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Metalli pesanti e POPs: simulazioni per l’anno 2005
G. Calori, M. Costa, P. Radice, C. Silibello, M. Mircea
MINNI (Modello Integrato Nazionale per la Qualità dell’Aria) Plenaria 23-24 Marzo 2011, ENEA, Bologna
Verso …FARM
“OpenSource”
Main features and developments:
Emission of pollutants from area and point sources, with plume rise calculation and mass assignment to vertical grid cells
3D dispersion by advection and turbulent diffusion
Transformation of chemical species by gas-phase chemistry, with flexible mechanism configuration (SAPRC-99, POPs-Hg) through KPP pre-processor (KPP, Kinetic Pre-Processor: Damian et al, 2002; Sandu et al., 2003; Daescu et al. 200).
Treatment of PM10 and PM2.5 (aero0 inorganic equilibrium module, aero3 modal aerosol module)
Dry removal of pollutants dependent on local meteorology and land-use
Removal through precipitation scavenging processes
One- and two-way nesting on arbitrary number of grids
Treatment of additional inert tracers
Parallel processing using OpenMP paradigm
Inclusion of data assimilation techniques
Online calculation of photolysis rates using TUV model (Tropospheric Ultraviolet and Visible radiation model; Madronich et al, 1989)
Inclusion of map factors and different coordinate systems
SW management and code optimization
• MPI parallelization (to be done)
Flexible Air quality Regional Model (FARM)http://air-climate.eionet.europa.eu/databases/MDS/
Esigenze: Portabilità del codice su più piattaforme e su compilatori differenti; Controllo delle risorse a disposizione per una corretta configurazione del processo
di compilazione ed installazione del software; Distribuzione di un semplice pacchetto contenente i sorgenti e gli script necessari
per la semplice compilazione ed installazione del SW.
Soluzione: Gnu Autotools
semplificano il processo di compilazione, installazione ed aiutano a scrivere il codice sorgente maggiormente portabile (in gran parte) in modo automatico;
Creazione semplificata dello script configure. Lo script configure testa le caratteristiche del sistema (compilatori, endian, librerie, ecc) e crea un appropriato Makefile;
Il Makefile automatizza la compilazione dei sorgenti, l'installazione nelle appropriate directory e l'eventuale test di funzionalità degli eseguibili creati.
“Pacchettizzazione” di FARM
Benefici: Porting su più piattaforme (Linux, AIX, Windows with Cygwin, Windows); Porting completo sui principali compilatori (GNU, PGI e INTEL e IBM); Differenti modalità di compilazione (Debug, Release, Optimized); Controllo e ricerca automatica delle dipendenze (librerie netCDF, MKL,OpenMP).
Possibilità di creare 12 eseguibili differenti: Differenti meccanismi chimici (POPS-Hg, saprc99f); Differenti meccanismi di aerosol (aero0, aero3, aero0_POPS-Hg); Due risolutori (Rosenbrock, kpp_lsode); Compilazione seriale o parallela (OpenMP).
Semplicità di utilizzo: ./configure -with-chemmech=saprc99f –with-aeromech=aero3 --enable-omp=yes make make install
Semplicità di creazione del pacchetto da distribuire: make dist (tar.gz)
Controllo automatico della consistenza del pacchetto: make distcheck
“Pacchettizzazione” di FARM
OpenMP: Parallelizzato circa il 94% del codice (profililing); SpeedUp reale in linea con lo SpeedUp Teorico; Ottima scalabilità fino a 24 core (su sistemi a memoria condivisa)-
Parallelizzazione di FARM
ove: Fp = % del tempo parallelo, n = numero di core, Ts = Tempo di esecuzione del codice seriale, Tp = Tempo di esecuzione del codice parallelo
0 10 20 30 40 50 60
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Confronto fra Speedup teorico ed effettivo
effettivoteorico
n. core
Sp
ee
du
p
n
F)F1(
1
T
TSpeedup
pp
S
S
FARM è stato inserito in una infrastruttura di sviluppo nella quale è possibile accedere ad un “repository” centralizzato, pianificare le varie attività di sviluppo, risolvere i bug, rendere disponibile le varie versioni e verificare automaticamente la funzionalità dell'intero pacchetto.
L'infrastruttura è composta da 4 principali strumenti interagenti fra loro:
Trac: Project management and bug/issue tracking systemAiuta la collaborazione fra il team di sviluppatori a scrivere un buon software nell'intero
processo di sviluppo del codice. Mediante Trac è possibile monitorare lo stato di avanzamento, la risoluzione dei bug, i compiti di ogni singolo sviluppatore ecc...
SVN (Centralized Version Control System)
WebDAV (Generic content repository)Repository documentale delle varie versioni rilasciate nel tempo.
Hudson: Extensible Continuous Integration serverOgni qualvolta il codice sorgente viene modificato nel repository SVN, verifica in
automatico la compilazione del pacchetto con le varie configurazioni possibili, verifica il programma utilizzando vari casi test e segnala eventuali errori riscontrati.
Infrastruttura di sviluppo FARM
Infrastruttura di sviluppo FARM
(https://hpc-forge.cineca.it/)
Infrastruttura di sviluppo FARM
(https://hpc-forge.cineca.it/files/Farm/public/)
Implementazione parallela con MPI: In fase di sviluppo; Maggiore scalabilità su sistemi a memoria distribuita; Possibilità di aumentare il numero dei punti griglia (aumento della risoluzione
spaziale).
Integrazione parallela MPI + OpenMP: In fase di studio.
Futuri sviluppi di FARM
POPs processes in the atmosphere
• Advection transport and turbulent diffusion
• Partitioning between the gaseous and particulate phase
• Wet and dry deposition (gaseous and particulate phase) to the underlying surfaces
• Degradation
Degradation
From: Gusev, A., Mantseva, E., Shatalov, V., Strukov, B. (2005). Regional Multicompartment Model MSCE-POP. EMEP/MSC-E Technical Report 5/2005.
Attività svolte
1. È stata aggiornata la versione del modello FARM che implementa il meccanismo chimico per il trattamento dei POPs nei seguenti punti: i singoli congeneri sono presenti sia nella fase gassosa che in quella
particellare: nella versione precedente i diversi congeneri, nella fase particellare, erano aggregati in un unico composto. In questo modo viene calcolato più correttamente il partizionamento nelle due fasi dei diversi composti. Possibilità di calcolare le concentrazioni delle diossine e dei furani in tossicità equivalente anche per la fase particellare (sia per le concentrazioni che per i flussi di deposizione).
inclusione dei processi di absorbimento (non trascurabile).
2. È stata effettuata una prima simulazione sul territorio nazionale;
3. È iniziata l’elaborazione dei files forniti da MSC-E.
Aggiornamento del modello FARM (POPs-Hg)
ADSORPTIONJunge-Pankow
model(dominates when TSP is mainly of mineral origin)
ABSORPTIONOctanol-air partitioning
(dominates when TSP contains organic
material)
The gas-particle partitioning coefficient KP [m3 g-1] is defined as follows:
KP = CP / (CG · TSP)
where TSP is the concentration of suspended particulate material [g m-3], CP and CG respectively the particulate-associated and gaseous concentration of a given semi-volatile organic chemical (SOC) [ng m-3].
Gas/particle partitioning
PAH partitioning between the gaseous and particulate phase is performed using the Junge-Pankow model [Junge, 1977; Pankow, 1987].
The PAH fraction adsorbed on tropospheric aerosol particles equals to:
ADS = CP / (CG + CP)= c· / (pOL + c·)
where:
• c is the constant depending on the thermodynamic parameters of the adsorption process and on the properties of aerosol particle surface; it is assumed c=0.17 Pa·m [Junge, 1977] for background aerosol;
• θ is the specific surface of aerosol particles, m2/m3;
• pOL is the subcooled liquid vapour pressure (Pa).
POPs processesGas/particle partitioning/adsorption
Pankow [1994] has proposed that absorption of gas-phase compounds into an organic film coating particles gives an important contribution to the overall particle-gas partitioning processes.
The octanol-air partition coefficient KOA is a valuable direct descriptor of SOCs volatility. The relation of KP to KOA is (Finizio et al., 1997):
KP 10-9 KOA fom / OCT
where fom is the fraction of the particle mass that consist of absorbing organic matter and OCT is the density of octanol (820 kg m-3).
The fraction absorbed on tropospheric aerosol particles is given by:
ABS = CP / (CG + CP)= KP · TSP / (1 + KP · TSP)
POPs processesGas/particle partitioning/absorption
Caratteristiche della simulazione:
• anno 2005
• emissioni solo da sorgenti nazionali
• condizioni al contorno nulle
Run preliminare metalli pesanti e POPs
Input emissivo MINNI2005Metalli, IPA, Diossine e
Furani
Metalli (kg)Fonte: inventario ISPRA2005, scala provinciale
Arsenico Cadmio Cromo Mercurio Nichel Piombo Rame Selenio Zinco01-Produzione energia e trasform. combustibili 4133 169 20405 1099 20437 3918 6160 3624 595202-Combustione non industriale 765 2944 4448 2478 61891 40596 5955 69 3006903-Combustione nell'industria 34463 3276 16777 3355 14535 141681 26120 6534 21669104-Processi produttivi 277 1524 10892 3354 4427 74178 7050 918 61353407-Trasporto su strada 363 1815 2541 61714 363 3630208-Altre sorgenti mobili e macchinari 108 20 81 3839 1401 609 321 71809-Trattamento e smaltimento rifiuti 29 156 318 152 1021 3832 414 3 2107Totale complessivo 39775 8451 54736 10437 108692 265607 108022 11833 905373
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
09-Trattamento e smaltimento rifiuti
08-Altre sorgenti mobili e macchinari
07-Trasporto su strada
04-Processi produttivi
03-Combustione nell'industria
02-Combustione non industriale
01-Produzione energia e trasform. combustibili
Metalli (kg)Confronto totali : ISPRA2005 vs EMEP 2005
Grazie alle informazioni provenienti dal database EMEP sarà possibile assegnare correttamente la parte gassosa e quella “elementare “ alle emissioni di mercurio
As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Se ZnISPRA2005 39775 8451 54736 108022 10437 108692 265607 11833 905373EMEP2005 39836 8460 59345 207984 10391 111015 265733 12094 947501
Hg_zero 6442Hg_2+ 3013Hg_P 935
IPA (kg)Fonte: inventario ISPRA2005, scala provinciale
IPA01-Produzione energia e trasform. combustibili 470.602-Combustione non industriale 48680.803-Combustione nell'industria 2273.004-Processi produttivi 43798.606-Uso di solventi 11.307-Trasporto su strada 2677.708-Altre sorgenti mobili e macchinari 335.409-Trattamento e smaltimento rifiuti 33895.7Totale complessivo 132143.0
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
IPA
09-Trattamento e smaltimento rifiuti
08-Altre sorgenti mobili e macchinari
07-Trasporto su strada
06-Uso di solventi
04-Processi produttivi
03-Combustione nell'industria
02-Combustione non industriale
01-Produzione energia e trasform. combustibili
Speciazione IPA
1° problema: quali sono gli IPA considerati?
dalle comunicazioni con si ipotizza che questi siano gli IPA considerati nell’inventario APAT.
• indeno[123-cd]pyrene (I_P)
• benzo[k]fluoranthene (B[k]F),
• benzo[a]pyrene (B[a]P)
• benzo[b]fluoranthene (B[b]F),
2° problema: come definire i profili di emissione per tipologia di sorgente?
Fonti principali usate per questo run.
• Emission Inventory Guidebook (2009), usato per i profili delle emissioni da sorgenti di tipo industriale, da combustione residenziali, di altri trasporti ed incendi;
• Chemistry of the Upper and Lower Atmosphere, Pitts (1999), da cui sono state prese informazioni più generiche, basate cioè sulla presenza dei diversi composti in atmosfera in area urbana; questi dati sono stati utilizzata in mancanza di ulteriori informazioni, per l’incenerimento dei rifiuti;
• COPERT III, usato per le emissioni da traffico.
Sviluppi:
• Grazie ai dati EMEP ora in nostro possesso si ipotizza una migliore conoscenza ed un raffinamento dei profili utilizzati.
Speciazione IPAConfronto totali (anno 2005): ISPRA vs EMEP vs TNO
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
TNO 2005 ISPRA2005 EMEP2005
KG/A
NN
O Indeno
BkF
BbF
BaP
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
TNO 2005 ISPRA2005 EMEP2005
Indeno
BkF
BbF
BaP
Diossine e Furani (g-teq)Fonte: inventario ISPRA2005, scala provinciale
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Diossine e furani
11-Altre sorgenti e assorbimenti
09-Trattamento e smaltimento rifiuti
07-Trasporto su strada
04-Processi produttivi
03-Combustione nell'industria
02-Combustione non industriale
01-Produzione energia e trasform. combustibili
Diossine e furani01-Produzione energia e trasform. combustibili 14.7302-Combustione non industriale 41.8403-Combustione nell'industria 116.2504-Processi produttivi 78.5907-Trasporto su strada 2.5709-Trattamento e smaltimento rifiuti 39.5911-Altre sorgenti e assorbimenti 0.45Totale complessivo 294.03
Speciazione diossine-furani
1° problema: quali sono le diossine ed i furani considerati?
Meno facile rispetto a quanto fatto per gli IPA;in base ai dati disponibili si è valutato di volta in volta il da farsi .
2° problema: come definire i profili di emissione per tipologia di sorgente?
Fonti principali.
• Istituto Superiore di Sanità;
• EPA;
• Sources and Fates of Polychlorinated Dibenzo-p-dioxins, Dibenzofurans and Biphenyls: The Budget and Source Inventory Approach - Stuart J.Harrad
• Fingerprints of dioxin from thermal industrial processes - A. Buekens, E. Cornelis, H. Huang, T. Dewettinck (2000);
• Dioxins emissions from bushfires in Australia - Technical report No. 1;
• COPERT III, usato per le emissioni da traffico.
Sviluppi:
• Grazie ai dati EMEP ora in nostro possesso si ipotizza una migliore conoscenza ed un raffinamento dei profili utilizzati.
Primi risultati simulazioni(anno di riferimento 2005)
PbConfronto concentrazioni medie annuali (2005)
EMEP-MSC-E FARM
EMEP (2008) MINNI (2005)
Concentrazioni medie annuali di Cd in aria
EMEP (2008) MINNI (2005)
Concentrazioni medie annuali di Hg in aria
EMEP (2008) MINNI (2005)
Concentrazioni medie annuali di B[a]P in aria
EMEP (2008) MINNI (2005)
Concentrazioni medie annuali di diossine e furani in aria
Misure (BRACE) vs stime modellistiche ?!? Pb
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
0.012
0.014
0.016
0.018
0.020
BO
CC
AD
IFA
LCO
(Pa)
GIU
LIO C
ES
AR
E(P
a)
IND
IPE
ND
EN
ZA
(Pa)
DI B
LAS
I (Pa)
µg
/m³
BRACE FARM
B[a]P
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
P.zza
PLO
UV
ES
(Ao)
µg
/m³
BRACE FARM
IPA
0.000
0.050
0.100
0.150
0.200
0.250
AC
QU
ED
OT
TO
(Sr)
BIX
IO (S
r)
TE
RA
CA
TI
(Sr)
ng
/m³
BRACE FARM*10
Elaborazione files MSC-EBinary to NetCDF (IC/BC),
concentrazioni medie annuali
B[b]F
Griglia EMEP ritagliata
Griglia FARM per MINNI
B[b]F
Attività da effettuare
1. Armonizzazione degli inventari ISPRA, EMEP e TNO. Eventuali approfondimenti sui profili di speciazione dei POPs;
2. Preparazione delle IC/BC utilizzando i campi 3D esaorari forniti da EMEP MSC-E, Integrazione con gli analoghi campi forniti da MSC-W relativamente ai macrainquinanti (sia per le IC/BC che per i campi di background);
3. Esecuzione del run 2005 “definitivo”;
4. Ricerca di ulteriori informazioni sperimentali (concentrazioni in aria / deposizioni) per una migliore valutazione delle prestazioni del sistema modellistico.
Primi confronti -
TNO vs ISPRA(anno di riferimento 2000)
PAHs Inventories Comparison
(kg/year, reference year 2000)
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
180000
ISPRA TNO
kg/y
ear
7_WAS
6_NRT
5_ROT
4_SPU
3_IND
2_RCO
1_PHP
ISPRA TNO 1_PHP 694 6632_RCO 44201 1398983_IND 42518 147204_SPU 11 10105_ROT 1967 184866_NRT 371 1737_WAS 29526 0
TOT 119289 174950
PAHs Inventories Comparison
(kg/year, reference year 2000)
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
180000
ISPRA TNO
kg/y
ear Indeno
BkF
BbF
BaP
ISPRA TNO BaP 53393 53145BbF 27449 63830BkF 10893 20483
Indeno 27555 37492
PAHs 119290 174950
PAHs Inventories Comparison
(kg/year, reference year 2000)
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
ISPRA TNO ISPRA TNO ISPRA TNO ISPRA TNO
BaP BbF BkF Indeno
kg/y
ear
7_WAS
6_NRT
5_ROT
4_SPU
3_IND
2_RCO
1_PHP
PAHs Inventories Comparison
(kg/year, reference year 2000)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
1_PHP 2_RCO 3_IND 4_SPU 5_ROT 6_NRT 7_WAS
kg/y
ear
ISPRA 2000
Indeno
BkF
BbF
BaP
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
1_PHP 2_RCO 3_IND 4_SPU 5_ROT 6_NRT 7_WAS
kg/y
ear
TNO 2000
Indeno
BkF
BbF
BaP
Pb
Griglia EMEP ritagliata
Griglia FARM per MINNI
Pb