Università degli Studi di Napoli “Federico II”

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Scuola di dottorato in“Ingegneria aerospaziale, navale e della qualità”

XXVI Ciclo

Weather predictions at high spatial resolutionfor a volcanic ash cloud tracking system

5 Maggio 2014

Coordinatore Prof. Luigi de LucaTutor Prof. Vincenzo Della Corte Prof. Angelo Riccio

Studentedott. Giuseppe Agrillo

Previsioni meteo ad alta risoluzione

Previsioni di qualità dell’aria

Dispersione delle particelle: ACT (Ash Cloud Tracking)

Applicazione Stromboli – eruzione del 2013-01-12 Mt. Etna - eruzione del 2013-12-14,15,16

Indice

Centro avanzato di previsione e monitoraggio ambientale

Catene modellistiche operazionali ◦ NOAA/GFS-WRF (previsioni meteo)◦ Modelli accoppiati al WRF

CHIMERE (qualità dell’aria) WW3 (stato del mare) CALMET (venti alta risoluzione) CALPUFF (trasporto di particelle da sorgenti attive)

Rete di monitoraggio ambientale◦ Radar meteo (piovosità)◦ Radar costiero (correnti superficiali)◦ Centraline meteorologiche (stato dell’atmosfera)◦ Ondametri (altezza e periodo delle onde)

Il progetto CCMMMA

12 nodi 144 core 2.67GHz

288 GB di memoria RAM

26 TB

Network InfiniBand a bassa

latenza

Linux CentOS

Beowulf framework

Compilatori gcc/pgi

Il progetto CCMMMA

Campi di vento ad alta risoluzione spaziale◦ Limiti fisici del modello WRF e computazionali ◦ WRF-CALMET (interpolazione diagnostica)◦ Mesh con risoluzione di 500, 250 e 100 metri

Il progetto CCMMMA

Golfo di Napoli:Campo di vento, mesh a 500 metri

Sistema di previsione per il trasporto e la dispersione di sostanze in atmosfera

◦ Trasporto del particolato atmosferico

◦ CALPUFF System (CALMET, CALPUFF, CALPOST): trasporto e dispersione di materiale emesso da sorgenti attive simulando la dispersione e i processi di trasformazione lungo il percorso

◦ Catena modellistica WRF-CALMET-CALPUFF Dispersione delle polveri vulcaniche

(ACT) Supporto alla gestione e alla sicurezza

del traffico aereo

Dispersione delle particelle

Rischio per la sicurezza del volo ◦ breve termine

Danni immediati alle strutture dell’aereo Alterazione e blocco dei sensori di bordo Contaminazione dell’aria in cabina

◦ Lungo termine Erosione delle componenti meccaniche ed

elettroniche Contaminazione dei sistemi di ventilazione

e pressurizzazione Degrado delle piste degli aeroporti

VAACs (Volcanic Ash Advisor Centers)

Le polveri vulcaniche: sicurezza aerea

Terzo anno 2013-2014

Secondo anno 2012-2013

Timeline

CALPUFF: Eruzione Stromboli Gennaio 2013;Analisi dell’evento e parametrizzazione della sorgente emissiva;Ottimizzazione del work-flow.

KML Engine

CALPUFF: Eruzione Etna Dicembre 2013;Analisi di sensibilità (Tuning EXITVEL/STACKD).KML ENGINE : Estrazione, creazione e visualizzazione della distribuzione della nube di cenere vulcanica

Primo anno 2011-2012

WRF: previsioni meteorologiche ad alta Risoluzione spazio-temporaleCALMET: Campi di vento ad alta risoluzione

12-Gen-2013 inizio fase eruttiva piroclastica

Produzione di una densa nube di materiale litico

Coordinate: 38.789°N, 15.213°E

924 m sopra il livello del mare, la base si trova a 2000 m sotto il livello del mare

I crateri sommitali si trovano ad una quota di 750 m

Superficie totale: 12.6 chilometri quadrati (isola di Stromboli)

Le polveri vulcaniche:Eruzione dello Stromboli

[...] Alle 11.10 UTC la vista della Sciara è stata completamente oscurata per circa 20 min da una densa nube di vapore carico di particelle che risaliva a folate il versante. L’intensa emissione di vapore ha prodotto una nuvola carica di particelle litiche di inusuale grandezza che si è sviluppata sopra la sommità del vulcano. […]» Rep. N° 03/2013 – INGV

http://www.pa.ingv.it/Eruzioni/Stromboli/attivita_stromboli.php

Parametrizzazione della catena modellistica ACT: Ash Cloud Tracking System

Le polveri vulcaniche: Eruzione dello Stromboli

NX=100NY=100IUTM=33IMISS=55XREF=513.0YREF=4288.0GRIDKM=0.100

wrf3_d02_20130112Z00

Parametrizzazione della catena modellistica ACT: Ash Cloud Tracking System

Le polveri vulcaniche: Eruzione dello Stromboli

OUTPUTConcentrazione oraria e flussi di deposizione

X = 518.00,4293.84,10.0, 0.0, 2.0, 2.0,400.0, 0.0, 1.00E-04

NX=100NY=100IUTM=33IMISS=55XREF=513.0YREF=4288.0GRIDKM=0.100

wrf3_d02_20130112Z00

natural-color satellite imageStromboli, volcanic plumeJanuary 13, 2011http://earthobservatory.nasa.gov

I risultati sono coerenti con l’evoluzione tipica del fenomeno in condizioni meteorologiche simili

Stratovulcano: Eruzioni di tipo

stromboliane con fasi eruttive effusive e

piroclastiche.

Coordinate: 37°45.3’N 14°59.7’E

Elevazione: 3350 m

INGV Rap 51/2013 (data emissione 17/12)

Inizio evento 12/14

Fine evento 12/16

Emissione di ceneri vulcaniche

Formazione del pennacchio (plume)

ETNA Eruzione del 2013-12-14,15,16

Le condizioni standard del CALPUFF sono state modificate in modo da tener conto delle caratteristiche peculiari di un evento eruttivo

Distribuzione granulometrica delle polveri Temperatura dei fumi Raggio della bocca eruttiva (STACKD) velocità di flusso di uscita (EXITVEL) frazione di massa di vapore

I valori di EXITVEL e STACKD sono statti variati secondo dati raccolti da misure sul campo e rapporti INGV per ogni giorno di simulazione producendo un totale di 27 simulazioni.

ETNA Eruzione del 2013-12-14,15,16

EXITVEL

STACKD

20 2

20 5

20 7

40 2

40 5

40 7

80 2

80 5

80 7

ETNA Eruzione del 2013-12-14,15,16

KML Engine

ETNA Eruzione del 2013-12-14,15,16

KML Engine

ETNA Eruzione del 2013-12-14,15,16

KML Engine

ETNA Eruzione del 2013-12-14,15,16

KML Engine

ETNA Eruzione del 2013-12-14,15,16

KML Engine

Integrazione in sistemi di Early warning◦ Previsione della distribuzione della nube di

polveri◦ Aumento dei fattori di sicurezza◦ Contenimento delle perdite economiche

Valutazione del rischio delle ceneri vulcaniche nell’area del mediterraneo centrale

Supporto alle decisioni per la gestione del traffico aereo◦ Spazi aerei sicuri;◦ Rotte a minore grado di pericolosità;◦ Campionamenti in-situ.

Applicazioni aereonautiche

EVENTI◦ Workshop, “International Workshop on flash flood and debris flow

risk management in Mediterranean areas” - 26/01/2012

◦ Workshop, Nuove prospettive e tecnologie per il calcolo (E4 Computer Engineering, Bologna, 13-14 Settembre 2012)

◦ V Convegno Nazionale sul Particolato Atmosferico (PM2012, Perugia, 16-18 Maggio 2012)

◦ Introduction to Fortran90 (CINECA, Roma, 22-25 Gennaio 2013)

◦ 3th European Postgraduate Sustainable Development Symposium (Napoli, UniParthenope, 13-15 Febbraio 2013)

◦ Esercitazione SQUALO 2013

◦ Convegno “Energie Rinnovabili ed Efficienza Energetica” 17/05/2013

◦ TBIZ 2013 - Smart University: forecast weather service and "OpenData" applications to share weather and oceanographic content, 28-29/11/2013

◦ Workshop, UCS Test Drive - Two-Day Session Delivers Overview of Cisco UCS - Roma, 13-14 Marzo 2014

Attività svolte

Agrillo Giuseppe, Riccio Angelo, Chianese Elena, Tirimberio Giuseppina, Monaco Dario - �Sistema di previsioni per la qualità dell’aria: Modellistica operazionale ad alta risoluzione per il calcolo dell’AOD per il bacino del mediterraneo centrale - PM2014

Agrillo Giuseppe, Riccio Angelo, Chianese Elena, Tirimberio Giuseppina, Monaco Dario - Sistema on-demand ad alta risoluzione spaziale per la previsione della �distribuzione e deposizione dei fumi emessi da incendi sulla regione Campania - PM2014

Riccio, E. Chianese, G. Agrillo, C. Esposito, L. Ferrara, G. Tirimberio - Source apportion of atmospheric particulate matter: A joint Eulerian/Lagrangian approach - Environmental Science & Pollution Research - Nov. 2013

G. Agrillo, E. Chianese, A. Riccio, A. Zinzi - Modeling and characterization of air pollution: perspectives and recent developments with a focus on the Campania region (Southern Italy) - International Journal of Environmental Research 909-916,Autumn 2013 ISSN: 1735-68652013

A. Riccio, G. Agrillo, A. Zinzi, R. Montella, R. Di Lauro - CCMMMA: servizi di modellistica ambientale per la previsione meteorologica e di qualità dell'aria ad alta risoluzione spaziale - PM2012 – V Convegno Nazionale sul particolato Atmosferico - 16-18 Mag. 2012

Contributi scientifici (U-GOV)

Volcanic ash impacts on critical infrastructure - Thomas M. Wilson. et al. - Physics and Chemistry of the Earth 45–46 (2012) 5–23

Encounters of Aircraft with Volcanic Ash Clouds: A Compilation of Known Incidents 1953–2009 - Marianne Guffanti, et al. - USGS

Flight Safety and Volcanic Ash – Doc 9974, ICAO 2012 IV meeting of the international volcanic ash task force (IVATF/4)

– Final report (Montréal, Canada, 13 to 15 June 2012) Atmospheric Chemistry and Physics 2nd ed - J. Seinfeld, S.

Pandis (Wiley, 2006) Mesoscale Meteorological Modeling - Roger A. Pielke (AP 2002

693s) William C. Skamarock et Al - A Description of the Advanced

Research WRF Version 3 - NCAR/TN–475+STR , ARW Tech Note June 2008

WRF-ARW V3: User’s Guide - This document is complementary to the ARW Tech Note - July 2012

S. Shire, R.Robe, E. Fernau, J.Yamartino - Calmet UserGuide - Earth Tech Inc. 2000

Ken Dean et Al. - PUFF: A high-resolution volcanic ash tracking model - Journal of Volcanology and Geothermal Research 80 (1998) 1-16

S. Shire, R.Robe, E. Fernau, J.Yamartino - A User’s Guide for the CALPUFF Dispertion Model - Earth Tech Inc. 2000

Applications of the PUFF model to forecasts of volcanic clouds dispersal from Etna and Vesuvio - P.Daniele, et. al.- Computers & Geosciences 35 (2009) 1035–1049

The VOL-CALPUFF model for atmospheric ash dispersal: Approach and physical formulation - S. Barsotti, A. Neri and J. S. Scire - JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 113

MAFALDA: An early warning modeling tool to forecast volcanic ash dispersal and deposition - S. Barsotti, L. Nannipieri, and A. Neri – Geochemistry Geophysics Geosystems, Volume 9, Number 12

Volcanic hazard at Vesuvius: An analysis for the revision of the current emergency plan - G. Rolandi - Journal of Volcanology and Geothermal Research 189 (2010) 347–362

Bibliografia