CALMET, come forse non lo avete mai veduto

Ad oggi, nella pratica corrente Calmet è il ricostruttore meteorologico più utilizzato in Italia, per la produzione degli input meteorologici ai modelli CALPUFF e CALGRID.

I casi d’uso tipici nei quali CALMET viene impiegato sono due:

  • Infittire e rendere praticamente usabili gli output di un modello meteorologico a mesoscala o regionale.
  • Ricostruire i campi di vento tridimensionali partendo da un insieme di misure da stazioni meteorologiche “al suolo” e da profili verticali (misure SODAR, radiosondaggi, …).

Tra i due, il secondo si presenta particolarmente interessante negli studi di impatto ambientale, perché permette – almeno sulla carta – di ottenere campi di vento e di turbolenza a costi contenuti, utilizzando dati ampiamente diffusi sul territorio.

CALMET, d’altra parte, ha una struttura interna molto “semplice”, che per produrre risultati realistici richiede molto lavoro di tuning da parte degli utilizzatori.

Si pone così il problema di come valutare la qualità dei risultati, in modo da guidare questa operazione di adattamento dei parametri del modello sino a soddisfazione degli operatori.

La strada normale prevede l’uso di opzioni diagnostiche di CALMET che permettono di ottenere, ad esempio, la serie storica di alcune misure meteorologiche in un punto.

Ma decisamente meglio sarebbe poter vedere il campo di vento su tutto il dominio di calcolo, in modo da poter notare più facilmente situazioni critiche legate in qualche modo allo spazio, più che al solo tempo.

E qui vengono in soccorso procedure realizzate da terze parti, come ad esempio la MetDecode di Servizi Territorio srl. Questo codice, usato internamente a supporto degli studi di impatto ambientale, in una delle sue modalità operative permette di ricostruire filmati dell’andamento del vento, per esempio al suolo.

Come quello che segue:

Successione di campi di vento orari alla superficie del suolo generati usando il modello CALMET, partendo dai dati della stazione meteorologica di Valmadrera (ARPA Lombardia, collocata al centro dell’immagine) e dai 4 profili contigui LAMMA (circa ai 4 vertici)

Osservando bene la distribuzione delle frecce, possiamo notare come queste si distribuiscano in “cluster”, ciascuno rappresentativo di una situazione locale e, nel caso del cluster al centro, dalla stazione meteorologica di Valmadrera, che con le sue misure “guida” per così dire il modello.

I bordi sono invece dominati da 4 profili generati dal modello meteorologico LAMMA, e si può vedere come di tanto in tanto, pur concordando tra loro, tendano a differire dalle misure al suolo.

Grazie a filmati come questo, è così possibile identificare una condizione potenzialmente anomala (in questo caso conseguenza dell’impiego di dati di origine molto differente, e del fatto che i risultati di un modello come LAMMA hanno una portata regionale, ma non ricostruiscono fenomeni locali visibili invece da una stazione meteorologica). Un elemento in più, per i controlli di qualità negli studi di impatto ambientale.

Il SODAR, e CALPUFF

Il SODAR (acronimo di SOund Detection And Ranging) è un sistema di remote sensing acustico, dedicato alla misura del vento e della turbolenza lungo un profilo verticale che si estende da pochi metri dalla superficie del suolo sino a circa 700 metri – l’altezza massima effettiva dipende in certa misura dalle condizioni meteo.

Un SODAR tipo PCS-2000-64 (Metek GmbH). Le due antenne puntate verticalmente costituiscono l’opzione RASS, che serve per misurare i profili verticali di temperatura.

Grazie alla loro estensione verticale, i profili misurati con il SODAR interessano la parte di Strato Limite Planetario interessata dall’emissione di fumi da camini, torri evaporative ed altre sorgenti industriali.

Ciò ha fatto sì che, nel mondo ed in alcuni casi anche in Italia, il SODAR abbia trovato una sua collocazione nell’ambito delle reti di monitoraggio di impianti industriali inquinanti a rischio di incidente.

Inevitabilmente, strumenti complessi come il SODAR, con i loro dati non di rado “nervosi” (quanto lo è spesso la realtà, confrontata con gli eleganti e “lisci” modelli matematici che cercano di descriverla e prevederla), presentano delle sfide all’impiego diretto nei modelli di dispersione.

In Italia, questo si è tradotto in una certa resistenza all’impiego diretto dei dati SODAR come “input” dei modelli di dispersione, gli operatori preferendo stimare (cioè, alla fin fine, inventare) il vento in quota a partire da una misura alla superficie.

Recenti progressi nella costruzione di processori meteorologici hanno però permesso di superare i problemi, e di usare i profili SODAR insieme a dati di qualità raccolti alla superficie.

(Un esempio di processore meteorologico amichevole nei confronti dei dati SODAR è ST-Me, di Servizi Territorio srl.)

L’impiego dei dati SODAR, al posto dei profili “inventati”, introduce un elemento di qualità, specialmente prezioso quando la cosa interessante non sono lunghe medie di periodo come nel caso della qualità dell’aria, ma le concentrazioni istantanee che possono risultare da un rilascio in caso di incidente.

I due filmati che seguono mostrano la modellizzazione di una stessa situazione, senza e con i dati SODAR.

Andamento delle ricadute al suolo ottenute con il modello CALPUFF, alimentato con i soli dati di superficie (raccolti da una stazione meteorologica avanzata attrezzata con un anemometro ultrasonico tra-assiale di precisione Metek USA-1). Il profilo verticale del vento è “inventato” da CALPUFF.
Andamento delle ricadute al suolo ottenute con il modello CALPUFF, alimentato con i dati di superficie (raccolti da una stazione meteorologica avanzata attrezzata con un anemometro ultrasonico tra-assiale di precisione Metek USA-1), e con profili verticali del vento misurati con un SODAR (Metek).

Come possiamo vedere, la differenza nelle distribuzioni al suolo è notevole.

E non dobbiamo meravigliarci: nel primo caso, la distribuzione verticale delle velocità e direzioni del vento è estrapolata dai dati al suolo usando un modello matematico per forza di cose molto semplificato, mentre nel secondo la direzione e la velocità sono misurate, e seguono quanto Natura desidera, nella sua imprevedibilità.

Media di periodo delle concentrazioni istantanee determinate usando CALPUFF con i soli dati meteorologici di superficie.
Media di periodo delle concentrazioni istantanee determinate usando CALPUFF con i dati meteorologici di superficie e con i profili misurati dal SODAR.

In questo caso, la presenza del SODAR ha pesato anche, e moltissimo, sulle medie di periodo. Un monitoraggio guidato dalla modellistica avrebbe comportato una dispersione di misure, ed un costo in proporzione più elevato, nel caso del modello usato solo con i dati di superficie, mentre il modello “superficie+SODAR” avrebbe suggerito di concentrare attenzione e ricadute verso Nord, in corrispondenza delle massime ricadute.

Per informazioni sui SODAR, gli anemometri ultrasonici e le misure “di qualità” di vento e temperatura si possono consultare i siti di Servizi Territorio srl (http://www.serviziterritorio.it), e di Metek GmbH (http://www.metek.de).

Una descrizione della teoria legata alle misure con anemometro ultrasonico e SODAR si può trovare in

R.Sozzi, T.Georgiadis, M.Valentini, “Introduzione alla turbolenza atmosferica: concetti, stime, misure”, Pitagora Editrice, 2002

Il testo, fuori catalogo, è reperibile nelle biblioteche universitarie. Una versione PDF è disponibile sul sito di ARPA Lazio, e può essere scaricata alla URL http://www.arpalazio.net/main/aria/doc/pubblicazioni/iso-8859-1LibroMicrometeorologia.pdf.