A comparative study of sensitivity analysis applied to the Lagrangian particle model SPRAY and the CALPUFF model

Dispersion models are an increasingly widespread tool to simulate pollutant dispersion into the atmosphere providing the spatial-temporal concentration field of pollutant species. However, to make the results meaningful, several factors of uncertainty need to be considered. One of these is represented by the input data supplied to the model. This work aims to analyse the sensitivity of the Lagrangian model SPRAY to source characteristics and model specific parameters and to compare these results with those relevant to the CALPUFF model to identify the most influential parameters and to evaluate their effects on the model output. For this purpose, two case studies are considered. The first concerns an incidental fire of a section of an oil refinery, the second the odour impact assessment from a landfill. To carry out the sensitivity analysis, two different approaches are followed. Firstly, alternative emission scenarios, in which a single input datum is subjected to "macroscopic variations" compared to the most representative scenario for the selected case study, are identified. This approach aims to assess the impact on public health caused by a wrong estimation of input data. Then, the most influential parameters, and whose definition is particularly critical, are further analysed. To do this, a “microscopic variation” is imposed to the input data, in order to evaluate the model sensitivity to the investigated parameters. For the first case-study, this work reveals the source area as the main source of uncertainty for the output of both models, except for the specific fire option provided by SPRAY, for which a variation of the source area doesn’t affect the plume rise calculation and thus produces no effect on the outputs. For the landfill, the most interesting result is that, for CALPUFF, the choice of σz0 leads to high uncertainties, differently from SPRAY, for which none of the parameters significantly affect the results. This outcome is particularly interesting if considering that CALPUFF is often used to assess landfill odor impact for authorization purposes, thus indicating that the choice of σz0 may result in the compliance or not of regulatory limits.

I modelli di dispersione costituiscono uno strumento sempre più diffuso per simulare il comportamento di un inquinante in atmosfera restituendone la distribuzione spazio-temporale. Per rendere significativi i risultati vi sono, tuttavia, una serie di incertezze che è opportuno considerare. Una di esse è legata ai dati di input forniti al modello. L’obiettivo di questo lavoro è valutare la sensitività del modello Lagrangiano SPRAY rispetto al termine sorgente e a parametri caratteristici del modello ed il confronto con il modello CALPUFF al fine di valutare l’effetto sui risultati delle variabili maggiormente influenti. A questo scopo si sono ipotizzati due casi studio. Il primo relativo ad un incendio avvenuto in una sezione di una raffineria, il secondo riguardante la valutazione dell’impatto odorigeno da una discarica. Per valutare la sensitività, sono stati, in prima analisi, identificati scenari emissivi alternativi, caratterizzati da una “variazione macroscopica” di un parametro rispetto allo scenario più rappresentativo. L’obiettivo è la valutazione dell’impatto sul territorio causato da una possibile stima errata di un dato di input. In secondo luogo, sono stati ulteriormente analizzate le variabili più influenti e la cui definizione risulti particolarmente critica. Questo approccio, a seguito di una “variazione microscopica” sul dato di input, esamina la sensitività del modello. Considerando il primo caso studio questo lavoro evidenzia come l’area della sorgente rappresenti la principale fonte di incertezza sui risultati di entrambi i modelli. La sola eccezione è rappresentata dallo specifico modello incendi previsto da SPRAY per il quale l’area della sorgente non interviene nel calcolo del plume rise e quindi non produce effetti sull’output. Per la discarica, invece, il risultato più interessante riguarda l’elevata sensitività di CALPUFF derivante dalla scelta del σz0, a differenza di SPRAY, i cui risultati sono praticamente indipendenti dai parametri investigati. Ciò è particolarmente interessante considerato che CALPUFF viene spesso utilizzato a fini autorizzativi, quindi la scelta del σz0 può comportare la conformità o meno ai limiti normativi.