Rappresentatività spaziale di misure di qualità dell'aria: Valutazione di un metodo di stima basato sull'analisi dei campi di concentrazione simulati dal modello nazionale MINNI

Spatial and temporal representativeness of air quality monitoring sites is a critical parameter when choosing location of sites and assessing effects on population to long term exposure to air pollution. According to literature, the spatial representativeness of a monitoring site is related to the variability of pollutants concentrations around the site. In this work a method was implemented to quantitatively assess representativeness using the temporal evolution of simulated concentration fields. The rationale relies on the comparison between concentration time series registered at the site of interest and those registered in the surroundings. Concentration fields derived from the national air quality model MINNI, covering entire Italian territory with 4 km spatial resolution and hourly temporal resolution, were analysed. A peculiar function was set up for exploring, for a specific monitoring site, the difference between concentration values simulated at the site and those simulated in the surroundings, and describing the frequency of occurrences of comparable values in relation to a specific threshold. Recursive mapping of results was carried out by NCL scripting. The methodology was applied to detect the spatial representativeness of official Italian National Network of Special Purpose Monitoring Stations (according to the law D.Lgs. 155/2010, art. 6 and 8) focusing on ozone, PM10 and PM2.5. Simulated concentration fields related to meteorological years 2003, 2005, 2007 and corresponding ISPRA emission inventories were processed; moreover, GAINS-Italy 2005 and 2015 (scenario analysis) emission estimates were used. In-depth analysis was carried out about the seasonal variability of representativeness considering summer and winter seasons. Results have clearly demonstrated the relevant capability of this methodology to assess both extension and shape of the area of representativeness. Moreover, due to the direct analysis of concentration fields, it can be applied both on primary and secondary pollutants. Spatial resolution and detail of results derives from the resolution of input data.

La rappresentatività spaziale e temporale dei siti di monitoraggio delle concentrazioni di inquinanti in atmosfera è un parametro fondamentale nella scelta della dislocazione delle stazioni di misura e nelle valutazioni di esposizione della popolazione ai livelli di concentrazione misurati. In generale, la rappresentatività spaziale di un sito è definita in letteratura in relazione alla variabilità dei livelli di concentrazione nell’intorno del sito stesso. In questo studio è stato sviluppato ed applicato un metodo di stima quantitativa della rappresentatività basato sull’analisi dell’evoluzione temporale di campi di concentrazione, ossia sul confronto, nel tempo, di valori di concentrazione misurati in un sito con quelli misurati in un intorno più vasto. La metodologia è stata applicata utilizzando i campi di concentrazioni prodotti dal modello nazionale MINNI con passo temporale orario e risoluzione spaziale di 4km. È stata definita, sviluppata in ambiente NCL e calcolata una specifica funzione che, dato un sito di misura, descrive la frequenza con cui nel tempo è minore di una soglia fissata la differenza fra i valori di concentrazione simulati nel sito e quelli simulati in ciascun punto del dominio. La metodologia è stata applicata all’analisi di rappresentatività dei siti delle Reti Speciali di misura della qualità dell’aria (D.Lgs. 155/2010, art. 6 e 8) selezionate per la misura dell’ozono e della speciazione chimica del materiale particolato PM10 e PM2.5. Sono stati utilizzati i campi modellistici di concentrazione relativi agli anni meteorologici 2003, 2005 e 2007, e al corrispondente inventario emissivo ISPRA; inoltre sono stati utilizzati campi elaborati a partire dal database emissivo GAINS-Italia all’anno 2005 e all’anno di scenario 2015. Per tutti i siti di misura è stato effettuato anche uno studio della variabilità stagionale della rappresentatività spaziale, basato sul confronto delle serie temporali delle stagioni estiva ed invernale. L’analisi dei risultati ottenuti ha consentito di definire le condizioni ottimali di applicabilità della metodologia sviluppata ed i suoi limiti, derivanti soprattutto dal fatto che la risoluzione spaziale trattata non può superare quella del dataset di concentrazione a disposizione. Il metodo ha inoltre mostrato ottime potenzialità poiché, basandosi direttamente sull’analisi dei campi di concentrazione, consente di studiare sia inquinanti primari che inquinanti secondari, e fornisce inoltre un’accurata definizione dell’area di rappresentatività di un sito e della sua forma.