Report - Arianet

Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo
nel codice FARM
Autori
D. Meloni, A. Di Sarra, G. Pace, C. Silibello
Riferimento
ARIANET R2009.30
ARIANET s.r.l. via Gilino, 9 – 20128 Milano – ITALY
tel. +39-02-27007255 – +39-02-25708084 – http://www.aria-net.it
Cap. Soc. € 90.000.00 i.v. – R.E.A. n° 1635752 – Codice Fiscale e Partita IVA 03079010967
Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo nel codice FARM
Relazione ARIANET R2009.30
Autori:
D. Meloni, A. Di Sarra, G. Pace, C. Silibello
Committente: ENEA-Bologna
ARIANET R2009.30
Pagina I
Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo nel codice FARM
INDICE
Introduzione........................................................................................................................................................... 3
1
Modulo attualmente implementato per il calcolo dei ratei di fotolisi. ........................................... 4
2
Modulo di trasferimento radiativo TUV. ................................................................................................. 9
3 Confronto tra i due moduli per la stima dei ratei di fotolisi ed analisi di sensibilità del
modulo TUV. ........................................................................................................................................................ 11
4
Conclusioni .................................................................................................................................................. 17
Bibliografia ........................................................................................................................................................... 18
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Pagina II
Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo nel codice FARM
Introduzione
Nell’ambito della Convenzione ENEA-Ministero dell’Ambiente è previsto l’inserimento di un modulo
per il calcolo del trasporto radiativo al fine di meglio stimare i coefficienti di fotodissociazione in
atmosfera e, conseguentemente, ottenere mappe di qualità dell’aria sul territorio nazionale
maggiormente affidabili. Il modello FARM implementa attualmente un modulo che consente di
stimare i coefficienti di fotodissociazione mediante l’utilizzo di tabelle che considerano unicamente
la posizione del sole. L’effetto della presenza di nuvole su tali coefficienti viene quindi determinato
moltiplicando i valori stimati in condizioni di cielo sereno con opportuni fattori correttivi. Nella realtà i
processi fotochimici che avvengono i atmosfera sono influenzati anche da altri fattori quali la
struttura e la composizione dell’atmosfera e l’albedo superficiale. Una indagine effettuata
considerando i principali modelli di trasporto e chimica ha evidenziato che il modulo TUV
(Tropospheric Ultraviolet-Visible Model; Madronich, 1987; Madronich e Flocke, 1999), disponibile
presso il sito http://www.acd.ucar.edu/TUV/, risulta essere il modello di trasferimento radiativo
maggiormente utilizzato per questo scopi. Nel presente rapporto vengono descritte le attività di
verifica funzionale dell’inserimento di tale modulo TUV in un box-model; in particolare nei capitoli
seguenti vengono illustrati il modulo attualmente implementato in FARM, il modulo TUV e
successivamente vengono mostrati i risultati di un confronto tra i risultati forniti da tali moduli. Tale
attività inoltre è propedeutica alle campagne sperimentali che verranno effettuate nel periodo
maggio-luglio 2010 nella quale saranno misurati i ratei di fotolisi per le principali specie chimiche (in
particolare la reazione di fotodissociazione dell’ozono che porta alla formazione di O(1D) e la
reazione di fotodissociazione del biossido d’azoto).
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Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo nel codice FARM
1 Modulo attualmente implementato per il calcolo dei
ratei di fotolisi.
Le reazioni di fotodissociazione hanno la seguente forma generale:
AB  h  A  B
L’analisi cinetica di tale reazione porta ad introdurre, per ciascuna molecola AB considerata (es.
NO2, O3, etc.) , un “coefficiente/rateo di velocità” solitamente rappresentato con il termine J [s-1]
che viene calcolato mediante l’utilizzo della seguente equazione:
J   f( ) 0 ( ) ( )d
ove f (), 0() e () rappresentano rispettivamente il flusso attinico (che dipende dalle condizioni
ottiche locali) l’assorbimento e il “rendimento quantico” (quantum yield) della molecola d’interesse.
l flusso attinico sulla superficie terrestre è influenzato dalla capacità di assorbimento e di scattering
atmosferico, dalla presenza di nuvole, dalla riflessione della superficie delle nuvole e terrestre e
dall’ angolo di zenith. Le specie che contribuiscono all’assorbimento atmosferico sono costituite
dall’ossigeno, dall’ozono e da altri costituenti che in condizioni inquinate possono attenuare
ulteriormente tale flusso (NO2 e SO2). La presenza di tali specie in atmosfera permette di definire
la cosiddetta regione attinica come l’intervallo di lunghezze d’ onda dello spettro solare comprese
fra ~ 290 nm (valore imposto dai fenomeni di cut-off causati dalle molecole presenti in atmosfera
come ozono e ossigeno) e ~ 800 nm ( il valore di lunghezza d’onda massimo associato ad un
contributo energetico tale da rompere legami chimici ). La radiazione UV è la maggiore
responsabile della fotochimica atmosferica. Le velocità di alcune delle reazioni più importanti,
come la fotolisi dell’ ozono e del biossido di azoto, sono direttamente proporzionali al flusso
attinico. L’inserimento di un modulo di trasferimento radiativo per il calcolo dei ratei di fotolisi delle
diverse specie in un modello di chimica dell’atmosfera determina un significativo incremento del
tempo di calcolo. Per tale ragione nel modello FARM i ratei di fotolisi delle diverse specie chimiche
vengono calcolati mediante l’utilizzo di “look-up tables” assumendo condizioni di cielo sereno. Tali
ratei vengono stimati al livello del suolo e quindi corretti per le quote superiori mediante l’utilizzo di
formule empiriche (Peterson, 1976). Nella Figura 1 vengono mostrati i ratei di fotolisi del biossido
di azoto ( NO2  h  NO  O ) e dell’ozono ( O3  h  O(1D) ) calcolati al suolo in funzione
dell’angolo solare zenitale. Come accennato in precedenza, la presenza di nuvole può modificare
significativamente il flusso attinico al di sotto, all’interno ed al di sopra dello strato nuvoloso. Per
ciascun livello verticale k il rateo di fotolisi di una generica specie chimica J k viene quindi corretto,
in presenza di nuvole, mediante l’utilizzo della seguente relazione:
k
J k  J clear
  k ove
k
individua il rateo di fotolisi in condizioni di cielo sereno e k il fattore di attenuazione/albedo.
J clear
Tale fattore viene calcolato come segue:
a. al di sopra della “cloud top” (clear sky): k = 1 ;
b. immediatamente al di sopra della “cloud top”: k = 1.3 (aumento dovuto all’albedo);
c.
all’interno ed al di sotto della “cloud base”:
 k  1  0.55 TCC 1.75 (riduzione del
trasferimento della radiazione attraverso la nuvole / attenuazione dovuta alla presenza
della nuvola, Kaiser and Hill, 1976).
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Pagina 4
3.50E-03
0.70
3.00E-03
0.60
2.50E-03
0.50
2.00E-03
0.40
1.50E-03
0.30
1.00E-03
0.20
5.00E-04
0.10
0.00
0.00E+00
0
10
20
30
40
50
60
70
78
86
90
Solar Zenith Angle
NO2
O3O1D
Figura 1 – Ratei di fotolisi del biossido di azoto e dell’ozono in funzione dell’angolo solare
zenitale in condizioni di cielo sereno.
Un metodo alternativo al calcolo del fattore di attenuazione/albedo k dovuto alla presenza di
nuvole è stato proposto da Chang et al. (1987) e tiene conto della copertura nuvolosa, delle
proprietà ottiche della nuvola (spessore ottico e trasmissività) e dell’angolo solare zenitale. Al di
sotto della “cloud base” viene utilizzata la seguente relazione:
 k  1  TCC[1.6tr cos( )  1]
ove  è l’angolo solare zenitale e tr la trasmissività della nuvola calcolata mediante l’utilizzo della
seguente relazione:
5  e  cloud
tr 
3  3 cloud (1  f )
ove cloud individua lo spessore ottico della nuvola ed f un fattore assunto pari a 0.86 (“scattering
phase function asymmetry factor”). Per il calcolo dello spessore ottico è possibile utilizzare la
seguente relazione (Seinfeld e Pandis, 2006):
 cloud 
3Lh
2r w
ove L individua il contenuto d’acqua liquida nella nuvola [g m-3], h lo spessore della nuvola, r il
raggio delle goccioline nella nuvola (10-5 m] e w la densità dell’acqua liquida (106 g m-3]. Per valori
di cloud inferiori a 5 non viene effettuata alcuna correzione. In CMAQ (Rosselle et al., 1999) viene
utilizzata la seguente formula empirica proposta da Stephens (1978) che dipendendo dal prodotto
W=Lh [g m-3] “liquid water path” non necessita di alcuna ipotesi circa la distribuzione dimensionale
delle goccioline:
log( cloud )  0.2633  1.7095 ln[log(W )]
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O3 photolysis rate [min -1]
0.80
-1
NO2 photolysis rate[min ]
Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo nel codice FARM
Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo nel codice FARM
Nella figura seguente viene mostrato il confronto tra i valori dello spessore ottico cloud calcolati
utilizzando le due relazioni appena descritte. Tali valori sono stati calcolati in funzione del
contenuto d’acqua liquida considerando una nuvola avente uno spessore pari a 1000 m.
160
140
Cloud Optical Depth
120
100
80
60
40
20
1
0.95
0.89
0.84
0.78
0.73
0.67
0.62
0.56
0.51
0.45
0.4
0.34
0.29
0.23
0.18
0.12
0.07
0.01
0
3
Cloud Water Content [g/m ]
Stephens (1978)
Seinfeld e Pandis
Figura 2 – Confronto tra i valori di spessore otticocloud calcolati utilizzando le relazioni
proposte in Stephens (1978) e in Seinfeld e Pandis (2006) diverse condizioni di copertura
nuvolosa.
Nella figura seguente (Figura 3) viene mostrato il confronto tra i fattori di attenuazione  al di sotto
della nuvola calcolati mediante le relazioni proposte in Kaiser and Hill (1976) e Chang et al. (1987),
in funzione del contenuto d’acqua liquida e dell’angolo solare zenitale, considerando una nuvola
avente uno spessore pari a 1000 m ed una copertura nuvolosa pari a 1. Osserviamo che la
relazione proposta in Kaiser and Hill (1976) dipende dalla sola copertura nuvolosa mentre la
relazione suggerita da Chang et al. presenta un più complesso andamento in funzione sia del
contenuto d’acqua liquida sia dell’angolo solare zenitale. L’analisi di tale figura evidenzia che
l’utilizzo della relazione suggerita da Chang et al. determina, in generale, una maggiore
attenuazione della radiazione rispetto alla formula attualmente implementata in FARM.
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Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo nel codice FARM
Below cloud
Photolysis Adjustment
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
1.28
1.23
1.18
1.12
1.07
1.01
0.96
0.9
0.85
0.79
0.74
0.68
0.63
0.57
0.52
0.46
0.41
0.35
0.3
0.24
0.19
0.13
0.08
0.02
0
Cloud Water Content [g/m3]
10°
20°
30°
40°
50°
60°
Kaiser-Hill
Figura 3 – Confronto tra i valori di  al di sotto della nuvola calcolati mediante le relazioni
proposte in Kaiser and Hill (1976) e Chang et al. (1987), in funzione del contenuto d’acqua
liquida e dell’angolo solare zenitale.
Al di sopra della nuvola viene utilizzata la seguente relazione (Chang et al.1987):
 k  1  TCC i (1  tr ) cos( )
ove i rappresenta un fattore che varia tra 0.7 e 1.3 per ciascuna specie chimica i-esima coinvolta
nei processi fotochimici. Nella figura seguente viene mostrato il confronto tra i fattore di albedo  al
di sopra della nuvola calcolati mediante la relazione proposta in Chang et al. (1987) ed il valore
costante utilizzato in FARM, in funzione del contenuto d’acqua liquida e dell’angolo solare zenitale.
Nel calcolo è stata considerata una nuvola avente le caratteristiche precedentemente descritte e
per i un valore pari a 1.
Above cloud
2
Photolysis Adjustment
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1.28
1.23
1.18
1.12
1.07
1.01
0.96
0.9
0.85
0.79
0.74
0.68
0.63
0.57
0.52
0.46
0.41
0.35
0.3
0.24
0.19
0.13
0.08
0.02
1
Cloud Water Content [g/m3]
10°
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20°
30°
40°
50°
60°
Constant
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Figura 4 – Confronto tra i valori di  al di sopra della nuvola calcolati mediante la relazione
proposta in Chang et al. (1987) in funzione del contenuto d’acqua liquida e dell’angolo solare
zenitale.
Osserviamo che la relazione suggerita da Chang et al. presenta valori di albedo generalmente
superiori a quelli attualmente considerati in FARM e che tali valori sono estesi a tutti i livelli
verticali al di sopra del top della nuvola e non solo al livello immediatamente superiore.
Di seguito vengono mostrati i ratei di fotolisi del biossido di azoto ( NO2  h  NO  O ) e
dell’ozono ( O3  h  O(1D) ) stimati al suolo in funzione dell’angolo solare zenitale in condizioni
di cielo sereno ed in diverse condizioni di copertura nuvolosa utilizzando le precedenti relazioni per
l’attenuazione al di sotto della “cloud base”.
Kaiser and Hill (1976)
Chang et al. (1987)
NO2
1.20E-02
1.00E-02
1.00E-02
8.00E-03
8.00E-03
[sec -1]
[sec -1 ]
NO2
1.20E-02
6.00E-03
4.00E-03
6.00E-03
4.00E-03
2.00E-03
2.00E-03
0.00E+00
0.00E+00
[sec -1]
[sec -1]
3.00E-05
2.00E-05
TCC=0.5
2.00E-05
1.00E-05
1.00E-05
0.00E+00
0.00E+00
74
59
43
29
22
28
42
57
73
87
100
108
112
109
CLEAR SKY
101
Solar Zenith Angle[deg]
89
74
59
43
29
22
28
42
57
109
3.00E-05
73
101
4.00E-05
87
109
CLEAR SKY
O3O1D
5.00E-05
100
89
CLOUDY
4.00E-05
108
101
TCC=0.5
5.00E-05
112
89
74
59
43
29
Solar Zenith Angle[deg]
O3O1D
TCC=1
22
CLEAR SKY
28
TCC=1
42
57
73
87
100
108
112
109
101
89
74
59
43
29
22
28
42
57
73
87
100
108
112
Solar Zenith Angle[deg]
Solar Zenith Angle[deg]
TCC=0.5
CLOUDY
CLEAR SKY
TCC=0.5
Figura 5 – Ratei di fotolisi del biossido di azoto e dell’ozono in funzione dell’angolo solare
zenitale ed in diverse condizioni di copertura nuvolosa.
L’esame di tali figure conferma quanto precedentemente riportato circa una maggiore stima
dell’attenuazione della radiazione mediante l’utilizzo della relazione suggerita da Chang et al. che
determina ratei di fotodissociazione inferiori rispetto a quelli attualmente calcolati in FARM.
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Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo nel codice FARM
2 Modulo di trasferimento radiativo TUV.
Il modulo di trasferimento radiativo TUV (Tropospheric Ultraviolet-Visible Model; Madronich, 1987)
viene utilizzato nello spettro di lunghezze d’onda compreso tra 121 e 750 nm per calcolare
l’irradianza spettrale, il flusso attinico spettrale, i coefficienti di fotodissociazione (J) e l’irradianza
biologicamente efficace. Il codice, scaricabile dal sito web www.acd.ucar.edu/TUV, è scritto in
FORTRAN 77 è ben documentato e si presta pertanto ad essere utilizzato all’interno di modelli di
trasporto e chimica dell’atmosfera. Tale modulo presenta, tra le altre, le seguenti caratteristiche:
 possibilità di utilizzare diverse “griglie” di lunghezze d’onda e di livelli verticali;
 dipendenza dei coefficienti di fotodissociazione dalla temperatura e dalla pressione;
 assorbimento dovuto alla presenza di ossigeno, ozono, biossido di azoto e zolfo;
 scattering dovuto all’aria, alle nuvole ed all’aerosol;
 utilizzo di differenti schemi di trasferimento radiativo.
L’inserimento del modulo TUV nel codice FARM è stato effettuato seguendo un approccio analogo
a quanto effettuato con il modello STEM (Tang et al., 2003), dal quale deriva FARM, ove i
parametri utilizzati da tale modulo, ovvero le caratteristiche delle nuvole, i profili verticali di aerosol,
O3, SO2 e NO2 ed i parametri meteorologici vengono forniti direttamente dal modello di trasporto e
chimica. In tal modo viene tenuto conto della mutua interazione tra la radiazione e la composizione
chimica e la struttura dell’atmosfera così come viene “vista” dal modello. Di seguito vengono
presentati i risultati del confronto tra il modulo TUV, l’algoritmo precedentemente implementato in
FARM (Kaiser e Hill, 1976) e l’algoritmo proposto in Chang et al. (1987). Tale confronto è stato
effettuato mediante l’utilizzo di un box-model che include il meccanismo chimico SAPRC99 (Carter,
2000) ed il modulo di aerosol aero3 (Binkowski,1999; Binkowski e Shankar, 1995)Binbi.
L’integrazione numerica delle equazioni chimiche viene effettuata mediante l’interfaccia KPP
(Kinetic PreProcessor; Damian et al, 2002; Daeuscu et al 2003; Sandu et al 2003, 2006) associata
al solver LSODE (Radhakrishnan e Hindmarsh, 1993). Nelle simulazioni che seguono il modulo di
aerosol non è stato attivato.
Al fine di verificare la corretta implementazione del meccanismo chimico gassoso è stato
considerato uno scenario noto in letteratura con il nome LAND (Poppe et al., 1996; Kuhn et al.,
1998) ove si considera box posto ad una latitudine di 45°N e ad una longitudine 0°W, alle seguenti
condizioni di temperatura, pressione e umidità relativa: 288.15 [K], 101325. [Pa], 50. [%] ed in
assenza di nuvole. In tale scenario la miscela iniziale (“clean air condition”) è così costituita (le
concentrazioni sono espresse in ppm):
O3
0.030
NO
0.0001
NO2
0.0001
HNO3
0.0001
CO
0.100
H2O2
0.002
HCHO
0.001
AIR
1.0000E+06
O2
2.0900E+05
H2O
1.0000E+04
H2
5.0000E-01
CH4
1.7000E+00
Nella figura seguente vengono mostrati gli andamenti orari delle concentrazioni relative ad alcune
specie chimiche calcolate dal box-model che evidenziano un ottimo accordo con i valori riportati
nell’articolo suddetto.
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Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo nel codice FARM
OH
O3
34
33
32
31
30
0.00025
0.0002
0.00015
29
28
27
26
25
24
0.0001
0.00005
0
0
50
90
100
95
100
NO3
NOx
0.1
0.0035
0.003
0.08
0.0025
0.06
0.002
0.0015
0.04
0.001
0.02
0.0005
0
0
0
50
100
102
107
112
H2O2
2.8
2.6
2.4
2.2
2
0
50
100
Figura 6 – Concentrazioni [ppb] calcolate con il box-model relative allo scenario LAND a
diverse ore.
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3 Confronto tra i due moduli per la stima dei ratei di
fotolisi ed analisi di sensibilità del modulo TUV.
Il confronto tra il modulo TUV e gli algoritmi precedentemente descritti per il calcolo dei ratei di
fotolisi è stato effettuato utilizzando un box-model che costituisce di fatto il core chimico del modello
FARM. Il primo set di simulazioni è stato effettuato considerando un box posto ad una latitudine di
45°N e ad una longitudine 9°W (time zone +1), alle seguenti condizioni di temperatura, pressione e
umidità relativa: 298.15 [K], 101325. [Pa], 50. [%]. L’albedo superficiale è stato posto a 0.1 mentre
è stato considerato un profilo di ozono climatologico (US Standard Atmosphere: 1976 – media
annuale -, 45°N, ozono totale pari a 349.82 DU). Le simulazioni hanno una durata di un giorno (21
giugno 1983) e vengono considerate le seguenti due condizioni: cielo sereno e presenza di uno
strato di nuvole con le seguenti caratteristiche: copertura nuvolosa, altezza della base, altezza del
top e contenuto di acqua liquidi rispettivamente pari a 1., 1000. m 1500. m e 0.5 [g/m 3]. Di seguito
vengono mostrati i ratei di fotolisi del biossido d’azoto e dell’ozono nelle due condizioni e, per
quanto riguarda il modulo TUV considerando 140 lunghezze d’onda (approccio analogo a quello
utilizzato nel modello STEM) e 17 lunghezze d’onda (FTUV=Fast TUV, implementato nel modello
MOZART-2 - Model for OZone And Related chemical Tracers).
Clear sky
Cloudy
NO2
NO2
NO2
1.20E-02
1.20E-02
1.00E-02
8.00E-03
8.00E-03
[sec -1]
[sec -1 ]
1.00E-02
6.00E-03
1.20E-02
2.00E-03
1.00E-02
2.00E-03
0.00E+00
0.00E+00
FTUV (17 wl)
TUV (140 wl)
Chang et al.
O3O1D
Kaiser and Hill
FTUV (17 wl)
Chang et al.
O3O1D
5.00E-05
5.00E-05
4.00E-03
4.00E-05
4.00E-05
3.00E-05
[sec -1]
[sec -1]
109
101
89
74
59
43
6.00E-03
29
Kaiser and Hill
22
Solar Zenith Angle[deg]
Solar Zenith Angle[deg]
TUV (140 wl)
28
42
57
73
87
100
108
112
109
101
89
74
59
43
29
22
28
42
57
73
87
100
108
112
8.00E-03
[sec -1]
6.00E-03
4.00E-03
4.00E-03
2.00E-03
2.00E-05
0.00E+00
3.00E-05
2.00E-05
1.00E-05
1.00E-05
109
101
89
74
109
59
43
101
29
22
TUV (140 wl)
8928
Kaiser and Hill
42
73
Solar Zenith Angle[deg]
Solar Zenith Angle[deg]
TUV (140 wl)
7457
100
5987
112
43108
29
22
109
101
28
89
4274
59
5743
29
28
7322
57
8742
87
73
100
100
108
112
108
112
0.00E+00
0.00E+00
FTUV (17 wl)
Solar
Angle[deg]
Chang etZenith
al.
Kaiser and Hill
TUV (140 wl)
FTUV (17 wl)
Kaiser and Hill
FTUV (17 wl)
Chang et al.
Chang et al.
Figura 7 – Ratei di fotolisi del biossido d’azoto e dell’ozono in condizioni di cielo sereno ed in
presenza di nuvole.
Dall’esame di tale figura risultano differenze significative per i ratei di fotolisi calcolati nelle due
condizioni (cielo sereno e presenza di nuvole) considerando i due approcci: “look-up tables”
(Kaiser and Hill e Chang et al.) e TUV (140 e 17 wl). Tali differenze risultano invece piuttosto
contenute considerando, con il modulo TUV, le due griglie di lunghezze d’onda. Volendo estendere
tale analisi alle concentrazioni calcolate nelle figure seguenti vengono mostrati analoghi confronti
ARIANET R2009.30
Pagina 11
Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo nel codice FARM
Clear sky
Cloudy
O3
O3
33
33
32.5
32.5
32
32
31.5
31.5
31
[ppb]
[ppb]
in termini di concentrazioni calcolate mediante il box-model considerando la miscela iniziale
relativa al precedente scenario (LAND). Le simulazioni sono state condotte considerando
condizioni di cielo sereno e nuvole aventi le caratteristiche precedentemente descritte. La scelta di
porre ad 1 la copertura nuvolosa deriva dal fatto che il modulo TUV assume implicitamente tale
condizione.
30.5
31
30.5
30
30
29.5
29.5
29
29
28.5
28.5
28
28
17
18
19
20
21
22
23
24
16
17
18
19
20
21
22
23
24
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
0.3
0.3
0.25
0.25
0.2
0.2
[ppb]
[ppb]
16
15
14
HNO3
0.15
0.15
0.1
0.1
0.05
0.05
0
0
13
12
Hours
NO
NO
0.06
0.05
0.05
0.04
0.04
[ppb]
0.06
0.03
0.03
0.02
0.02
0.01
0.01
0
0
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Hours
Hours
NO2
NO2
0.25
0.2
0.2
0.15
0.15
[ppb]
0.25
0.1
0.1
0.05
0.05
0
0
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Hours
ARIANET R2009.30
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Hours
[ppb]
15
14
Hours
HNO3
[ppb]
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Hours
Hours
Pagina 12
Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo nel codice FARM
NO3
0.04
0.04
0.035
0.035
0.03
0.03
0.025
0.025
[ppb]
[ppb]
NO3
0.02
0.015
0.02
0.015
0.01
0.01
0.005
0.005
0
0
0.001
0.0009
0.0008
0.0008
0.0007
0.0007
0.0006
0.0006
[ppb]
[ppb]
24
0.001
0.0009
0.0005
0.0005
0.0004
0.0004
0.0003
0.0003
0.0002
0.0002
0.0001
0.0001
0
20
12
11
9
8
6
5
3
2
0
24
23
21
20
18
17
15
14
12
11
9
8
6
5
3
2
0
Hours
Hours
OH
OH
0.0004
0.0004
0.00035
0.00035
0.0003
0.0003
0.00025
0.00025
[ppb]
[ppb]
24
23
HNO4
0
0.0002
0.00015
0.0002
0.00015
0.0001
0.0001
0.00005
0.00005
0
0
20
Hours
H2O2
H2O2
2.4
2.3
2.3
2.2
2.2
2.1
2.1
[ppb]
2.4
2
2
1.9
1.9
1.8
1.8
1.7
1.7
20
21
22
23
24
19
20
21
22
23
24
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
[ppb]
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
Hours
14
13
12
11
10
18
0
9
19
0.1
0
8
17
0.2
0.1
7
18
0.3
0.2
6
16
0.4
0.3
5
17
0.5
0.4
4
15
0.6
0.5
3
16
0.7
0.6
2
14
COOH
0.7
1
15
Hours
COOH
0
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Hours
ARIANET R2009.30
12
11
9
8
6
5
3
2
0
24
23
21
20
18
17
15
14
12
11
9
8
6
5
3
2
0
Hours
[ppb]
24
23
21
Hours
HNO4
[ppb]
23
21
18
21
18
20
18
15
17
15
14
17
15
14
17
14
12
11
9
8
6
5
3
2
0
24
23
21
20
18
17
15
14
12
11
9
8
6
5
3
2
0
Hours
Hours
Pagina 13
Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo nel codice FARM
1.00E-02
[sec -1]
8.00E-03
HCHO
6.00E-03
HCHO
1.2
1.2
4.00E-03
1
1
0.8
0.8
[ppb]
[ppb]
2.00E-03
0.6
0.6
24
23
22
21
20
19
10918
17
16
14
Kaiser and Hill
13
TUV (140 wl)
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
Solar Zenith Angle[deg]
Hours
10115
29
22
28
42
57
73
87
8
1007
6
5
3
2
0
1084
0
89
0.2
0
74
0.2
59
0.4
0.00E+00
43
0.4
1121
Hours
FTUV (17 wl)
Chang et al.
Figura 8 – Concentrazioni calcolate mediante il box-model in condizioni di cielo sereno ed in
presenza di nuvole.
Dall’esame dalla Figura 8 risulta evidente l’effetto dei differenti approcci al calcolo dei ratei di
fotolisi sulle concentrazioni calcolate. Come evidenziato da tale figura il modulo TUV stima una
maggiore attenuazione della radiazione ad opera delle nuvole rispetto alla implementazione
effettuata in FARM e conseguentemente una significativa riduzione dei processi fotochimici che
determina una più ridotta capacità ossidativa dell’atmosfera confermata dall’aumento di NO2
(minore JNO2), dalla conseguente diminuzione di O3 (il biossido di azoto è la sorgente di O3
troposferico) e dalla diminuzione di radicali OH prodotti a loro volta dalla fotodissociazione
dell’ozono. Dall’esame di tale figura risulta inoltre che le relazioni proposte da Chang et al. (1987)
presentano un migliore accordo con le stime fornite dal più accurato modello radiativo TUV rispetto
alle formule attualmente implementate in FARM.
Come accennato in precedenza precedentemente il modulo TUV assume implicitamente la
condizione di completa copertura nuvolosa (TCC=1). Per tener conto della variazione di tale
parametro è prassi comune nei modelli
di chimica dell’atmosfera (si veda ad esempio CAMx e
NO2
CMAQ) utilizzare tale modulo considerando condizioni di cielo sereno e correggere
successivamente i ratei di fotolisi così ottenuti mediante l’utilizzo delle relazioni proposte da Chang
3.50E-03
et al. (1987). Al fine di verificare tale approccio sono stati quindi confrontati i valori dei ratei di
fotolisi precedentemente calcolati dal modello TUV (140 wl) in presenza di nuvole con quelli
3.00E-03
ottenuti mediante tale approccio. I risultati mostrati nella figura seguente evidenziano la correttezza
e l’accuratezza di tale metodo.
2.50E-03
2.00E-03
NO2, Photolysis
rates
NO2
1.50E-03
5.00E-04
0.00E+00
O3, Photolysis
rates
O3O1D
3.50E-03
1.20E-05
3.00E-03
1.00E-05
2.50E-03
8.00E-06
[sec -1]
1.00E-03
[sec -1]
[sec -1]
1.20E-02
2.00E-03
1.50E-03
2.00E-06
5.00E-04
109
101
89
74
59
109
43
22
101
29
42
8928
73
7457
Solar Zenith Angle[deg]
Solar Zenith Angle[deg]
TUV(Clear Sky) + Chang et al.
TUV (Cloudy)
100
TUV (Cloudy)
108
Solar Zenith Angle[deg]
5987
0.00E+00
43112
29
109
22
89
28101
74
59
42
43
22
5729
7328
42
73
8757
100
87
100
108
108
112
112
0.00E+00
6.00E-06
4.00E-06
1.00E-03
TUV (Cloudy)
TUV(Clear Sky) + Chang et al.
TUV(Clear Sky) + Chang et al.
Figura 9 – Ratei di fotolisi del biossido d’azoto e dell’ozono in condizioni di completa
copertura nuvolosa (TCC=1) calcolati dal modello TUV (140 wl) e ottenuti correggendo i valori
stimati in condizioni di cielo sereno con le formule proposte da Chang et al. (1987).
ARIANET R2009.30
Pagina 14
Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo nel codice FARM
Nelle figure seguenti vengono mostrati ulteriori test di sensibilità effettuati considerando le
condizioni di cielo sereno precedentemente descritte e facendo variare l’albedo superficiale e il
contenuto di ozono colonnare. Dall’esame diNO2
tali figure risulta significativo l’effetto dell’albedo
superficiale sui ratei di fotolisi del biossido d’azoto e dell’ozono (Figura 10), mentre per quanto
riguarda l’ozono colonnare (Figura 11) tale effetto risulta significativo per la fotodissociazione
1.40E-02
dell’ozono (non viene riportato il confronto relativamente al biossido di azoto per il quale le
1.20E-02
variazioni di ozono
colonnare non hanno effetti sui ratei di fotolisi).
[sec -1 ]
1.00E-02
8.00E-03
NO2, Photolysis
rates
NO2
6.00E-03
O3, Photolysis
rates
O3O1D
6.00E-05
1.40E-02
1.20E-02
4.00E-03
5.00E-05
4.00E-05
8.00E-03
[sec -1]
[sec -1]
1.00E-02
2.00E-03
6.00E-03
3.00E-05
2.00E-05
4.00E-03
0.00E+00
2.00E-03
1.00E-05
109
101
89
74
109
59
43
29
101
8922
ALBEDO=0.3
28
Solar Zenith Angle[deg]
ALBEDO=0.1
7442
57
59
73
87
100
112
43
0.00E+00
29108
22
28
42
109
57101
89
74
73
59
43
87
29
100
22
108
28
42
57
73
87
100
108
112
112
0.00E+00
Solar Zenith Angle[deg]
ALBEDO=0.6
ALBEDO=1.0
ALBEDO=0.1
Solar Zenith Angle[deg]
ALBEDO=0.1
ALBEDO=0.3
ALBEDO=0.3
ALBEDO=0.6
ALBEDO=0.6
ALBEDO=1.0
ALBEDO=1.0
Figura 10 – Ratei di fotolisi del biossido d’azoto e dell’ozono in condizioni di cielo sereno al
variare dell’albedo superficiale.
O3, Photolysis rates
O3O1D
5.00E-05
[sec -1]
4.00E-05
3.00E-05
2.00E-05
1.00E-05
0.00E+00
109
101
89
74
59
43
29
22
28
42
57
73
87
100
108
112
Solar Zenith Angle[deg]
Climatological
250 DU
350 DU
450 DU
Figura 11 – Ratei di fotolisi del biossido d’azoto e dell’ozono in condizioni di cielo sereno al
variare dell’ozono colonnare.
Nella figura seguente viene mostrato infine il confronto tra i tempi necessari allla esecuzione del
box-model nelle diverse configurazioni che conferma quanto atteso, ovvero che l’inserimento del
modulo TUV determina un significativo aumento del tempo di calcolo rispetto all’approccio
ARIANET R2009.30
Pagina 15
Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo nel codice FARM
precedentemente implementato in FARM. Tale incremento può tuttavia essere significativamente
ridotto diminuendo il numero di lunghezze d’onda utilizzate dal modello radiativi (FTUV).
TUV
FTUV
Look-up
0
2.5
5
7.5
10
12.5
15
17.5
20
Figura 12 – Tempo di calcolo normalizzato per l’effettuazione delle simulazioni: TUV=140wl;
FTUV=17 wl e “Look-up” = approccio attualmente implementato in FARM. Il tempo di calcolo è
normalizzato rispetto all’approccio “Look-up”.
ARIANET R2009.30
Pagina 16
Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo nel codice FARM
4 Conclusioni
I risultati ottenuti evidenziano la rilevanza di una corretta modellazione dei processi radiativi e
l’opportunità di includere nel modello FARM un adeguato modello di trasferimento radiativo. Il
modulo TUV utilizzato in questo studio necessita tuttavia di un significativo tempo di calcolo che
può essere ridotto diminuendo il numero di lunghezze d’onda. Dall’esame delle simulazioni
effettuate si può ritenere che per simulazioni tridimensionali complesse il modulo TUV con la griglia
di lunghezze d’onda FTUV possa rappresentare un ragionevole compromesso tra il tempo di
calcolo e la necessaria accuratezza della stima dei ratei di fotolisi. Per ridurre ulteriormente l’onere
di tale calcolo nelle simulazioni tridimensionali è comunque possibile ragionevole utilizzare tale
modulo un numero limitato di volte all’interno di un’ora invece che ad ogni passo temporale. Il
modulo TUV assume implicitamente la condizione di completa copertura nuvolosa, per tener conto
della variazione di tale parametro è prassi comune nei modelli di chimica dell’atmosfera utilizzare
tale modulo considerando condizioni di cielo sereno e correggere successivamente i ratei di fotolisi
così ottenuti mediante l’utilizzo delle relazioni proposte da Chang et al. (1987). Il confronto tra i
ratei di fotolisi calcolati dal modello TUV in presenza di nuvole con quelli ottenuti mediante tale
approccio ha evidenziato la correttezza e l’accuratezza di tale approccio che sarà quindi preso in
considerazione per un suo eventuale utilizzo nel modello FARM. L’utilizzo di tali relazioni, in luogo
di quelle attualmente utilizzate in FARM per tener conto degli effetti di attenuazione/aumento della
radiazione in presenza di nuvole, consentirebbe inoltre di ottenere stime dei ratei di fotolisi più
accurate e non molto differenti da quelle fornite dal modello radiativo TUV. Le simulazioni hanno
evidenziato inoltre l’importanza di una corretta stima dell’albedo superficiale e dell’ozono colonnare
ai fini di una migliore stima dei ratei di fotolisi. A questo proposito è qui opportuno evidenziare che
il processore SURFPro è in grado di fornire i campi di albedo superficiale e che Arianet ha
recentemente messo a punto un processore che provvede all’estrazione dei campi giornalieri di
ozono colonnare a scala globale prodotti da sensori OMI su aree selezionate dall’utente, alla
scrittura di tali campi in formato NetCDF ed all’eventuale interpolazione dei dati mancanti
utilizzando diversi criteri (valore medio, Cressmann, Optimal Interpolation).
ARIANET R2009.30
Pagina 17
Inserimento di un modulo di trasferimento radiativo nel codice FARM
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