Modellistica meteorologica e della Qualità dell’Aria in Arpa Friuli Venezia Giulia

previsioni qa fvgCome in alcune altre Agenzie, presso il Centro regionale di modellistica ambientale dell’Arpa FVG, è operativa una catena modellistica meteorologica e della qualità dell’aria che quotidianamente fornisce previsioni numeriche per i 5 giorni seguenti.

Una “fabbrica di numeri”

Si parla di catena e non semplicemente di modello perché si tratta di una macchina complessa, articolata su numerosi computer e programmi, alimentata giornalmente da più flussi di dati indipendenti (originati anche oltreoceano), che a sua volta distribuisce i propri prodotti verso vari destinatari: una “fabbrica di numeri”, che si mette in moto ogni notte verso le tre e “stacca”, scrivendo il suo ultimo byte, verso le due del pomeriggio. Lavora in modo totalmente automatico, limitando l’intervento umano al controllo, alla riparazione dei guasti e al miglioramento dei prodotti.

Si tratta, però, di un servizio diverso e complementare rispetto alla produzione di bollettini meteorologici (le previsioni del tempo) o della Qualità dell’Aria, in cui è determinante l’“interpretazione esperta” degli operatori.

Cos’è un modello, in questo contesto?

La parola “modello” assume sfumature diverse, in ambiti anche fra loro vicini: la descrizione che ci hanno fatto alle medie del ciclo dell’acqua o del ciclo del carbonio; la ricostruzione tridimensionale di un’area di fondale marino; la definizione di ruoli, funzioni e relazioni in un’organizzazione…

Nel contesto meteorologico e della Qualità dell’Aria, è un programma informatico che contiene «tutte» le equazioni differenziali che guidano l’evoluzione dello stato di un sistema; in questo vengono chiamate in causa la fisica, la chimica, la biologia, la statistica, perfino l’economia, la demografia, l’astronomia.

Si parla spesso di modelli numerici, perché la soluzione delle equazioni non è analitica (una «formula»), ma richiede la scomposizione dello spazio e del tempo in piccoli intervalli e la ricerca di una soluzione approssimata.

I modelli sono fatti per funzionare in California, Australia, Friuli Venezia Giulia o altrove, nel 2001 come nel 2020: non cambia il modello, ma i dati iniziali e al contorno con cui viene alimentato. Come per i motori di Formula 1, i modelli sono pochi (Mercedes, Ford, Ferrari…): ogni scuderia li utilizza e li tara, costruendoci attorno la propria macchina e contribuendo anche allo sviluppo del motore.

I modelli numerici producono campi: griglie regolari di numeri, quasi un sinonimo di mappe (ma possono essere tridimensionali ed evolvere nel tempo), che possono poi essere visualizzati (producendo mappe in senso stretto o altre rappresentazioni) o alimentare a loro volta altri modelli (di qui le catene).

Più in dettaglio, per quanto ci riguarda…

Per la parte meteorologica, la catena dell’Arpa FVG si basa su una corsa del modello WRF (Weather Research and Forecasting), con 3 domini innestati (europeo a 50 km di risoluzione, italiano a 10 km, regionale a 2 km), che utilizza condizioni al contorno acquisite dal Global Forecast Service (US).

Per la parte di Qualità dell’Aria viene utilizzata la suite modellistica Aria Regional (Arianet srl, Milano), il cui cuore è costituito dal modello chimico e di trasporto euleriano FARM: a partire dalle stime di emissioni in atmosfera e dai campi meteorologici, esso produce campi orari di concentrazione in aria degli inquinanti di interesse; nella configurazione adottata, la risoluzione del modello è di 2 km, su un dominio di calcolo di 160 x 160 km, centrato sulla Regione FVG; le condizioni al contorno di Qualità dell’Aria sono acquisite dal modello nazionale di previsione QualeAria, mantenuto dalla stessa Arianet.

La catena modellistica è eseguita giornalmente in modo completamente automatico su un cluster di calcolo della Regione (256 processori operanti in parallelo, 189GB di RAM) ed è controllata dagli operatori attraverso il workflow manager ecFlow (svilluppato ed adottato presso lo European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF).

I servizi operativi

Sui campi di previsione prodotti dalla catena modellistica sono basati vari servizi operativi:

  • la pubblicazione delle previsioni di Qualità dell’Aria sul sito agenziale;
  • la procedura di attivazione dei Piani di Azione Comunali per la prevenzione degli episodi acuti di inquinamento atmosferico;
  • la fornitura dei campi di temperatura e precipitazione alla Protezione Civile Regionale, per l’alimentazione dei modelli idrologici-idraulici di previsione degli eventi di piena dei principali bacini fluviali;
  • la pubblicazione delle mappe con la “miglior stima” della Qualità dell’Aria del giorno precedente.

Modelli e misure

Le mappe con la “miglior stima” della Qualità dell’Aria del giorno precedente vengono ottenute “fondendo” (data fusion) le stime del modello di previsione con i dati delle stazioni di misura della Rete di Rilevamento della Qualità dell’Aria, con una tecnica denominata kriging with external drift (KED). L’idea di fondo è quella che modelli e misure siano assolutamente complementari nelle informazioni che ci forniscono: il modello riproduce le dinamiche dei fenomeni e “va forte” nel darci la distribuzione spaziale delle grandezze che ci interessano. Ma può essere molto impreciso quando lo interroghiamo su quel che succede esattamente in un punto (“quanti microgrammi per metro cubo di PM10 si sono avuti oggi in p.zza Martiri della Libertà?”). Vogliamo dire che è… presbite? Le stazioni di misura, viceversa, sono molto accurate nel dirci quel che succede in un punto, ma nulla dicono di quel che succede altrove. Vogliamo dire che sono… miopi? Una sorta di “principio di indeterminazione”, dunque: in un caso perdiamo la visione d’insieme, nell’altro la cura del dettaglio. Con la data fusion si cerca di recuperare il meglio delle due famiglie di strumenti: come un lenzuolo steso su un corpo, i campi del modello vengono perciò tirati, alzati, abbassati per adattarsi alle misure, creando quella che riteniamo essere – secondo Thomas Bayes anche con qualche ragione rigorosamente statistica, oltre che intuitiva – la miglior rappresentazione della Qualità dell’Aria.

Processo vs Progetto

La predisposizione di servizi operativi richiede di lavorare con rigore e sistematicità: nella progettazione, nella scrittura dei software, nell’archiviazione dei dati, nella documentazione, nel prevedere la ridondanza dei sistemi informatici.

Più facile a dirsi che a farsi! Un’Arpa lavora per Processi, come tutta la Pubblica Amministrazione: entra la pratica, esce il parere; entra il campione, esce l’analisi. Di questo tratta il Catalogo delle Prestazioni del Sistema Nazionale di Protezione dell’Ambiente: processi ripetuti nel tempo, uguali a se stessi, salvo i “saltini” dettati dagli auspicabili miglioramenti. A differenza dei Progetti, che hanno un inizio ed una fine. Prima di avviare un Processo basato sulla modellistica (per esempio, la pubblicazione quotidiana delle previsioni della Qualità dell’Aria), bisogna aver completato il Progetto della costruzione della catena. Ciò che accade, in realtà, è che ci si trova necessariamente a guidare la macchina mentre ancora la si sta assemblando.

Comunque, presso il CRMA sono stati via via fissati alcuni pilastri, con l’adozione di specifici sistemi di versionamento del software (Git), di amministrazione dei progetti informatici (Trac), di documentazione interna (MediaWiki) e di Gestione della Qualità (quest’ultimo certificato ISO 9001). Le catene modellistiche operative sono duplicate e vengono eseguite quotidianamente su un altro cluster di calcolo: in caso di problemi nel sistema principale, esso può subentrare nella pubblicazione dei dati, in modo trasparente per gli utenti dei prodotti (business continuity). Tutto il sistema è sottoposto a backup giornaliero, in modo da poter essere ricostruito in caso di crash catastrofico (disaster recovery).

Come nell’antica arte della norcineria…

Anche in questo campo non si butta nulla. I dati, ma anche i programmi e sistemi informatici utilizzati per la loro produzione e pubblicazione, possono essere riutilizzati per costruire ulteriori servizi per il pubblico, le Istituzioni e le imprese.

A partire dalle catene operative sopra descritte sono stati dunque messi in campo ulteriori servizi:

  • una catena modellistica per la valutazione delle ricadute di specifiche sorgenti di emissioni in atmosfera (camini industriali, strade, allevamenti, ecc.), basata sui campi meteo generati dalla catena operativa, via via archiviati, e costruita attorno al modello lagrangiano a particelle SPRAY (Arianet). Essa viene usualmente attivata per l’esecuzione di simulazioni su base annuale;
  • la produzione delle mappe regionali di valutazione della Qualità dell’Aria dell’anno precedente (assessment), realizzate con le medesime tecniche di data fusion applicate anche giornalmente e con un particolare focus ad alta risoluzione sull’area circostante la Ferriera di Servola;
  • la fornitura dei dati meteo e delle concentrazioni “di fondo” della Qualità dell’Aria, su un periodo a scelta (anche in questo caso, usualmente un anno), per i consulenti ambientali impegnati nella redazione degli Studi di Impatto Ambientale in ambito VIA;
  • un interfaccia web che consente di simulare rapidamente la dispersione di inquinanti originati da incendi (magazzini, opifici, depositi di idrocarburi).

Da ultimo, dopo tanto “silicio”, le “unità carbonio”

Presso il CRMA dell’Arpa FVG sono attualmente impiegate 7 persone, delle quali una assunta a tempo determinato nell’ambito del progetto LIFE 15 IPE IT 013 PREPAIR, dedicato alla gestione della Qualità dell’Aria integrata e coordinata nel Bacino Padano. Oltre alle attività descritte vengono assicurati: la tenuta e l’aggiornamento dell’Inventario Regionale delle Emissioni in Atmosfera (INEMAR), la gestione delle pagine web e la pubblicazione di news per l’ambito di competenza, servizi di elaborazione e pubblicazione dei dati della Rete di Rilevamento della Qualità dell’Aria e dei Sistemi di Monitoraggio delle Emissioni (SME). E’ in fase di studio e progettazione l’allargamento delle attività modellistiche agli ambiti delle acque sotterranee e marine.

 

Per accedere ai prodotti modellistici descritti nell’articolo visita il sito di Arpa FVG alla sezione dedicata

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