Modellistica Numerica
Modelli di circolazione generale
Il Gruppo di Fisica dell’Atmosfera utilizza una gerarchia di modelli di circolazione generale (GMCs) per studiare ed affrontare domande fondamentali sulla circolazione generale di atmosfera e oceano e sul clima e la sua variabilità. Questi modelli sono caratterizzati da un grado variabile di complessità, da un core dinamico della sola atmosfera ad un modello climatico accoppiato e sono utlizzati in setup molto differenti, dall’idealizzato aquaplanet a configurazioni realistiche. I modelli che usiamo sono: ICTP-AGCM, un modello atmosferico a complessità intermedia che può essere accoppiato con un oceano termodinamico o un modello di circolazione oceanica (NEMO); l’OPEN-IFS, la versione libera dell’i Integrated Forecast System operativo presso ECMWF, che è un modello atmosferico allo stato dell’arte.
Modelli atmosferici a mesoscala
Nonostante i recenti sviluppi in diversi Modelli di Circolazione Globale (GCMs), le loro risoluzioni spazio-temporali risultano ancora insufficienti per catturare i fenomeni atmosferici che interagiscono direttamente con le attività umane. Per ottenere tale dettaglio, a partire dagli anni '70 è stata progettata una nuova tipologia di modelli atmosferici, i Modelli Climatici Regionali (RCMs), che permettono lo scambio di informazioni dalla scala sinottica dei GCMs alla scala locale. Il dominio di questi modelli solitamente è ridotto ad aree limitate per rappresentare più correttamente i principali processi associati alla superficie, allo strato limite, alla radiazione, alle nubi e alla convezione. Uno dei modelli RCM più utilizzati è WRF (Weather Research and Forecasting), fornito dal National Center for Atmospheric Research (NCAR) e progettato sia per la ricerca sia per le scopi operativi. È adatto ad un'ampia gamma di applicazioni su scale che variano da centinaia di chilometri a centinaia di metri, come ad esempio la ricerca di parametrizzazioni fisiche, le simulazioni climatiche regionali, la modellizzazione della qualità dell'aria, l’accoppiamento atmosfera-oceano e le modellizzazioni in condizioni idealizzate.
https://www.mmm.ucar.edu/weather-research-and-forecasting-model
Modelli di Trasferimento Radiativo
La modellazione del trasferimento radiativo richiede non solo la trattazione matematica delle equazioni di trasferimento radiativo, ma anche la descrizione accurata delle proprietà microfisiche e ottiche dei costituenti atmosferici (gas, nubi, aerosoli), così come delle proprietà della superficie terrestre. Tutte queste componenti vengono gestite attraverso una varietà di modelli e strumenti differenti. Il gruppo di Fisica dell’Atmosfera utilizza per questi scopi sia codici esistenti prodotti da terze parti sia codici proprietari sviluppati internamente al gruppo.
Modelli di emissività superficiale (Masuda)
Modelli di proprietà delle nubi e aerosoli (Scattnlay, ssp_psd)
Modelli di calcolo per il trasferimento radiativo (LBLRTM, DISORT, LBLDIS, RTX, LIBRADTRAN, σ-IASI/σ-FORUM)
Computational Fluid Dynamics
OpenFOAM è un software open-source per la fluidodinamica computazionale, scritto in C++ e dotato di diversi moduli per simulare una varietà di moti termo-fludo dinamici ad alta risoluzione.
Gli approcci numerici adottati sono la simulazione a grandi vortici (Large-Eddy Simulation, LES) e la simulazione stazionaria con media di Reynolds (Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS). I solutori numerici sono modificati e adattati per riprodurre specifici processi fisici di interesse, mentre un modello di turbolenza altamente accurato è stato implementato per le LES.
Inoltre, il gruppo sviluppa attivamente un solutore per riprodurre il trasferimento di calore tra diversi mezzi, l'evaporazione e la condensazione dell'acqua, la radiazione termica.
Modelli di dispersione
ADMS-Urban
ADMS-Urban (Atmospheric Dispersion Modeling System) è un modello avanzato di dispersione dell’inquinamento atmosferico sviluppato da Cambridge Environmental Research Consultants (CERC), UK. Il modello permette il calcolo delle concentrazioni di inquinanti emessi da una cittàalle scale spaziali della città, considerando esplicitamente tutte le sorgenti tipiche di un'area urbana (sorgenti continue puntuali, lineari, areali, volumetriche, CERC, 2020). ADMS-Urban ha a disposizione una serie di moduli aggiuntivi che permettono il trattamento di: terreno complesso, innalzamento del pennacchio, presenza di edifici e canyon urbano, deposizione secca e umida, chimica semplificata degli ossidi di azoto (NOx-NO2) e include un modello fotochimico per NOx e ozono.
Il modello è stato validato dal gruppo su diverse città Europee (Bologna, Vantaa, Hasselt) ed utilizzato per valutare politiche di pianificazione urbana volte al miglioramento della qualità dell’aria (iSCAPE D4.5) ipotizzando anche scenari futuri di cambiamento climatico (iSCAPE D6.5).
ADMS-TH
Il modulo ADMS-Urban Temperature and Humidity module (ADMS-TH) appartiene alla categoria dei modelli che derivano le distribuzioni risultanti come una perturbazione di un campo esistente. ADMS-TH fornisce la distribuzione spaziale del campo di temperatura e umidità generato dalle variazioni spaziali nell'uso del suolo, dalla morfologia della città e dalle emissioni di calore antropogeniche rispetto ai valori di input di vento imperturbato (CERC, 2018).
Il modello è stato validato sulla città di Bologna durante il progetto i-SCAPE (https://www.iscapeproject.eu) ed è stato utilizzato per valutare le variazioni temperatura in scenari futuri di cambiamento climatico.
EMIT
EMIT (Emissions Inventory Toolkit, CERC, 2015) è uno strumento per l'archiviazione, la manipolazione e la valutazione dei dati di emissioni provenienti da diverse fonti (strade principali, ferroviarie e industriali, strade secondarie, fonti commerciali e domestiche). EMIT memorizza i dati sulle emissioni che sono stati importati direttamente o calcola le emissioni a partire dalle attività della fonte utilizzando fattori di emissione. In alternativa, EMIT può calcolare le emissioni scalando le emissioni nazionali o regionali con una statistica locale, come la popolazione.