Variabilità spazio-temporale dell'ammoniaca nell'atmosfera in Lombardia

It has been analyzed the ammonia concentration trends in the atmosphere of the Lombardy area by means of a study of the ARPA measurements. Data have been recorded for two decades by the RRQA monitoring network in the majority of the region’s provinces for three different site categories, based on the air quality index: urban, rural and remote. In this study meteorological data have been necessary in order to define ammonia main sources and peculiar fluctuations, using concentration rose, PolarAnnulus and PolarPlot. The behavior of the compound has been described through two model reconstructions both based on the eulerian chemical and transport model CAMx. The simulation domain covers the entire Lombardy region end some sites of the Po valley, located in Veneto and Emilia-Romagna regions. By analyzing the data availability, two periods were chosen to perform the validation of the model: the former extends from February to March 2013, the latter from August to November 2017. Ammonia mean annual concentrations, measured near primary sources, are controlled by emissions and temperature, as peaks occur in spring and summer and troughs in winter. In Corte de’ Cortesi and Bertonico sites, located in the high intensive emission areas respectively of Cremona and Lodi, the highest ammonia levels are recorded during the typical period of agricultural practices, such as spreading of livestock waste on croplands. On the other hand, ammonia concentrations in north central areas are influenced by meteorological conditions and atmospheric circulation, and that is why maximum values are measured with south-east wind conditions. Mean daily trend of NH3 varies according to the distance from main emission sources, hourly peaks are detected in livestock areas in the morning, when favorable accumulation conditions occur, while in further areas in the afternoon, when temperature increases and the breeze transports pollution from south agricultural areas. The results of the diagnostic model validation related to February-March 2013 have been unsatisfactory because the NH3 measurements in 2013 were below the mean annual values, since the model uses an average trend of the entire dataset to reconstruct the ammonia behavior. Furthermore, the peaks in 2013 were delayed. The comparison of the simulated and observed time series show a better agreement in some hours for the intensive emission sites, instead in the urban sites, such as Milano via Pascal and Cremona via Gerre Borghi, there is a strong overestimation. Therefore, the model finds difficulties to describe the ammonia transport from agricultural areas. The prognostic model, applied on the months between August and November 2017, reveals better performance than the diagnostic one, as the estimates get closer to the measurements, although the errors found in the first validation are still present. This second model shows good results in the comparison of the time series in rural sites away from main sources of NH3, such as Schivenoglia and Mezzani, respectively in the Mantova and Parma provinces. In the urban sites the ammonia behavior is better described, by the model, in the city of Cremona than in the town areas of Milano and Vicenza, whereas in remote sites, as Moggio, in the Lecco province, the model shows worse results, with a strong underestimation throughout the examined period. Both models define the ammonia hourly mean trends using the height of the boundary layer, as a consequence the simulation in rural areas shows overestimation and underestimation respectively during the night and the day, while, in the urban sites ammonia concentrations are underestimated during the entire day. Chemical and transport models, as CAMx, have difficulties in describing ammonia fate in atmosphere and more information about its temporal and spatial emission distribution are necessary. For this reason, additional dedicated monitoring campaigns focused on NH3 atmospheric concentrations are required and they will lead to improvements in the validation of chemical models.

L’andamento delle concentrazioni di ammoniaca presenti in Lombardia è stato investigato mediante l’analisi di misure in continuo relative alle campagne di monitoraggio della Rete di Rilevamento della Qualità dell’Aria (RRQA) di ARPA Lombardia. Nel corso degli ultimi dieci anni gli strumenti di rilevamento hanno registrato i valori atmosferici di NH3 nella maggior parte delle province lombarde in tre differenti ambiti territoriali: urbano, rurale e montano. Le analisi effettuate in questo studio hanno richiesto, oltre alle misure di ammoniaca, la raccolta di dati meteorologici, tramite i quali è stato possibile evidenziare, con l’utilizzo di rose di concentrazione, PolarAnnulus e PolarPlot, comportamenti peculiari dell’NH3 in ogni zona e determinare l’origine dell’ammoniaca registrata nei siti distanti da fonti primarie. Il comportamento del composto in atmosfera è stato descritto tramite ricostruzioni modellistiche ad opera di due sistemi modellistici di natura diagnostica e prognostica, basati sul modello euleriano di chimica e trasporto CAMx. Il dominio di simulazione scelto per l’analisi delle capacità descrittive del modello copre i siti lombardi e alcune località del bacino padano delle regioni Veneto ed Emilia Romagna, per le quali sono disponibili le misure di NH3. Esaminando la disponibilità di misure di ammoniaca dell’intera base dati, sono stati individuati due periodi per i quali effettuare la validazione delle stime modellistiche diagnostiche e prognostiche: il primo, copre i mesi di febbraio e marzo 2013, mentre il secondo, comprende il periodo agosto-novembre 2017. L’andamento annuale tipo delle concentrazioni, stimato utilizzando l’intero dataset disponibile, per le aree in prossimità delle sorgenti, è governato dalle emissioni e dalla temperatura, infatti, i valori massimi sono raggiunti nei mesi primaverili-estivi, mentre i minimi nei mesi invernali. Nei siti di Corte de’ Cortesi e Bertonico, situati rispettivamente nelle provincie di Cremona e Lodi, in zone ad alta intensità emissiva, infatti, si riconoscono nel corso dell’anno medio due picchi di concentrazione in concomitanza con le tipiche pratiche agricole del territorio. Il primo, più contenuto, nel mese di marzo, mentre il secondo, di maggiore entità, nel periodo tra settembre ed ottobre, momento in cui avviene lo spandimento dei reflui zootecnici sui campi coltivati. I valori di ammoniaca registrati nelle aree della fascia centro-settentrionale della regione Lombardia risultano essere influenzati dalle condizioni meteorologiche di circolazione atmosferica, per cui in caso di venti provenienti dal settore sud-est si osservano i massimi di concentrazione. L’andamento medio giornaliero delle concentrazioni, invece, varia in funzione della distanza dalle fonti di emissione, nelle aree adiacenti ad allevamenti o aziende agricole, i picchi orari si verificano la mattina in corrispondenza con le maggiori attività emissive e con condizioni favorevoli all’accumulo, mentre nelle aree più distanti, i valori massimi si verificano nel corso del pomeriggio, quando, l’aumento di temperatura e la presenza della brezza proveniente dalle regioni ad alta intensità emissiva, trasporta masse d’aria cariche dai settori meridionali della Pianura Padana. La validazione delle stime del modello CAMx relative al periodo febbraio-marzo 2013, effettuata tramite il confronto con i valori rilevati dalle stazioni di monitoraggio ARPA, non ha portato a risultati particolarmente soddisfacenti, in quanto nel corso del 2013 si sono misurati valori di NH3 inferiori alle medie dell’anno tipo e il tipico trend osservato negli anni risulta essere ritardato di un mese. Il confronto tra le serie temporali osservate e simulate ha mostrato un miglior accordo solo in alcune ore per le stazioni ad alta intensità emissiva, come Corte de’ Cortesi e Bertonico, mentre per le stazioni urbane, come Milano via Pascal e Cremona via Gerre Borghi, si nota una sovrastima consistente in quanto il modello non è in grado di descrivere il trasporto di ammoniaca dai settori meridionali, facendo ristagnare nelle aree rurali la maggior parte delle emissioni. Il confronto tra il giorno tipo delle concentrazioni misurate e stimate non ha prodotto risultati soddisfacenti poiché nelle stazioni rurali si è evidenziata una forte sovrastima nelle prime ore del mattino e nel corso della notte, mentre nelle ore centrali si osserva una sottostima, nelle stazioni urbane, invece, la sottostima si estende a tutte le ore del giorno. La ricostruzione del comportamento dell’ammoniaca atmosferica da parte del modello prognostico nel periodo agosto-novembre 2017 ha avuto un esito migliore, infatti, nonostante valgono ancora le considerazioni fatte per la prima validazione, le stime si avvicinano alle misure. Buoni risultati si sono presentati nel confronto tra le serie temporali per le aree rurali non nelle immediate vicinanze di sorgenti emissive consistenti, come Schivenoglia e Mezzani, rispettivamente a Mantova e a Parma, mentre, nelle aree ad elevate emissioni il modello sovrastima le concentrazioni nel mese di novembre. Per quanto riguarda l’ambito cittadino il modello si adatta meglio alle misure rilevate a Cremona piuttosto che a quelle di Milano e Pavia, mentre nelle aree remote, come Moggio, si osservano i risultati peggiori, con una forte sottostima nel corso del periodo esaminato. Nel corso del 2017 si nota la convergenza tra i valori di ammoniaca registrati nelle stazioni rurali e quelli misurati nei siti urbani non distanti da zone a vocazione agricola, infatti, si osservano simili comportamenti per quanto riguarda il giorno tipo. Il modello, come succedeva per le stime del 2013, ricostruisce l’andamento orario in relazione all’altezza dello strato rimescolato, pertanto, nelle aree agricole si presentano sovrastime notturne e sottostime diurne, mentre nei siti urbani, come Milano e nei comuni di Vicenza, gli andamenti registrati vengono sottostimati in tutte le ore del giorno. I modelli di chimica e trasporto incontrano difficoltà nel descrivere il destino dell’ammoniaca in atmosfera e la conoscenza delle fonti di emissioni principali e dell’importanza che riveste il composto a livello atmosferico non sono sufficienti in quanto non si hanno molte informazioni sull’entità e variabilità temporale delle emissioni e sulla loro distribuzione spazio-temporale. In futuro il confronto con nuove campagne di monitoraggio e il miglioramento di ulteriori simulazioni su altri periodi e scenari potrebbe consentire di acquisire nuove informazioni sul comportamento di un inquinante che solo recentemente è oggetto di studio di simulazioni modellistiche.