Luisella Ciancarella - ENEA Giuseppe Calori - ARIANET

1. Sviluppo di procedure on-line di source
apportionment in FARM
per le attività di supporto all'elaborazione ed
aggiornamento del Programma Nazionale di
Controllo dell’Inquinamento Atmosferico
VII giornata sulla modellistica in aria(net) - Milano, 30 gennaio 2020
L. Ciancarella, G. Calori, F. Uboldi

2. La nuova Direttiva NEC
• La nuova Direttiva NEC (National Emission Ceilings – 2016/2284), entrata in vigore nel dicembre 2016 e
recepita con D.Lgs. 81/2018, stabilisce impegni di riduzione delle emissioni di SO2, NOX, COVNM, NH3 e
PM2.5 per gli anni 2020 e 2030 rispetto all’anno base 2005 al fine di raggiungere livelli di qualità dell’aria che
non comportino significativi impatti negativi e rischi significativi per la salute umana e l’ambiente
• La NEC impone l’elaborazione, adozione e attuazione di programmi nazionali di controllo dell’inquinamento
atmosferico (NAPCP). Il primo piano deve essere comunicato alla Commissione Europea il 1 aprile 2019 e
deve essere aggiornato ogni 4 anni
• Il programma nazionale deve riflettere una maggiore coerenza tra riduzione delle emissioni e qualità dell’aria
ed essere teso ad un maggior coordinamento tra politiche di qualità dell’aria, energia e clima.
Soggetti
coinvolti
MATTM ISPRA ENEA
Responsabilità Supporto Tecnico
Coordinamento
Selezione misure
Elaborazione scenari
energetici (WM e
WAM)
Elaborazione scenari
emissivi e di qualità
dell’aria (WM e WAM)
COMPETENZE

3. Art. 4.
Elaborazione e adozione dei programmi nazionali di controllo dell’inquinamento atmosferico
…………………
5. Il programma nazionale contiene i seguenti elementi:
a) valutazione del contributo delle fonti di emissione nazionali in termini di impatto sulla qualità
dell’aria nel territorio nazionale e degli Stati membri limitrofi, utilizzando, se opportuno, i dati e le
metodologie del programma europeo di sorveglianza e valutazione denominato EMEP;
…………………………
Attuazione della direttiva (UE) 2016/2284 del Parlamento
europeo e del Consiglio, del 14 dicembre 2016, concernente
la riduzione delle emissioni nazionali di determinati inquinanti
atmosferici, che modifica la direttiva 2003/35/CE e
abroga la direttiva 2001/81/CE.

4. Quali misure ?
Modi diversi possono essere seguiti, per
esempio
• Uso di tool di ottimizzazione
• Processi decisionali con gli
Stakeholder
• Uso di modelli (BFM)
• ….
Alcuni case studies in Italia
La scelta delle misure non
riguarda solo “quale
strumento” o “come effettuare
una selezione” ma riguarda
anche il processo adottato: le
misure nazionali del PNCIA
sono state scelte da un Panel
di diversi Ministeri

5. Il nuovo AdC con il Ministero
RIGUARDA LO SVOLGIMENTO DI ATTIVITA’ CONNESSE ALL’ATTUAZIONE DELLA DIRETTIVA
NEC SUI TETTI ALLE EMISSIONI
Task 2.1 Sviluppo di un set di simulazioni nazionali di Source Apportionment per settore e
geografiche
Verranno effettuate simulazioni modellistiche per identificare i contributi alla qualità dell’aria delle
emissioni provenienti dalle diverse sorgenti emissive naturali ed antropiche (SA settoriale) e delle
diverse regioni italiane (SA spaziale).
…….
Allo scopo, verrà implementato nel SMA-MINNI un nuovo algoritmo di SA del tipo “tagged species”
per particolato, NO2 e O3 e testato a livello nazionale. L’implementazione avverrà tenendo conto
delle indicazioni di FAIRMODE, in particolare dei risultati del WG3 (Source Apportionment) a cui
ENEA partecipa attivamente.

6. • On-line SA, basato su traccianti reattivi
• Sommabilità
• Tempo di calcolo
• Specie di maggiore interesse: PM10, PM2.5, NO2, O3
• Scelta specie da apporzionare (PM: possibilità di effettuare SA solo su componenti di interesse)
• Numero di insiemi di sorgenti > n (…arbitrario)
• Contributi di IC e BC
• Principali processi descritti da FARM (operatori)
• Diversi meccanismi chimici in fase gassosa e moduli particolato
• Stesso eseguibile, con SA attivabile da .ini
• Manutenibilità del codice
• Parallelismo (OpenMP ed MPI)
• Griglie multiple… in seguito

7. L'evoluzione delle specie primarie e secondarie associato a ciascun insieme di sorgenti è seguito
tramite un insieme di traccianti reattivi (tag), che costituiscono una frazione delle concentrazioni
totali simulate dal modello (bulk)
Approccio seguito per CMAQ / ISAM:
Kwok R.H.F., Napelenok S.L., Baker K.R. (2013) Implementation and evaluation of PM2.5 source
contribution analysis in a photochemical model. Atmospheric Environment 80, 398‐407.
Evoluzione delle specie traccianti seguita il più possibile tramite gli stessi algoritmi utilizzati per le
specie bulk:
• massimizzazione della coerenza tra specie traccianti e bulk
• evitare l’inserimento di complessità ridondanti nel codice

8. • Avvezione-diffusione dei traccianti nelle tre direzioni spaziali: simulata mediante gli stessi
algoritmi già presenti nel codice
• Destino dei precursori attraverso le reazioni chimiche in fase gassosa: seguito attraverso un
solutore efficiente che ne determina la reattività incrementale (utilizzo della matrice Jacobiana
del vettore dei ratei netti di reazione, calcolata in corrispondenza della media tra le
concentrazioni bulk prima e dopo il solver gassoso)
• Contributi delle specie costituenti il particolato secondario a partire dai precursori gassosi:
determinati assumendo l’equilibrio termodinamico tra le due fasi
• Deposizioni dei traccianti mediante gli stessi algoritmi già presenti nel codice

9. Descrizione degli insiemi di sorgenti
Tramite file aggiuntivi in input al modello, per ciascun insieme scelto:
• emissioni orarie e speciate dei precursori
• sorgenti puntuali e sulla griglia di calcolo
Generazione
Utilizzo delle funzionalità di pre-processing già disponibili all’interno di FARM/BFM
(http://doc.aria-net.it/FarmBFM)
Generazione a partire dagli inventari disponibili in modo coerente con l’input del run di
riferimento con a bordo tutte le sorgenti, sollevando l’utente da operazioni manuali tediose
e minimizzando le possibilità di errore
Insiemi descrivibili come combinazioni arbitrarie di:
• categorie, in funzione di quanto utilizzato nell'inventario/i (GNFR in ambito
UNECE‐CLRTAP o SNAP in ambito EMEP‐EEA)
• unità territoriali, sulla base dell’articolazione disponibile nell’inventario
SA settoriale
SA spaziale
SA transfrontaliero+ tracciante condizioni al contorno

10. ==============================================================================
Source apportionment
==============================================================================
ORSA = yes (optional, default='no')
activation of On-line Reactive Source Apportionment (1 / 'yes'; 0 / 'no')
N_SOURCE_SETS = 4 (number of source sets)
SS_NAMES = 'heating traffic agriculture rest' names of source sets
input files containing diffuse emissions for each source set:
GRID1.SS1.DIFFEMI_FILE = inheatdiffemi.g1.20100101.nc
GRID1.SS2.DIFFEMI_FILE = intrafdiffemi.g1.20100101.nc
GRID1.SS3.DIFFEMI_FILE = inagridiffemi.g1.20100101.nc
GRID1.SS4.DIFFEMI_FILE = inrestdiffemi.g1.20100101.nc
input files containing point sources emissions for each source set:
GRID1.SS1.POINTEMI_FILE = inheatpointemi.g1.20100101.dat
GRID1.SS2.POINTEMI_FILE = intrafpointemi.g1.20100101.dat
GRID1.SS3.POINTEMI_FILE = inagripointemi.g1.20100101.dat
GRID1.SS4.POINTEMI_FILE = inrestpointemi.g1.20100101.dat
APP_SPECIES = 'NO2' names of apportioned species
APP_SPECIES_OUT_DIM = 2 (optional, default = 2) output type for contributions from source sets (2 = 2D / 3 = 3D)
output files containing concentrations contributions from source sets:
GRID1.IC.CONC_FILE = outconc.g1.20100101.ic.nc
GRID1.BC.CONC_FILE = outconc.g1.20100101.bc.nc
GRID1.SS1.CONC_FILE = outconc.g1.20100101.heat.nc
GRID1.SS2.CONC_FILE = outconc.g1.20100101.traf.nc
GRID1.SS3.CONC_FILE = outconc.g1.20100101.agri.nc
GRID1.SS4.CONC_FILE = outconc.g1.20100101.rest.nc

11. Meccanismo chimico gassoso: SAPRC99
Caso applicativo: Lombardia, 4km risoluzione
Concentrazioni totali NO2

12. IC BC Traffico stradale
Riscaldamento Agricoltura Altre sorgenti

13.  Input insiemi di sorgenti
 Avvezione-diffusione
 Chimica in fase gassosa (SAPRC99, SMOG)
 Gestione ed output dei contributi
 Primi test
 Particolato (aero3)
 Deposizioni
 Test estesi (vs. BFM e receptor model per PM)
 Consegna ed approvazione all'interno dell'Accordo con MATTM
 Distribuzione (HPC-Forge CINECA)