Preprocessore Meteorologico Tridimensionale
Un esempio di preprocessore meteorologico tridimensionale è Calmet: si tratta di un modello diagnostico che, partendo dai dati osservati, ricostruisce i campi di vento, temperatura e dei più comuni indicatori della turbolenza nello strato limite.
Calmet è progettato per funzionare da interfaccia tra le osservazioni più comunemente disponibili e i modelli di diffusione: accetta quindi in input i dati dalle stazioni meteorologiche al suolo e dei radiosondaggi, e produce in uscita dei campi orari su grigliato tridimensionale. Il modello, in sostanza, esegue un'interpolazione spazio-temporale dai punti sparsi delle osservazioni al grigliato di uscita; nel fare questo, tiene conto degli effetti dell'orografia e delle caratteristiche del suolo, e stima tramite opportune parametrizzazioni le grandezze relative alla turbolenza (che non sono comprese nelle normali reti di misura).
Calmet è anche parte di un sistema integrato di modelli per la qualità dell'aria, che comprende tra gli altri, il modello di diffusione Calpuff (gaussiano non stazionario) e il modello fotochimico Calgrid. Calmet e Calpuff sono disponibili gratuitamente sul sito della Earth Tech www.earthtech.com.
Dati di input:
Parametri obbligatori:
orografia, uso del suolo, roughness lenght, albedo, Bowen ratio, indice di area fogliare, flusso di calore antropogenico, frazione della radiazione netta trasmessa nel suolo.
vento, temperatura, umidità, pressione, copertura nuvolosa, ceiling height. Devono essere date con cadenza oraria, e per ogni ora deve essere presente almeno un'osservazione per ciascun parametro.
vento, temperatura, pressione. In genere provengono dai radiosondaggi, e devono essere dati ogni 12 ore (cadenza standard WMO)
Parametri opzionali:
differenza di temperatura aria-mare, altezza di rimescolamento, gradiente verticale della temperatura atmosferica.
da usare come valori di prima scelta nell'algoritmo di analisi; in genere, sono prodotti da un modelli meteorologico (es. MM5) o da un altro preprocessore.
Output:
temperatura e 3 componenti del vento
altezza di rimescolamento, classe di stabilità, friction velocity, Lunghezza di Monin Obukhov, Convective velocity scale.
densità dell'aria, radiazione solare incidente.
Descrizione degli algoritmi di calcolo
Il modello Calmet si compone di un modulo diagnostico mass-consistent per il campo di vento e un modulo micrometeorologico per la stima dei parametri della turbolenza.
Il modulo diagnostico utilizza un approccio in due fasi, e l'utente può specificare quali dei singoli algoritmi devono essere applicati.
Nella prima fase, un campo di prima scelta (costruito interpolando le osservazioni in quota o fornito dall'esterno) viene aggiustato per tenere conto degli effetti cinematici del terreno, degli slope flows e degli effetti di blocco.
Successivamente, il campo risultante viene ulteriormente modificato con l'introduzione delle osservazioni superficiali: lo schema d'interpolazione usa pesi proporzionali a 1/r2, e comprende diversi algoritmi per estrapolare in quota i dati misurati vicino alla superficie. Il vento risultante viene infine smussato, ed eventualmente riaggiustato per azzerare le velocità verticali al livello più alto e minimizzare la divergenza.
In tutti i passaggi, la componente verticale del vento viene diagnosticata in base all'equazione di conservazione della massa.
Il modulo micrometeorologico tratta separatamente i punti di terra e di mare.
Sui punti di terra, il flusso di calore sensibile e i parametri descrittivi della turbolenza sono stimati a partire da intensità del vento, temperatura e copertura nuvolosa utilizzando uno schema di bilancio energetico (Holstag e Van Hulden 1983). L'altezza di rimescolamento viene determinata a partire dai flussi di calore e dai profili di temperatura osservati seguendo lo schema di Carson (1973). La classe di stabilità è stimata in modo indipendente, a partire da temperatura, copertura nuvolosa e ceiling height.
Sul mare, invece, i parametri della turbolenza sono valutati con un metodo di profilo, basato sul modulo del vento superficiale e sulla differenza di temperatura tra aria e mare.
Si noti che tutte le elaborazioni avvengono in modo indipendente per ciascun istante temporale.
Per una più estesa bibliografia e per maggiori dettagli sugli algoritmi di calcolo, sull'implementazione e sull'utilizzo del modello, si rimanda al manuale d'uso di Calmet, disponibile sul sito della Earth Tech.
Campo di applicazione
Il modello Calmet può essere utilizzato come preprocessore per la maggior parte dei modelli per la qualità dell'aria che richiedono in input dati meteorologici su un singolo punto o su grigliato. Può essere utilizzato per applicazioni in terreno complesso, senza vincoli particolari sull'estensione del domino e sulla risoluzione del grigliato.
Limiti e note
La qualità dei risultati dipende fortemente dall'effettiva rappresentatività delle stazioni di misura, in particolare quando si considerano terreni con orografia complessa.
Non avendo al proprio interno le equazioni fondamentali della fluidodinamica, il modello non può riprodurre circolazioni atmosferiche che non siano già presenti nelle osservazioni (brezze marine, moti legati all'isola di calore urbana ecc.).
Calmet è stato progettato per essere interfacciato ai modelli e agli archivi del NWS americano: la gestione dei files di I/O può quindi risultare laboriosa.
Bibliografia
Casron D. J. (1973): The development of a dry, inversion capped, convectively unstable boundary layer. Quart. J. Roy. Met. Soc. 99, 450-497
Deserti, Cacciamani, Golinelli, Kerschbaumer, Leoncini, Savoia, Selvini, Paccagnella, Tibaldi (1999): Operational meteorological pre-processing at Emilia Romagna ARPA Meteorological Service as a part of a decision support system for air quality management. Proceedings of 6th International Conference on Harmonisation within atmospheric dispersion modelling for regulatory purposes.
Holtslag A. A. M. & van Ulden A. P. (1983): A simple scheme for daytime estimates of the surface fluxes from routine weather data. J. Clim. & Appl. Meteor., 22, 517-529
Scire J. S., Insley E. M., Yamartino R. J., Fernau M. E. (1995): A User's guide for the CALMET Meteorological Model