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Università degli Studi di Napoli “Federico II”
Dipartimento di Ingegneria Industriale
Scuola di dottorato in“Ingegneria aerospaziale, navale e della qualità”
XXVI Ciclo
Weather predictions at high spatial resolutionfor a volcanic ash cloud tracking system
5 Maggio 2014
Coordinatore Prof. Luigi de LucaTutor Prof. Vincenzo Della Corte Prof. Angelo Riccio
Studentedott. Giuseppe Agrillo
Previsioni meteo ad alta risoluzione
Previsioni di qualità dell’aria
Dispersione delle particelle: ACT (Ash Cloud Tracking)
Applicazione Stromboli – eruzione del 2013-01-12 Mt. Etna - eruzione del 2013-12-14,15,16
Indice
Centro avanzato di previsione e monitoraggio ambientale
Catene modellistiche operazionali ◦ NOAA/GFS-WRF (previsioni meteo)◦ Modelli accoppiati al WRF
CHIMERE (qualità dell’aria) WW3 (stato del mare) CALMET (venti alta risoluzione) CALPUFF (trasporto di particelle da sorgenti attive)
Rete di monitoraggio ambientale◦ Radar meteo (piovosità)◦ Radar costiero (correnti superficiali)◦ Centraline meteorologiche (stato dell’atmosfera)◦ Ondametri (altezza e periodo delle onde)
Il progetto CCMMMA
12 nodi 144 core 2.67GHz
288 GB di memoria RAM
26 TB
Network InfiniBand a bassa
latenza
Linux CentOS
Beowulf framework
Compilatori gcc/pgi
Il progetto CCMMMA
Campi di vento ad alta risoluzione spaziale◦ Limiti fisici del modello WRF e computazionali ◦ WRF-CALMET (interpolazione diagnostica)◦ Mesh con risoluzione di 500, 250 e 100 metri
Il progetto CCMMMA
Golfo di Napoli:Campo di vento, mesh a 500 metri
Sistema di previsione per il trasporto e la dispersione di sostanze in atmosfera
◦ Trasporto del particolato atmosferico
◦ CALPUFF System (CALMET, CALPUFF, CALPOST): trasporto e dispersione di materiale emesso da sorgenti attive simulando la dispersione e i processi di trasformazione lungo il percorso
◦ Catena modellistica WRF-CALMET-CALPUFF Dispersione delle polveri vulcaniche
(ACT) Supporto alla gestione e alla sicurezza
del traffico aereo
Dispersione delle particelle
Rischio per la sicurezza del volo ◦ breve termine
Danni immediati alle strutture dell’aereo Alterazione e blocco dei sensori di bordo Contaminazione dell’aria in cabina
◦ Lungo termine Erosione delle componenti meccaniche ed
elettroniche Contaminazione dei sistemi di ventilazione
e pressurizzazione Degrado delle piste degli aeroporti
VAACs (Volcanic Ash Advisor Centers)
Le polveri vulcaniche: sicurezza aerea
Terzo anno 2013-2014
Secondo anno 2012-2013
Timeline
CALPUFF: Eruzione Stromboli Gennaio 2013;Analisi dell’evento e parametrizzazione della sorgente emissiva;Ottimizzazione del work-flow.
KML Engine
CALPUFF: Eruzione Etna Dicembre 2013;Analisi di sensibilità (Tuning EXITVEL/STACKD).KML ENGINE : Estrazione, creazione e visualizzazione della distribuzione della nube di cenere vulcanica
Primo anno 2011-2012
WRF: previsioni meteorologiche ad alta Risoluzione spazio-temporaleCALMET: Campi di vento ad alta risoluzione
12-Gen-2013 inizio fase eruttiva piroclastica
Produzione di una densa nube di materiale litico
Coordinate: 38.789°N, 15.213°E
924 m sopra il livello del mare, la base si trova a 2000 m sotto il livello del mare
I crateri sommitali si trovano ad una quota di 750 m
Superficie totale: 12.6 chilometri quadrati (isola di Stromboli)
Le polveri vulcaniche:Eruzione dello Stromboli
[...] Alle 11.10 UTC la vista della Sciara è stata completamente oscurata per circa 20 min da una densa nube di vapore carico di particelle che risaliva a folate il versante. L’intensa emissione di vapore ha prodotto una nuvola carica di particelle litiche di inusuale grandezza che si è sviluppata sopra la sommità del vulcano. […]» Rep. N° 03/2013 – INGV
http://www.pa.ingv.it/Eruzioni/Stromboli/attivita_stromboli.php
Parametrizzazione della catena modellistica ACT: Ash Cloud Tracking System
Le polveri vulcaniche: Eruzione dello Stromboli
NX=100NY=100IUTM=33IMISS=55XREF=513.0YREF=4288.0GRIDKM=0.100
wrf3_d02_20130112Z00
Parametrizzazione della catena modellistica ACT: Ash Cloud Tracking System
Le polveri vulcaniche: Eruzione dello Stromboli
OUTPUTConcentrazione oraria e flussi di deposizione
X = 518.00,4293.84,10.0, 0.0, 2.0, 2.0,400.0, 0.0, 1.00E-04
NX=100NY=100IUTM=33IMISS=55XREF=513.0YREF=4288.0GRIDKM=0.100
wrf3_d02_20130112Z00
natural-color satellite imageStromboli, volcanic plumeJanuary 13, 2011http://earthobservatory.nasa.gov
I risultati sono coerenti con l’evoluzione tipica del fenomeno in condizioni meteorologiche simili
Stratovulcano: Eruzioni di tipo
stromboliane con fasi eruttive effusive e
piroclastiche.
Coordinate: 37°45.3’N 14°59.7’E
Elevazione: 3350 m
INGV Rap 51/2013 (data emissione 17/12)
Inizio evento 12/14
Fine evento 12/16
Emissione di ceneri vulcaniche
Formazione del pennacchio (plume)
ETNA Eruzione del 2013-12-14,15,16
Le condizioni standard del CALPUFF sono state modificate in modo da tener conto delle caratteristiche peculiari di un evento eruttivo
Distribuzione granulometrica delle polveri Temperatura dei fumi Raggio della bocca eruttiva (STACKD) velocità di flusso di uscita (EXITVEL) frazione di massa di vapore
I valori di EXITVEL e STACKD sono statti variati secondo dati raccolti da misure sul campo e rapporti INGV per ogni giorno di simulazione producendo un totale di 27 simulazioni.
ETNA Eruzione del 2013-12-14,15,16
EXITVEL
STACKD
20 2
20 5
20 7
40 2
40 5
40 7
80 2
80 5
80 7
ETNA Eruzione del 2013-12-14,15,16
KML Engine
ETNA Eruzione del 2013-12-14,15,16
KML Engine
ETNA Eruzione del 2013-12-14,15,16
KML Engine
ETNA Eruzione del 2013-12-14,15,16
KML Engine
ETNA Eruzione del 2013-12-14,15,16
KML Engine
Integrazione in sistemi di Early warning◦ Previsione della distribuzione della nube di
polveri◦ Aumento dei fattori di sicurezza◦ Contenimento delle perdite economiche
Valutazione del rischio delle ceneri vulcaniche nell’area del mediterraneo centrale
Supporto alle decisioni per la gestione del traffico aereo◦ Spazi aerei sicuri;◦ Rotte a minore grado di pericolosità;◦ Campionamenti in-situ.
Applicazioni aereonautiche
EVENTI◦ Workshop, “International Workshop on flash flood and debris flow
risk management in Mediterranean areas” - 26/01/2012
◦ Workshop, Nuove prospettive e tecnologie per il calcolo (E4 Computer Engineering, Bologna, 13-14 Settembre 2012)
◦ V Convegno Nazionale sul Particolato Atmosferico (PM2012, Perugia, 16-18 Maggio 2012)
◦ Introduction to Fortran90 (CINECA, Roma, 22-25 Gennaio 2013)
◦ 3th European Postgraduate Sustainable Development Symposium (Napoli, UniParthenope, 13-15 Febbraio 2013)
◦ Esercitazione SQUALO 2013
◦ Convegno “Energie Rinnovabili ed Efficienza Energetica” 17/05/2013
◦ TBIZ 2013 - Smart University: forecast weather service and "OpenData" applications to share weather and oceanographic content, 28-29/11/2013
◦ Workshop, UCS Test Drive - Two-Day Session Delivers Overview of Cisco UCS - Roma, 13-14 Marzo 2014
Attività svolte
Agrillo Giuseppe, Riccio Angelo, Chianese Elena, Tirimberio Giuseppina, Monaco Dario - �Sistema di previsioni per la qualità dell’aria: Modellistica operazionale ad alta risoluzione per il calcolo dell’AOD per il bacino del mediterraneo centrale - PM2014
Agrillo Giuseppe, Riccio Angelo, Chianese Elena, Tirimberio Giuseppina, Monaco Dario - Sistema on-demand ad alta risoluzione spaziale per la previsione della �distribuzione e deposizione dei fumi emessi da incendi sulla regione Campania - PM2014
Riccio, E. Chianese, G. Agrillo, C. Esposito, L. Ferrara, G. Tirimberio - Source apportion of atmospheric particulate matter: A joint Eulerian/Lagrangian approach - Environmental Science & Pollution Research - Nov. 2013
G. Agrillo, E. Chianese, A. Riccio, A. Zinzi - Modeling and characterization of air pollution: perspectives and recent developments with a focus on the Campania region (Southern Italy) - International Journal of Environmental Research 909-916,Autumn 2013 ISSN: 1735-68652013
A. Riccio, G. Agrillo, A. Zinzi, R. Montella, R. Di Lauro - CCMMMA: servizi di modellistica ambientale per la previsione meteorologica e di qualità dell'aria ad alta risoluzione spaziale - PM2012 – V Convegno Nazionale sul particolato Atmosferico - 16-18 Mag. 2012
Contributi scientifici (U-GOV)
Volcanic ash impacts on critical infrastructure - Thomas M. Wilson. et al. - Physics and Chemistry of the Earth 45–46 (2012) 5–23
Encounters of Aircraft with Volcanic Ash Clouds: A Compilation of Known Incidents 1953–2009 - Marianne Guffanti, et al. - USGS
Flight Safety and Volcanic Ash – Doc 9974, ICAO 2012 IV meeting of the international volcanic ash task force (IVATF/4)
– Final report (Montréal, Canada, 13 to 15 June 2012) Atmospheric Chemistry and Physics 2nd ed - J. Seinfeld, S.
Pandis (Wiley, 2006) Mesoscale Meteorological Modeling - Roger A. Pielke (AP 2002
693s) William C. Skamarock et Al - A Description of the Advanced
Research WRF Version 3 - NCAR/TN–475+STR , ARW Tech Note June 2008
WRF-ARW V3: User’s Guide - This document is complementary to the ARW Tech Note - July 2012
S. Shire, R.Robe, E. Fernau, J.Yamartino - Calmet UserGuide - Earth Tech Inc. 2000
Ken Dean et Al. - PUFF: A high-resolution volcanic ash tracking model - Journal of Volcanology and Geothermal Research 80 (1998) 1-16
S. Shire, R.Robe, E. Fernau, J.Yamartino - A User’s Guide for the CALPUFF Dispertion Model - Earth Tech Inc. 2000
Applications of the PUFF model to forecasts of volcanic clouds dispersal from Etna and Vesuvio - P.Daniele, et. al.- Computers & Geosciences 35 (2009) 1035–1049
The VOL-CALPUFF model for atmospheric ash dispersal: Approach and physical formulation - S. Barsotti, A. Neri and J. S. Scire - JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 113
MAFALDA: An early warning modeling tool to forecast volcanic ash dispersal and deposition - S. Barsotti, L. Nannipieri, and A. Neri – Geochemistry Geophysics Geosystems, Volume 9, Number 12
Volcanic hazard at Vesuvius: An analysis for the revision of the current emergency plan - G. Rolandi - Journal of Volcanology and Geothermal Research 189 (2010) 347–362
Bibliografia
Recommended