronta disponibilità, che come strumento di valutazione e pianificazione degli impatti industriali sull’ambiente.

Dopo le esperienze di studio sulle ricaduta delle emissioni industriali, nate da specifiche problematiche del territorio di carattere ambientale e sanitario (es. studi relativi a Vado Ligure e alla Val Bormida effettuati con l’applicazione di specifici modelli gaussiani e lagrangiani), Arpal ha effettuato tra il 2015 e il 2016 un investimento per l’implementazione su scala regionale di un modello CTM euleriano (Chemical Transport Model) che integrando il database dell’inventario delle emissioni a livello regionale fornisca le previsione degli inquinanti fotochimici (NOX, O3, PM) su tutto il territorio ligure. Lo scopo del progetto in corso è quello di ottemperare ai requisiti della normativa (D. Lgs. 155/2010) e colmare il gap di esperienza rispetto ad altre Agenzie, In cui la modellistica costituisce parte integrante del processo di valutazione della qualità dell’aria effettuato sulla base della rete di monitoraggio (in cui dati misurati forniscono un feedback continuo ai campi simulati dai modelli). In particolare, lo sviluppo la nuova catena modellistica, basata sul codice CHIMERE, si avvale della consulenza di Arpae, e andrà ad innestarsi nella catena previsionale di valutazione degli inquinanti fotochimici per il nord-italia – sistema NINFA).

Per quanto riguarda la modellistica marina, negli ultimi tre anni l’Agenzia sta stabilizzando e rendendo più fruibile le potenzialità operative del Modello del Mar Ligure. Questo costituisce una piattaforma modellistica integrata meteo-oceanografica basata sulla suite di modelli MIKE sviluppati da DHI.

MIKE 3 HD ricostruisce la circolazione idrodinamica alla scala dell’intero Mar Ligure; è stato implementato come un “downscaling” operativo del modello di circolazione del Mar Mediterraneo MFS (Mediterranean Forecast System disponibile attraverso il programma europeo COPERNICUS), forzato in tempo reale dai modelli meteo-idrologici operativi presso il Cfmi di Arpal. Sul modello tridimensionale ai volumi finiti, che fornisce le previsioni della componente idrodinamica (correnti, livelli superficiali) e fisica (temperatura e salinità) sono innestabili moduli per simulare la dinamica di dispersione di traccianti passivi, il decadimento di inquinanti organici, la traiettorie di oggetti galleggianti o chiazze oleose.

Alcuni applicativi sono integrati nella catena e forniscono previsioni in tempo reale della qualità delle acque costiere sulla base degli apporti terrigeni e biologici provenienti dalle foci fluviali, in base alle uscite dei modelli idrologici. In particolare il modulo ECOlab è grado di simulare la distribuzione delle concentrazioni batteriche (Escherichia Coli ed Enterococchi Intestinali) ed il loro decadimento in funzione di radiazione solare, salinità, temperatura e trasparenza dell’acqua. L’applicazione modellistica va nella direzione dell’attuazione del D.lgs n.116/08, recepimento della Direttiva 2006/7/CE sulla Qualità delle Acque di Balneazione, in merito alla dotazione di uno strumento decisionale efficace per prevedere l’insorgenza di inquinamenti di breve durata che possano alterare temporaneamente la qualità delle acque. L’applicazione necessita di una fase di calibrazione e verifica degli input di carico batterico per poterlo rendere uno strumento integrato con il monitoraggio tradizionale delle Acque di Balneazione,

Altri applicativi sono progettati per essere attivabili “a chiamata” da personale ARPAL in caso di emergenze ambientali causate da incidenti in mare. In questo caso il modulo OIL SPILL e Particle Tracking, sfruttando l’approccio lagrangiano, simulano il rilascio accidentale di idrocarburi e l’evoluzione delle traiettorie, al fine di fornire supporto alle operazioni a mare di intervento e bonifica. Alcune sperimentazioni sono state condotte, in coordinamento con le Capitanerie di Porto, per valutare la capacità di pronta risposta dell’Agenzia ad eventi di questo genere. L’esperienza acquisita in questo campo grazie al progetto POR-FESR Regione Liguria “SEAGOSS” di cui Arpal è stato End User, verrà a breve messa a frutto con la realizzazione di un’interfaccia web per l’interrogazione on-line delle variabili marine e la gestione in tempo reale di scenari incidentali.

Altri moduli della suite MIKE, come il modello di propagazione del moto ondoso (MIKE 21 SW) vengono utilizzati come supporto alla pianificazione di Ambito Costiero.

La modellistica del rumore non ha invece avuto applicazioni degne di nota, rimanendo uno strumento di valutazione specialistico a disposizione dei comparti territoriali di competenza su richiesta.

Per quanto riguarda la meteorologia, infine, la particolare conformazione orografica della regione Liguria, caratterizzata da bacini molto piccoli e particolarmente vulnerabili da un punto di vista idrologico nel caso di precipitazioni intense e localizzate (flash floods), rende fondamentale l’utilizzo nell’ambito delle previsioni meteo-idrologiche di modelli ad alta risoluzione. Allo stesso tempo, questi fenomeni sono caratterizzati da una bassa predicibilità, che generalmente varia da poche ore per fenomeni isolati a uno o due giorni per fenomeni organizzati, rendendo molto importante un approccio probabilistico alla previsione meteorologica.

Per questo motivo il CFMI-PC elabora quotidianamente le previsioni meteorologiche di supporto alla Protezione Civile utilizzando molti modelli meteorologici, in parte ricevuti dall’esterno, in parte mantenuti dal Centro Funzionale stesso. In particolare il Centro Funzionale è responsabile della catena operativa basata sui modelli Bolam (idrostatico) e Moloch (non idrostatico), sviluppati presso l’ISAC-CNR di Bologna. Le simulazioni di Bolam, che utilizzano condizioni iniziali e al contorno su livelli ibridi del modello IFS dell’ECMWF, sono eseguite alla risoluzione orizzontale di circa 10 km, su un dominio esteso su gran parte dell’Europa, con previsioni fino a 72 ore. Bolam fornisce le condizioni iniziali e al contorno per il Moloch, che elabora previsioni a 48 ore su un dominio esteso sul Nord Italia ad una risoluzione orizzontale di circa 2.3 km.

Ogni corsa di Bolam e Moloch alimenta un’ulteriore catena modellistica per la previsione delle onde fino a 72 ore basata sul modello WaveWatch III (WWIII), un modello spettrale di terza generazione per la simulazione della generazione e della propagazione del moto ondoso, sviluppato e distribuito dalla NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). WWIII è implementato presso ARPAL in collaborazione con il DICCA dell’Università di Genova, in una configurazione a due domini nidificati: il primo è esteso su tutto il bacino del Mediterraneo con una risoluzione orizzontale di circa 10 km e utilizza i campi di vento a 10 m prodotti da Bolam, mentre il secondo è centrato sul Mar Ligure con una risoluzione di circa 2 km ed è forzato dai campi di vento del Moloch. L’intera catena modellistica meteo-marina fornisce una nuova previsione ogni 6 ore, ed impiega poco più di 1 ora di tempo macchina per completare il processo.

Recentemente Arpal ha reso operativa una seconda catena basata sui modelli Bolam e Moloch, introducendo un sistema di assimilazione dati LAPS (Local Analysis and Prediction System), adattato dal CNR-ISAC di Bologna. Questo sistema si affianca alla catena operativa assimilando dati delle stazioni locali e della rete GTS, della rete radar nazionale, del satellite geostazionario Meteosat e dei radiosondaggi disponibili sul dominio dei modelli. L’implementazione ha lo scopo di aumentare la capacità previsionale sul breve termine, sia utilizzando dati locali sia anticipando le nuove emissioni dei modelli globali, in generale disponibili dopo alcune ore dall’ora di inizializzazione.

Arpal ha ultimamente acquisito nuove risorse di calcolo: sono in fase avanzata di test nuove catene operative, caratterizzate da un aumento di risoluzione orizzontale a circa 8 km per il Bolam (che rimane fondamentale per poter fornire condizioni al contorno fitte nel tempo) e un aumento sia dell’estensione del dominio (Italia centro-settentrionale) sia della risoluzione (circa 1.5 km) per il Moloch. In particolare questa nuova implementazione del modello Moloch permetterà di aumentare la qualità della descrizione dei fenomeni convettivi e, allo stesso tempo, di ridurre l’impatto delle condizioni al contorno durante le simulazioni.

Arpal ha inoltre sviluppato strumenti per la gestione dell’incertezza su piccola scala. Sfruttando i modelli della catena Bolam e Moloch, unitamente ai modelli ricevuti dall’esterno (in particolare i modelli Cosmo Italia, nelle due versioni con risoluzione di 7 km e di 2.8 km) è operativo da alcuni anni un sistema di poor man ensemble, che permette di elaborare informazioni statistiche dall’ensemble di modelli, quali la probabilità di superamento di una soglia di precipitazione definita, spaghetti plots, ecc. Questo sistema è attualmente utilizzato sia in sala operativa per la valutazione della predicibilità delle condizioni atmosferiche, sia per fornire informazioni ad enti esterni, più affidabili rispetto a quelle fornite da un singolo modello deterministico.

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