Le grandezze meteorologiche rilevanti ai fini della diffusione
Le grandezze meteorologiche usate dai modelli di diffusione si possono suddividere in due categorie.
Da un lato le grandezze "standard" (temperatura, vento, umidità, copertura nuvolosa, radiazione), che sono misurabili direttamente con strumenti relativamente semplici e sono generalmente comprese nelle ordinarie reti di monitoraggio.
Dall'altro i parametri che descrivono la turbolenza del PBL: sono difficili da misurare direttamente e spesso è necessario stimarli con metodi semi-empirici, ma il loro valore ha un impatto decisivo sulle proprietà diffusive dell'atmosfera; la loro conoscenza è quindi indispensabile per utilizzare correttamente i modelli di dispersione, in particolare negli scenari 1 e 2.
Nel seguito, vengono descritte in modo sintetico le più utilizzate tra queste grandezze, con particolare attenzione a quelle che descrivono la turbolenza; l'elenco non è certamente completo, ma si è cercato di dare un'idea del significato fisico e dell'utilizzo pratico delle grandezze più comuni, senza pretendere di essere assolutamente rigorosi.
Le grandezze meteorologiche "standard"
| Grandezza | Unità di misura | Note |
| Temperatura | °C, o °K | °K = °C + 273.16. Vicino alla superficie dipende fortemente dall'altezza dello strumento (normalmente 2 metri dal suolo) |
| Umidità relativa | % | Vicino alla superficie dipende fortemente dall'altezza dello strumento (normalmente 2 metri dal suolo) |
| Vento (orizzontale) | m/s | Vicino alla superficie dipende fortemente dall'altezza dello strumento (normalmente 10 metri dal suolo)E' una grandezza vettoriale, e può essere espressa come vettore di componenti (u = componente da Est; v = componente da Sud) oppure come direzione e modulo. Nel secondo caso, viene normalmente riportata la direzione di provenienza rispetto al Nord (0° = vento proveniente da Nord, 90° = vento da Est, …) |
| Radiazione | W/m2 | Può essere misurata in molti modi (radiazione diretta, riflessa, totale, visibile, infrarossa…), quella più usata nei problemi relativi alla diffusione è la radiazione solare incidente |
| Copertura nuvolosa | Ottavi | Generalmente misurata tramite osservazione visiva |
| Tipo di nubi | Codici WMO | Generalmente misurata tramite osservazione visiva |
Le grandezze meteorologiche relative alla turbolenza
I moti turbolenti che avvengono nel PBL sono troppo variabili e complessi per poter essere descritti in modo completo in termini di temperatura e velocità del vento. E' quindi necessario introdurre delle grandezze che descrivano le proprietà medie di questi moti, cercando di catturarne gli aspetti che maggiormente influenzano le proprietà diffusive dell'atmosfera.
Sono state proposte molte grandezze di questo tipo: alcune (friction velocity, lunghezza di Monin-Obukhov…) derivano direttamente dal valore dei flussi di calore e momento tra superficie e atmosfera; altre possono essere definite in modo semi-empirico a partire, per esempio, dall'altezza media degli edifici (rugosità) o dal profilo verticale di temperatura e umidità (classe di stabilità).
A volte la determinazione del loro valore può non essere univoca, anche se si conosce in dettaglio lo stato dell'atmosfera (è il caso dell'altezza di rimescolamento). Infatti, solitamente queste grandezze non si riferiscono a una particolare proprietà misurabile in un dato istante, ma sono piuttosto delle "grandezze di scala", cioè forniscono una stima della scala che assumono in media alcuni moti atmosferici. La "convective velocity scale", ad esempio, è una stima delle fluttuazioni di velocità verticali attese nelle celle convettive del PBL (Stull, 1998), ma non corrisponde alla particolare velocità che si può effettivamente misurare in qualsiasi un punto e a un dato istante.Dal modo in cui sono definiti, discende che questi parametri non sono tutti indipendenti tra loro. Per definire lo stato del PBL possono essere quindi usati, in modo alternativo, diversi insiemi di grandezze: la scelta dipende dal particolare problema che si deve trattare e dai dati meteorologici effettivamente disponibili. Alcuni modelli diffusivi sono predisposti per accettare in input diversi insiemi di parametri, a seconda delle necessità dell'utente.
Si capisce quindi come la stima delle grandezze relative alla turbolenza sia molto più complessa di quelle standard: occorre usare strumenti moderni e sofisticati (anemometri sonici, sodar, igrometri a risposta veloce ecc.), e molte di queste non possono comunque essere misurate direttamente. Si tratta in ogni caso di misure costose, e la copertura dei dati non è quasi mai sufficiente. Sono quindi stati proposti numerosi schemi, più o meno empirici, per stimare i parametri della turbolenza a partire dalle grandezze meteorologiche standard; l'implementazione di questi schemi costituisce il nucleo dei preprocessori meteorologici.
Velocità verticale (w):
Componente verticale del vento, positiva se diretta verso l'altoIntensità dell'inversione:
Quando nello stesso punto sono disponibili (almeno) due misure di temperatura ad altezze diverse, la loro differenza può dare un'indicazione di massima sulla stabilità atmosferica.Altezza di rimescolamento (zi):
Corrisponde all'altezza dello strato rimescolato (fig. 1), ed è forse il parametro più utilizzato per valutare la diffusione degli inquinanti in condizioni di PBL instabile. Per definirla occorre individuare fino a quale quota sia verificata una condizione, scelta come caratteristica peculiare dello strato rimescolato; sono state proposte ad esempio: forte turbolenza, forte rimescolamento dell'aria, rapida diffusione degli inquinanti, presenza di forti flussi verticali di calore e momento (Seibert 1988). La scelta della particolare definizione può portare a valori anche sensibilmente diversi di zi.Classe di stabilità:
E' un indicatore qualitativo dell'intensità della turbolenza atmosferica. Esistono diversi schemi di classificazione, che prevedono un diverso numero di classi e si basano sul valore di una (o più) grandezze meteorologiche collegate alla turbolenza: gradiente verticale di temperatura (classi di Pasquill-Gifford), deviazione standard della direzione del vento, rugosità e lunghezza di Monin-Obukhov.Flusso di calore sensibile:
Flusso di calore scambiato per conduzione molecolare; in genere si considera quello superficiale, che misura gli scambi di calore tra suolo e atmosfera. I valori sono positivi se il flusso è diretto verso l'alto.Flusso di calore latente:
Proporzionale al flusso di vapore acqueo; in genere si considera il flusso superficiale, che corrisponde alla quantità di acqua che evapora dal suolo nell'unità di tempo. I valori sono positivi se il flusso è diretto verso l'alto.Flusso di momento:
In genere si considera il flusso verticale della componente orizzontale del momento, diviso per la densità dell'aria (flusso di momento cinematico). Il suo valore alla superficie esprime l'effetto di freno che l'attrito al suolo ha sul flusso d'aria, ed è quindi sempre negativo.Friction Velocity (u*):
E' una grandezza di scala che dà indicazioni sull'entità della turbolenza generata da fattori meccanici vicino alla superficie (principalmente l'aumento della velocità del vento con la quota nello strato superficiale)Lunghezza di Monin Obukhov (L):
E' un parametro di scala utile nello strato superficiale, e corrisponde al rapporto tra l'intensità della turbolenza prodotta da fattori meccanici (shear del vento) e quella di origine convettiva (termiche). In condizioni di PBL instabile (giorno) L è positiva, e L/2 è circa uguale all'altezza in cui le due sorgenti di turbolenza sono uguali.Convective velocity scale (w*):
In condizioni di PBL stabile (notte) L è negativa, perché la stratificazione stabile dell'atmosfera inibisce la convezione e il termine di produzione convettiva diventa negativo (Stull, 1988).
E' una grandezza di scala utile in condizioni di PBL instabile, tanto più grande quanto maggiori sono l'altezza di rimescolamento e i flussi di calore dalla superficie. Dà un'indicazione sulle velocità verticali che possono essere generate dai moti convettivi del PBL.Rugosità del terreno (z0):
Indica fino a quale altezza sul terreno l'effetto degli ostacoli (alberi, edifici, ecc.) è dominante: al di sotto di tale quota il vento medio è sostanzialmente nullo. Dipende da altezza, forma e densità degli ostacoli, ma è sempre minore della loro altezza effettiva. Il suo valore determina il profilo dell'intensità del vento nello strato superficiale.Displacement distance (d):
Su un terreno con ostacoli alti e fitti (un bosco, una città…), è possibile definire una superficie al di sopra della quale il profilo del vento ricalca quello che si avrebbe nello strato superficiale su un suolo senza ostacoli. Tale superficie, che corrisponde grosso modo all'inviluppo degli ostacoli, agisce sul flusso atmosferico come un suolo "spostato"; d è la sua l'altezza rispetto al suolo reale.
| Grandezza | Definizione | Unità di misura | Valori tipici |
| Velocità verticale (w) |  |
m/s | 10-2 (valori medi) 1÷5 (celle convettive) |
| Intensità dell'inversione | T2 - T1 | °K | 0÷5 |
| Altezza di rimescolamento (zi) | Varie | m | 50÷2000 (giorno) |
| Classe di stabilità | Empirica | Classi | 1÷6 |
| Flusso di calore sensibile (superficiale) |  |
W/m2 | 0÷500 (giorno) -50÷0 (notte) |
| Flusso di calore latente (superficiale) |  |
W/m2 | 0÷500 (giorno) -50÷0 (notte) |
| Flusso di momento (cinematico) |  |
m2/s2 | 0÷10 |
| Friction Velocity (u*) |  |
m/s | 0÷2 |
| Lunghezza di Monin Obukhov |  |
m | -inf.÷0 (giorno) 0÷+inf. (notte) |
| Convective velocity scale (w*) |  |
m/s | 0÷2 (giorno) |
| Rugosità del terreno (roughness; z0) | Estrapolate dal profilo dell'intensità del vento nello strato superficiale, in modo da approssimare la relazione: |
m | Da 10-4 a 1 (fig.4) |
| Displacement distance (d) | m | Altezza media degli ostacoli |
