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Modellistica

Modellistica Meteorologica

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I modelli meteorologici sono uno strumento essenziale per comprendere e prevedere la dinamica atmosferica. La loro attendibilità è migliorata negli ultimi anni specialmente con l’uso dei modelli ad alta risoluzione. Una buona previsione è un supporto essenziale a livello decisionale per la diramazione tempestiva delle allerta da parte della Protezione Civile in caso di rischio idrogeologico per precipitazioni abbondanti. In questo contesto è importante la scelta del modello da utilizzare: esso deve permettere, in base alla parametrizzazione della microfisica delle nubi, della modellizzazione del suolo e dello strato limite planetario di rappresentare al meglio i processi fisici che intervengono nella formazione della precipitazione ad alta risoluzione. Un codice siffatto può rivelarsi uno strumento molto efficace a riprodurre le caratteristiche meteorologiche dell’area geografica di interesse fornendo previsioni accurate.

A tal proposito il CETEMPS ha adattato al territorio italiano il modello meteorologico ad area limitata WRF-ARW che è stato sviluppato in collaborazione tra il National Center for Atmospheric Research (NCAR), il National Oceanic and Atmospheric Administration (rappresentato dal National Centers for Environmental Prediction (NCEP) ed il Forecast Systems Laboratory (FSL)), la Air Force Weather Agency (AFWA), il Naval Research Laboratory, la University of Oklahoma, e la Federal Aviation Administration (FAA) ed è costantemente aggiornato dal NCAR e dai suoi utenti. Il CETEMPS effettua giornalmente due corse di previsioni meteorologiche sull’Italia con una risoluzione di 3 km fornendo supporto tecnico al Dipartimento di Protezione Civile della Regione Abruzzo. Una corsa viene operata assimilando i dati del Radar di Monte Midia: il CETEMPS é uno dei pochi centri in Italia ad operare l’assimilazione variazionale del dato Radar operativamente.
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Modellistica Climatica

cambiamenti-climaNell’ambito di questa linea di ricerca, il CETEMPS porta avanti un lavoro basato sull’analisi di serie storiche di dati, sperimentali e di rianalisi, e sui risultati di simulazioni modellistiche a scala globale e regionale, ottenuti con modelli climatici operativi presso il centro (CAM3/NCAR e RegCM).

 

Modellistica Idrologica

idrologiaI modelli idrologici simulano il deflusso della rete drenante di un bacino o di un sistema di bacini, a risoluzioni spaziali elevate, tipicamente, nell’ordine delle centinaia di metri, a seconda della morfologia del territorio. In essi vengono descritti matematicamente alcuni processi fondamentali del bilancio idrologico, quali ad esempio: deflusso superficiale, infiltrazione, evapotraspirazione, scioglimento del manto nevoso.
CHyM (CETEMPS Hydrological Model) è un modello idrologico deterministico, grid-based distribuito, sviluppato a partire dal 2002 dal Dott. Marco Verdecchia ed il suo team.

Una delle caratteristiche principali del modello CHyM è l’implementazione di automi cellulari (CA), algoritmi utilizzati per la ricostruzione della rete drenante del dominio considerato e del campo di pioggia ottenuto assimilando dati di precipitazione eterogenei (dati pluviometrici, stime radar e satellitari e previsioni meteorologiche o climatiche). E’ scritto utilizzando il linguaggio FORTRAN ed il codice sorgente è fornito dagli autori, gratuitamente, a tutte le istituzioni no-profit per qualsiasi tipo di applicazione scientifica. Per quanto riguarda l’applicazione specifica del modello CHyM, esso è in grado di simulare il ciclo idrologico su qualsiasi dominio geografico a qualsiasi risoluzione sia spaziale che temporale. Allo stato attuale il Modello CHyM è utilizzato per fini di protezione civile e simulazioni di eventi di piena, per simulazioni climatiche e studi di impatto su altri sistemi collegati alla presenza di un fiume (ecologia fluviale, sfruttamento energetico, trasporto di inquinanti).
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Modellistica Chimica Atmosferica

qualita_ariaLa comunità scientifica internazionale ha raggiunto un largo consenso nell’attribuire ai prodotti di scarto delle attività umane gran parte della responsabilità per i cambiamenti climatici e per il degrado della qualità dell’aria osservati negli ultimi due secoli (IPCC, 2007; EEA, 2007). Le due questioni sono strettamente connesse, poiché entrambe hanno a che fare con l’evoluzione della composizione chimica dell’atmosfera. Negli ultimi decenni si sono sviluppate tecniche di osservazione sia da terra, che da piattaforma aerea, che da satellite per l’osservazione sempre più accurata della composizione atmosferica. Con l’avanzare della comprensione della composizione e dei processi fisici e chimici legati alla sua evoluzione, si sono sviluppati anche modelli numerici sempre più complessi, che permettono di simulare e di prevedere la concentrazione dei composti di interesse sia su scala globale che su scala locale e che forniscono un utile strumento di interpretazione delle osservazioni.

L’ozono e gli aerosol costituiscono un ponte di congiunzione tra il problema dei cambiamenti climatici e quello della qualità dell’aria che respiriamo. L’ozono si forma in atmosfera per via fotochimica (è un composto secondario, ovvero non direttamente emesso da sorgenti specifiche come i composti primari). In stratosfera (>12 km altezza) esso si forma in seguito alla fotolisi dell’O2 a spese della radiazione solare e costituisce così uno strato permanente che scherma l’atmosfera sottostante da gran parte della radiazione ultravioletta, cosa che ha permesso lo sviluppo della vita così come la conosciamo (ozono “buono”). Più in basso, in troposfera (dal suolo fino alla stratosfera), l’ozono si forma per via fotochimica, soprattutto sottovento a zone con forti sorgenti di ossidi di azoto (NOx) e composti organici volatili (COV) e in presenza di umidità ed insolazione elevate e stagnazione delle masse d’aria. In alte concentrazioni (> 90 ppb) l’ozono può diventare tossico per esposizioni prolungate e causare danni all’apparato respiratorio (ozono “cattivo”). Poiché il 90% delle emissioni di NOx in atmosfera sono dovute alle attività umane (tutti i processi di combustione) è ad esse che, insieme anche a significative emissioni di CO e COV, si attribuisce l’aumento dell’ozono troposferico dall’era preindustriale. Gli aerosol (particolato atmosferico) sono emessi direttamente in atmosfera da numerose sorgenti sia naturali che antropiche (es. deserti, oceani, traffico, industrie, ecc.) sia si formano per via secondaria da reazioni fotochimiche simili a quelle che coinvolgono l’ozono. Gli aerosol più fini (< 1 µm) e più dannosi per la salute umana si formano per via fotochimica in atmosfera soprattutto a seguito dell’ossidazione di composti emessi da attività antropiche.

La concentrazione delle specie chimiche in atmosfera, a prescindere dal nostro punto di vista limitato a scale temporali brevi o lunghe, è regolato da quattro categorie di processi: l’emissione, il trasporto, la trasformazione chimica e la deposizione. I modelli numerici tri-dimensionali dell’atmosfera forniscono una rappresentazione matematica della nostra attuale conoscenza su questi processi e producono una descrizione della variabilità nel tempo e nello spazio delle specie chimiche atmosferiche. Similmente a quanto è avvenuto per i modelli meteorologici, un forte impulso allo sviluppo dei modelli di composizione atmosferica è stato dato dall’avvento del satellite.

Presso il CETEMPS vengono utilizzati e sviluppati diversi modelli per lo studio della composizione atmosferica. Tutti questi modelli sono cosiddetti “community models”, ovvero sviluppati primariamente da alcuni grandi centri americani ed europei e distribuiti gratuitamente alla comunità scientifica, che può contribuire con nuove funzionalità e correzioni in modo omogeneo e organizzato. I modelli principalmente utilizzati al CETEMPS sono:

  • modello di chimica e trasporto a scala globale GEOS-Chem, utile per studi del trasporto di inquinati a scala planetaria
  • modello di chimica e trasporto ad area limitata CHIMERE, utile per studi ad alta risoluzione su regioni specifiche e per applicazioni di previsione della qualità dell’aria
  • modello con processi meteorologici, chimici e radiativi accoppiati WRF/Chem, utile allo studio dell’influenza reciproca di processi legati alla dinamica e termodinamica atmosferica e la composizione chimica (es. effetto degli aerosol sulle nubi).

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