Riassunto analitico
La Pianura Padana (Italia settentrionale), è una macroregione affetta da gravi problemi d’inquinamento atmosferico, essendo l’area con la più grande concentrazione industriale, commerciale e a elevata densità di popolazione del territorio nazionale. Tuttavia, le concentrazioni di inquinanti che interessano l’Italia settentrionale non sono solo legati alla presenza di centri altamente urbanizzati e industrializzati: la presenza della catena alpina a Nord della valle, e gli Appennini a Sud, agiscono come una barriera ai venti che spirano prevalentemente da Nord dell’Europa e dal Mediterraneo, favorendo condizioni di ristagno e di accumulo delle sostanze inquinanti. A causa dei problemi di salute direttamente correlati all'inquinamento atmosferico urbano, le agenzie di protezione ambientale del territorio continuano a ricercare migliori capacità di monitoraggio e valutazione dell'inquinamento su scala regionale e locale. Tuttavia, i dati rilevati dalle centraline a terra rappresentano misure puntuali e non forniscono una distribuzione regionale completa degli aerosol in atmosfera, specialmente in aree ove la rete di monitoraggio è scarsa o totalmente assente. Lo sviluppo di strumentazioni satellitari per la misura di aerosol atmosferico, come ad esempio l’utilizzo dello spettroradiometro Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) – a bordo dei satelliti NASA Terra e Aqua – ha permesso l'esplorazione di nuove tecniche di ricerca per il monitoraggio degli aerosol, fornendo una misura di qualità dell’aria, anche dove il dato al suolo non è disponibile. Nel presente lavoro quest’approccio è stato impiegato per sviluppare una metodologia applicata alla Pianura Padana. La grandezza telerilevata utilizzata è il dato di spessore ottico Aerosol Optical Depth (AOD), per la quale è stata definita una correlazione con la misura di particolato atmosferico (PM10) a terra. I dati di AOD da prodotto satellitare MODIS, con una risoluzione spaziale di 10 km, hanno costituito sinora gli unici dati telerilevati utilizzabili dalla comunità scientifica per lo studio della qualità dell'aria. Tuttavia, sono in corso di sperimentazione algoritmi per ottenere una più alta risoluzione spaziale partendo da misure di spessore ottico MODIS, come il prodotto aerosol MO(Y)D04_3K con risoluzione spaziale di 3 km, e l’algoritmo Multi-Angle Implementation of Atmospheric Correction (MAIAC) con risoluzione 1 km. Nel presente lavoro, gli effetti della risoluzione spaziale sul valore di correlazione tra i dati di AOD telerilevati e le misure di concentrazione di PM10 a terra sono stati studiati per questi prodotti. Inoltre, è stata definita una procedura per la stima della concentrazione di PM10 al suolo partendo dalla misura satellitare ad alta risoluzione spaziale. I risultati suggeriscono che i prodotti a più alta risoluzione spaziale forniscono dati per le previsioni locali di concentrazione di PM10 accettabili. Pertanto, potranno essere implementati come alternativa alla misura a terra di PM10. Infine, è presentato uno studio preliminare dello sviluppo di una procedura previsionale delle concentrazioni di aerosol (inclusa la deposizione al suolo), basata su un modello numerico a traiettoria di tipo lagrangiano – FLEXPART – sulla Pianura Padana. E’ stata sviluppata una metodologia per analizzare il rapporto tra le sorgenti emissive d’inquinanti e le misure da terra e satellitari di concentrazione di aerosol. La combinazione tra le previsioni numeriche degli inquinanti, l’inventario delle emissioni, e le misure di PM10 a terra forniscono un quadro completo della qualità dell'aria nella Pianura Padana.
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Abstract
The Po Valley, in the northern part of Italy, is the area with the most severe air pollution problems in the country as it is the largest industrial, trading and agricultural area with a high population density. The pollution problems that affect the Po Valley are not only related to the presence of highly urbanized and industrial centers. In fact, the presence of the Alpine mountain chain at the North and West sides of the valley, and the Apennines to the South, act as a barrier to winds blowing from Northern Europe and the Mediterranean, favoring stagnation conditions and accumulation of pollutants. Due to health problems associated with urban air pollution, many environmental protection agencies have been developing capabilities for continuous monitoring and assessment of air pollution from ground-based stations and for improving sampling techniques. Yet, ground-based observations represent point measurements and do not have the necessary coverage to characterize the regional distribution of aerosols in the atmosphere, and provide information at the surface. The development of satellite remote sensing aerosol products since the launch of the Moderate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) onboard the NASA Terra and Aqua satellites has permitted the exploration of new research techniques for monitoring global air quality, providing pollution concentrations assessment where the ground-based measurements are not available. This approach is investigated in the work, over the Po Valley domain, northern Italy. The potential for using space-based sensors for the air quality monitoring is demonstrated using Aerosol Optical Depth (AOD) data in correlation with the PM10 ground-based stations. Until recently, the MODIS satellite AOD data product, with 10 km resolution, was the main source of global satellite aerosol data used by the air quality community. Furthermore, alternative aerosol retrieval algorithms have been developed using the MODIS data in order to produce a finer high-spatial resolution product, such as the MODIS global aerosol product at nominal 3 km, and the new 1 km resolved Multi-Angle Implementation of Atmospheric Correction (MAIAC) algorithm AOD product. In this work, the analysis of the effect of spatial resolution on the correlation between remotely sensed AOD and ground-based PM10 concentration measurements and the estimation of the PM10 concentrations from the high-spatial resolution at 1 km product over the Po Valley domain, in northern Italy is investigated. The study also focused on seasonal trends in the Po Valley, and their effect on the accuracy of the retrievals. The results suggest that the high-spatial resolution products have a good potential to provide data for PM10 concentration estimation and so it may be later be used to serve PM10 health effects studies in a narrow, populated, industrialized and urbanized domain, like the Po Valley in Italy.
Finally, the research presented regarding the development of capabilities to conduct trajectory-based forecasts of transport of particulate matter within the Po Valley of Italy and linking the forecasts to global PM emission inventories. In this task, the Lagrangian particle model (FLEXPART) approach to relate observed PM10 and AOD measurements to emission sources is used. A methodology is developed to analyze the relationship between emissions and surface and satellite remote sensing aerosol observations. The combination of the Lagrangian particle dispersion model forecasts, emission inventories, and PM10 observations provide a comprehensive picture of air quality in the Po valley and highlight contributions from different PM10 emission sectors during different pollution episodes.
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