WRF-Chem

Il modello Weather Research and Forecasting – Chemistry (WRF-Chem) consiste in una tipologia di modello “online” in quanto permette di riprodurre l’emissione, il trasporto, la dispersione, la trasformazione e la sedimentazione di tutti gli inquinanti antropogenici e naturali. Dal punto di vista degli inquinanti naturali è possibile considerare gli aerosol e la cenere che vengono rilasciati in seguito alle eruzioni vulcaniche, per i quali è possibile tener conto non solo dei processi fisici, ma anche di quelli chimici, che avvengono nell’atmosfera. Bisogna, infatti, ricordare che le condizioni meteorologiche sono il principale fattore per la qualità dell’aria, ma esse dipendono dagli effetti diretti e indiretti che le sostanze chimiche hanno sulla radiazione solare o dai cambiamenti che apportano nella microfisica delle nubi. La maggior parte dei modelli Volcanic Ash Transport and Dispersion (VATD) sono modelli “offline” ossia trattano in modo separato la fisica e la chimica che caratterizzano la dispersione delle emissioni vulcaniche nell’atmosfera, e in genere, dato il loro basso costo computazionale, sono quelli più usati dai centri operativi di previsione. In realtà, però, è bene privilegiare l’approccio “online”, poiché un trattamento inappropriato dei processi atmosferici potrebbe portare a risposte errate riguardanti la deposizione delle ceneri e la diffusione degli aerosol.

Il WRF-Chem è basato sul modello Weather Research and Forecasting (WRF), il quale supporta applicazioni di previsione meteorologica sia di ricerca che operative ed include varie opzioni per i nuclei dinamici e le parametrizzazioni fisiche in modo che possa essere utilizzato per simulare i processi atmosferici su un’ampia gamma di scale temporali e spaziali. Ad esso è stata integrata una apposita sezione chimica che simula gas traccianti e particolato interattivamente con i campi meteorologici facendo uso di diversi trattamenti fotochimici.

Il modello WRF-Chem può essere usato per la previsione e la simulazione delle condizioni meteorologiche/climatiche su scala regionale e locale, la previsione del rilascio e trasporto di sostanze inquinanti, la stima della qualità dell’aria con interazione di specie chimiche come il particolato atmosferico e lo studio di processi importanti per i cambiamenti climatici globali, compresa l’influenza diretta e indiretta degli aerosol.

La capacità del modello di prevedere lo spostamento e la concentrazione della nube di cenere ed SO2 dipende dalle informazioni iniziali riguardanti le emissioni vulcaniche, come ad esempio la scala dell’eruzione che include la massa espulsa, l’altezza del pennacchio, il tasso di eruzione, la data e la durata dell’evento e lo spettro delle dimensioni granulometriche delle particelle di cenere.

La figura 1 mostra il dominio di indagine con cui è stato testato il modello sviluppato dal gruppo di ricerca operante in seno all’Università degli Studi di Messina, che comprende una parte del Nord Africa, l’Italia ed una parte dell’Europa Balcanica con una griglia di 180 x 180 punti centrata ad una latitudine di 37.739° e longitudine di 15.18°. La spaziatura orizzontale della griglia è di 10 km per entrambe le direzioni con 40 livelli verticali fino a 50 hPa. Le condizioni iniziali e al contorno sono state acquisite da NCAR/NCEP Final Analysis (FNL da GPS) (ds083.2), con risoluzione di 1 grado, ogni 6 ore.

WRM-CHEM

Figura 1: Dominio oggetto di studio, con cui è stato testato il modello WRF-Chem.

La fase di testing ha riguardato il processo di caratterizzazione del tipo di eruzione tramite una fase di pre-processing utilizzando il software chiamato PREP-CHEM-SRC, in grado di leggere le emissioni globali dei più importanti inquinanti naturali e antropogenici, riportate generalmente in HDF (Hierarchical Data Format) e NetCDF (Network Common Data Format). Il PREP-CHEM-SRC fornisce la posizione del vulcano nel dominio numerico considerando la cella della griglia più vicina e i parametri di input di emissione. Queste informazioni vengono utilizzate all’interno del WRF-Chem per determinare la distribuzione verticale del materiale espulso. La configurazione di griglia desiderata, le caratteristiche delle emissioni e le informazioni aggiuntive sono state definite in un file chiamato “prep-chem-src.inp”, mentre le emissioni in uscita sono state fornite in file binari intermedi, separati per tipo di emissione. È stato poi utilizzato il programma convert_emiss (incluso nel pacchetto WRF-Chem) per convertirle in formato NetCDF o in file di dati di input per il WRF-Chem, calcolando la distribuzione di massa verticale e le tipologie di emissioni in funzione della granulometria della cenere vulcanica. Oltre alla cenere, durante un’eruzione vulcanica viene emessa anche una notevole quantità di SO2 che, una volta nell’atmosfera, si ossida e si trasforma in acido solforico (H2SO4), responsabile del fenomeno delle piogge acide. A differenza della cenere che si deposita in pochi giorni, la SO2 può persistere in atmosfera fino a diversi mesi.

Una delle applicazioni del WRF-Chem è dunque quella di monitorare la ricaduta delle ceneri vulcaniche in prossimità degli aeroporti. A tal proposito, vista la vicinanza del comprensorio vulcanico dell’Etna all’Aeroporto Internazionale di Catania e la frequente attività eruttiva del vulcano (200 eruzioni registrate negli ultimi 30 anni), risulta evidente l’esigenza di effettuare un’adeguata attività di monitoraggio dei fenomeni di emissione, mediante lo sviluppo della catena modellistica ambientale. In questo quadro di riferimento, lo spazio aereo all’interno del quale vengono effettuate le analisi relative alle porzioni contaminate è identificato dai limiti verticali della Control Zone – Zona di CONTROLLO (CTR) di Catania e da 12 settori (da A1 a D3) di ampiezza non omogenea con origine nel punto del cratere dell’Etna di coordinate 37°44’55’’N – 15°00’02’’E, come riportato in figura 2.

Figura 2: schema illustrativo della suddivisione, in 12 settori, dello spazio aereo in prossimità del comprensorio vulcanico dell’Etna e dell’Aeroporto Internazionale di Catania

Nella tabella seguente vengono riportati le limitazioni operative nei vari settori in funzione della posizione della nube vulcanica immessa in atmosfera a seguito di un evento parossistico registrato dal comprensorio vulcanico dell’Etna.

Tabella 1: schema riassuntivo delle limitazioni operative e dei movimenti orari dell’APT di Catania in funzione della posizione della nube vulcanica.

  • Caso Studio: eruzione dell’Etna registrata nei giorni 4-7 Dicembre 2015
    (Estratto del lavoro WRF-Chem optimization for the estimation of Etna volcanic ash fallout, E. Brega et al., arXiv: 2005.14641, sottomesso a: Journal of Applied Geophysics, 2020)

L’obiettivo principale del presente lavoro è quello di migliorare la qualità delle previsioni sulle ricadute vulcaniche dell’Etna attraverso l’ottimizzazione di un sistema di simulazione integrato basato sul modello Weather Research and Forecasting (WRF) accoppiato al modulo WRF chemistry (WRF – Chem). L’approccio proposto costituisce la prima applicazione sistematica del protocollo basato su WRF-Chem a una specifica eruzione vulcanica dell’Etna, con possibili effetti che coinvolgono l’intera area mediterranea. In questo quadro di riferimento, l’attenzione è stata focalizzata sull’evento eruttivo, registrato dal 3 al 7 dicembre 2015, che ha provocato la chiusura dell’Aeroporto Internazionale di Catania. Sono state eseguite previsioni quantitative meteorologiche ed analisi del trasporto di SO2 e di ceneri vulcaniche dell’Etna.

Analisi sinottica
Il quadro sinottico gioca un ruolo fondamentale in quanto la dispersione di ceneri e gas (SO2) immessi in atmosfera a seguito di un fenomeno eruttivo è strettamente connessa con la velocità e la direzione del vento. La Fig. 2 (a-d) mostra l’altezza geopotenziale alla quota di 500 hPa (circa 5500 metri) prevista dal modello WRF-Chem. Durante il 4 dicembre (Fig.2a) un centro di bassa pressione, localizzato tra la costa meridionale della Sardegna e la costa settentrionale della Tunisia, favorisce l’afflusso di masse di aria di direzione sud-est in corrispondenza dell’Etna. Il giorno seguente, 5 dicembre, Fig. 2b, il minimo barico trasla verso sud, posizionandosi nel continente africano in corrispondenza del confine tra Tunisia e Libia. La conseguente circolazione delle masse d’aria in prossimità dell’Etna viene ruotata in direzione Nord-Ovest. Il 6 dicembre, Fig. 2c, si registra un nuovo centro di bassa pressione tra le Isole Baleari e la Sardegna, favorendo così vento da nord in corrispondenza dell’Etna. Infine, il 7 dicembre, quando l’intensità eruttiva ha iniziato a diminuire, Fig. 2d, il sistema ciclonico si è posizionato in prossimità delle coste meridionali della Francia, favorendo un flusso settentrionale in corrispondenza dell’Etna.

Figura 2: Altezza geopotenziale alla quota di 500 hPa nei giorni 4 (a), 5 (b), 6 (c) e 7 (d) dicembre 2015.

Trasporto di SO2
Le simulazioni con il modello WRF-Chem consentono di analizzare la distribuzione spaziale del biossido di zolfo medio giornaliero emesso durante un evento eruttivo. La scala delle concentrazioni medie giornaliere di SO2 mostrate in Fig. 3 identifica valori compresi tra 0 e 100000 μg m-2 che corrispondono ad un intervallo compreso tra 0 e 3.5 Dobson Units (DU). In particolare, il 4 dicembre (Fig. 3a) vi è  una emissione di SO2 che si diffonde principalmente a sud-est con un pennacchio che attraversa il Mediterraneo fino a raggiungere quasi le coste dell’Africa.
Tra il 5 e il 7 dicembre (Figg. 3b, 3c e 3d) un altro intenso flusso di SO2 dall’Etna viene trasportato a nord, coprendo l’intera penisola meridionale italiana fino alle regioni dell’Adriatico centrale. E’ possibile notare come i risultati delle simulazioni forniscono una distribuzione spaziale delle emissione medie giornaliere di SO2 che riflettono in modo abbastanza preciso l’analisi sinottica sopra discussa (Fig. 2).

Figura3: Sequenza di immagini che illustrano la distribuzione del biossido di zolfo (SO2), ottenuta mediante simulazioni effettuate con il modello WRF-Chem

Distribuzione della cenere vulcanica

Oltre alla dispersione della SO2, in questo studio è stato simulato il trasporto della cenere vulcanica prodotta durante l’evento eruttivo registrato nell’intervallo di tempo compreso tra il 4 e il 7 dicembre 2015. Come riportato in Fig. 4, i valori medi delle diverse dimensioni di vash variano tra 10-10 e 104 μg m-2. Si osserva che le particelle più grandi (vash_4), essendo più pesanti, sono ricadute nelle aree adiacenti al vulcano, mentre quelle più sottili e leggere (vash_6) sono state trasportate a distanze maggiori, raggiungendo l’Italia centrale e le coste africane.

Figura 4: Trasporto di ceneri vulcaniche nel periodo compreso tra il 4 ed il 7 dicembre 2015.

Infine, è stata effettuata una ulteriore analisi considerando solo la cenere vulcanica con diametro compreso tra 15,62 e 31,25 μm (vash 7). In Fig. 5 viene riportata la previsione elaborata con il WRF-Chem del trasporto del suddetto vash_7. In questo caso le particelle vulcaniche più fini sono state trasportate fino alle regioni orientali dell’Europa, tra cui Slovenia, Croazia, Bosnia ed Erzegovina e Serbia. Questo andamento può essere studiato e verificato da analisi future prendendo in considerazione le misurazioni LIDAR in queste regioni.

Figura 5: Trasporto di ceneri vulcaniche di dimensioni comprese tra 15,62 e 31,25 μm (vash 7)  nel periodo dal 4 al 7 dicembre 2015.