Atmospheric dispersion models are widely acknowledged as essential tools in addressing air pollution. They significantly enhance the understanding of pollutant concentrations and trends and play a key role in supporting the development of effective abatement policies to protect the public health. High population density and numerous emission sources, combined with a limited dispersion caused by unique atmospheric conditions, make cities a focal point of the air pollution control. To this end, comprehensive high-resolution models are crucial for accurately capturing the spatial concentration gradients characteristic of urban environments, resulting in high concentration levels of urban hotspots, which can pose significant health risks. This thesis proposes a high-resolution Hybrid Modelling System (HMS) to provide comprehensive estimates of the urban air quality. The HMS is designed to assess the contributions of all emission sources affecting the urban air quality with both high temporal (hourly) and spatial (some metres) resolutions. It couples the Eulerian Chemical Transport Model FARM (Flexible Air quality Regional Model), accounting for dispersion phenomena due to regional and local emission sources, with the high-resolution modelling suite PMSS (Parallel Micro Swift Spray), used to compute concentrations resulting from vehicular traffic within the city. The HMS has been tested and successfully applied in a long-term study to perform an annual simulation on 12x12 km2 domain in the city of Rome at building resolving scale. Additionally, further enhancements have been evaluated in a weekly high-resolution simulation over an 8x8 km2 area in Milan. The proposed tool has demonstrated an effective capability in reproducing the typical spatial and temporal variability of pollutant concentrations over urban areas. The statistical analysis performed proves that it suits the standard acceptance criteria for urban dispersion model evaluation, showing a good agreement with concentration measurements from urban monitoring networks. Due to its high scalability, the HMS can be applied for various purposes in the study of air quality across entire cities, including long-term studies, forecasting systems, and "what-if" scenario evaluations. The computational demands, in terms of both time and resources, are compatible with the typical time constraints for these studies, even when large simulation domains are considered. Specifically, the HMS achieves an average computational time of 2-3 hours per simulated day on an HPC (High Performance Computing) system using 1o0-200 cores for target domains having the typical size of an entire city at a building resolving resolution.

I modelli di dispersione atmosferica sono ampiamente riconosciuti come strumenti fondamentali per studiare l'inquinamento atmosferico. Il loro impiego consente di approfondire significativamente la comprensione dei livelli di concentrazione degli inquinanti e delle loro dinamiche, offrendo un supporto cruciale nella definizione di politiche efficaci per la riduzione dell'inquinamento e la tutela della salute pubblica. Le città rappresentano aree di interesse principale per lo sviluppo di strategie di riduzione dell'inquinamento atmosferico, poiché combinano fattori come l'elevata densità abitativa, la concentrazione di numerose sorgenti emissive e le condizioni atmosferiche tipiche del tessuto urbano che limitano la dispersione degli inquinanti. In questo contesto, i modelli ad alta risoluzione risultano indispensabili per riprodurre accuratamente i gradienti spaziali di concentrazione tipici delle aree urbane, dove gli elevati livelli di inquinanti possono comportare rischi significativi per la salute pubblica. Questa tesi propone un Sistema di Modellazione Ibrida (Hybrid Modelling System - HMS) ad elevata risoluzione per fornire stime della qualità dell'aria urbana nel suo complesso. L'HMS è stato progettato per valutare i contributi di tutte le sorgenti inquinanti che influenzano la qualità dell'aria nelle aree urbane, con una risoluzione temporale (oraria) e spaziale (di pochi metri) elevata. Esso combina il modello di trasporto chimico euleriano FARM (Flexible Air quality Regional Model), che valuta il contributo derivante da sorgenti regionali e locali, con il sistema di modellazione ad elevata risoluzione PMSS (Parallel Micro Swift Spray), utilizzato per calcolare le concentrazioni dovute al traffico veicolare all'interno della città. L'HMS è stato testato e applicato con successo in uno studio di valutazione della qualità dell’aria della città di Roma, in cui è stata eseguita una simulazione annuale su un dominio di 12x12 km2 utilizzando una risoluzione spaziale di pochi metri. In aggiunta, è stata condotta una simulazione ad alta risoluzione su un'area di 8x8 km² nella zona di Milano su un breve periodo per valutare ulteriori sviluppi dell’HMS. Lo strumento proposto si è dimostrato efficace nel rappresentare la variabilità spaziale e temporale delle concentrazioni di inquinanti tipica delle aree urbane. L'analisi statistica eseguita ha confermato che il modello soddisfa i criteri di accettazione standard per la valutazione dei modelli di dispersione urbana, mostrando una buona corrispondenza con le concentrazioni osservate dalle reti di monitoraggio urbane. Grazie alla sua elevata scalabilità, l'HMS si presta a molteplici applicazioni nello studio della qualità dell'aria su scala urbana, tra cui analisi a lungo termine, sistemi di previsione e valutazioni di scenari "what-if". La richiesta computazionale, in termini di tempo e risorse di calcolo, è compatibile con i tipici vincoli temporali di questi studi, anche quando si considerano domini di simulazione di grandi dimensioni. In particolare, utilizzando un sistema HPC (High Performance Computing) con 100-200 processori, l'HMS può raggiungere un tempo di calcolo medio di 2-3 ore per giorno simulato, per domini che coprono un'intera città con una risoluzione spaziale di qualche metro.

Eulerian and Lagrangian air quality modelling at regional, local and micro scale in urban environments

BARBERO, DANIELA
2024/2025

Abstract

Atmospheric dispersion models are widely acknowledged as essential tools in addressing air pollution. They significantly enhance the understanding of pollutant concentrations and trends and play a key role in supporting the development of effective abatement policies to protect the public health. High population density and numerous emission sources, combined with a limited dispersion caused by unique atmospheric conditions, make cities a focal point of the air pollution control. To this end, comprehensive high-resolution models are crucial for accurately capturing the spatial concentration gradients characteristic of urban environments, resulting in high concentration levels of urban hotspots, which can pose significant health risks. This thesis proposes a high-resolution Hybrid Modelling System (HMS) to provide comprehensive estimates of the urban air quality. The HMS is designed to assess the contributions of all emission sources affecting the urban air quality with both high temporal (hourly) and spatial (some metres) resolutions. It couples the Eulerian Chemical Transport Model FARM (Flexible Air quality Regional Model), accounting for dispersion phenomena due to regional and local emission sources, with the high-resolution modelling suite PMSS (Parallel Micro Swift Spray), used to compute concentrations resulting from vehicular traffic within the city. The HMS has been tested and successfully applied in a long-term study to perform an annual simulation on 12x12 km2 domain in the city of Rome at building resolving scale. Additionally, further enhancements have been evaluated in a weekly high-resolution simulation over an 8x8 km2 area in Milan. The proposed tool has demonstrated an effective capability in reproducing the typical spatial and temporal variability of pollutant concentrations over urban areas. The statistical analysis performed proves that it suits the standard acceptance criteria for urban dispersion model evaluation, showing a good agreement with concentration measurements from urban monitoring networks. Due to its high scalability, the HMS can be applied for various purposes in the study of air quality across entire cities, including long-term studies, forecasting systems, and "what-if" scenario evaluations. The computational demands, in terms of both time and resources, are compatible with the typical time constraints for these studies, even when large simulation domains are considered. Specifically, the HMS achieves an average computational time of 2-3 hours per simulated day on an HPC (High Performance Computing) system using 1o0-200 cores for target domains having the typical size of an entire city at a building resolving resolution.
RIVA, MONICA
LONATI, GIOVANNI
TINARELLI, GIANNI LUIGI
10-dic-2024
Eulerian and Lagrangian air quality modelling at regional, local and micro scale in urban environments
I modelli di dispersione atmosferica sono ampiamente riconosciuti come strumenti fondamentali per studiare l'inquinamento atmosferico. Il loro impiego consente di approfondire significativamente la comprensione dei livelli di concentrazione degli inquinanti e delle loro dinamiche, offrendo un supporto cruciale nella definizione di politiche efficaci per la riduzione dell'inquinamento e la tutela della salute pubblica. Le città rappresentano aree di interesse principale per lo sviluppo di strategie di riduzione dell'inquinamento atmosferico, poiché combinano fattori come l'elevata densità abitativa, la concentrazione di numerose sorgenti emissive e le condizioni atmosferiche tipiche del tessuto urbano che limitano la dispersione degli inquinanti. In questo contesto, i modelli ad alta risoluzione risultano indispensabili per riprodurre accuratamente i gradienti spaziali di concentrazione tipici delle aree urbane, dove gli elevati livelli di inquinanti possono comportare rischi significativi per la salute pubblica. Questa tesi propone un Sistema di Modellazione Ibrida (Hybrid Modelling System - HMS) ad elevata risoluzione per fornire stime della qualità dell'aria urbana nel suo complesso. L'HMS è stato progettato per valutare i contributi di tutte le sorgenti inquinanti che influenzano la qualità dell'aria nelle aree urbane, con una risoluzione temporale (oraria) e spaziale (di pochi metri) elevata. Esso combina il modello di trasporto chimico euleriano FARM (Flexible Air quality Regional Model), che valuta il contributo derivante da sorgenti regionali e locali, con il sistema di modellazione ad elevata risoluzione PMSS (Parallel Micro Swift Spray), utilizzato per calcolare le concentrazioni dovute al traffico veicolare all'interno della città. L'HMS è stato testato e applicato con successo in uno studio di valutazione della qualità dell’aria della città di Roma, in cui è stata eseguita una simulazione annuale su un dominio di 12x12 km2 utilizzando una risoluzione spaziale di pochi metri. In aggiunta, è stata condotta una simulazione ad alta risoluzione su un'area di 8x8 km² nella zona di Milano su un breve periodo per valutare ulteriori sviluppi dell’HMS. Lo strumento proposto si è dimostrato efficace nel rappresentare la variabilità spaziale e temporale delle concentrazioni di inquinanti tipica delle aree urbane. L'analisi statistica eseguita ha confermato che il modello soddisfa i criteri di accettazione standard per la valutazione dei modelli di dispersione urbana, mostrando una buona corrispondenza con le concentrazioni osservate dalle reti di monitoraggio urbane. Grazie alla sua elevata scalabilità, l'HMS si presta a molteplici applicazioni nello studio della qualità dell'aria su scala urbana, tra cui analisi a lungo termine, sistemi di previsione e valutazioni di scenari "what-if". La richiesta computazionale, in termini di tempo e risorse di calcolo, è compatibile con i tipici vincoli temporali di questi studi, anche quando si considerano domini di simulazione di grandi dimensioni. In particolare, utilizzando un sistema HPC (High Performance Computing) con 100-200 processori, l'HMS può raggiungere un tempo di calcolo medio di 2-3 ore per giorno simulato, per domini che coprono un'intera città con una risoluzione spaziale di qualche metro.
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