Nome completo:
HERMES
Versione e ultimo rilascio:
Versione 3.1
ultimo rilascio: 06/1998
Campi di applicazione:
Modello Euleriano Idrostatico per la simulazione del flusso atmosferico e della
dispersione su terreno complesso. E' in grado di lavorare su domini con dimensioni
orizzontali da 20 a 500 km circa.
Società e/o Enti Sviluppatori:
· Electricitè de France, 6 Quai Watier, 78400, Chatou, France.
· Aria Technologies, le Charlebourg, 14/30 rue de Mantes, 92700 Colombes
(France)
Distributore:
Aria Technologies, le Charlebourg, 14/30 Rue de Mantes, 92700 Colombes (France)
tel. ++33-1-47602845 Fax ++33-1-47690207
E-mail jmoussafir@aria.fr
Descrizione:
HERMES è un codice derivato dal modello di Anthes (1978) e suddiviso nelle due seguenti parti distinte, che possono essere attivate separatamente.
1. Modello meteorologico idrostatico
Integra, in approssimazione idrostatica, le equazioni di Navier-Stokes per la conservazione di massa, quantità di moto, energia e contenuto di acqua in atmosfera. Consente il calcolo tridimensionale su terreno complesso di flussi atmosferici sia in configurazione prognostica che diagnostica. Nel primo caso le equazioni vengono integrate con condizioni al contorno di tipo evolutivo fornite dall'esterno. Nel secondo caso le condizioni al contorno vengono tenute fisse, e la soluzione stazionaria che eventualmente si trova rappresenta il campo meteorologico che meglio si adatta alle condizioni (di flusso al contorno e di topografia) imposte rispettando l'intero set di equazioni fluidodinamiche. Le equazioni sono discretizzate alle differenze finite su un grigliato orizzontale in coordinate cartesiane e verticale attraverso la coordinata di pressione ridotta s definita come:
dove P è la pressione atmosferica, PG(x,y,t) è la pressione al suolo, rappresentato dalla matrice zG(x,y) che definisce la topografia sul grigliato cartesiano orizzontale, PT è la pressione alla sommità verticale del dominio di calcolo. Le grandezze fisiche calcolate dal modello ad ogni passo temporale di discretizzazione sono:
u,v,w le tre componenti cartesiane ortogonali della velocità del vento
P pressione atmosferica
T temperatura dell'aria
q tenore di acqua totale (liquida+vapore)
r densità dell'aria
f geopotenziale (quota dei livelli di pressione moltiplicata per l'accelerazione di gravità g)
Le equazioni prevedono i termini di accelerazione di Coriolis, ma non i termini
dovuti alla curvatura terrestre. Per questo motivo non è consigliabile
l'utilizzo del modello su scale superiori ai 500 km.
Il modello implementa le seguenti parametrizzazioni opzionali per la descrizione
dei processi fisici che avvengono su scale al di sotto del passo di griglia.
· Modello di interfaccia suolo-radiazione solare del tipo force-restore
a due strati
· parametrizzazione degli effetti della copertura vegetale di Deardorff
(1978)
· parametrizzazione microfisica dei processi umidi di Kessler
· Flussi turbolenti nel Surface Layer secondo gli schemi opzionali Businger-Dyer,
o Louis (1979)
· Flussi turbolenti nel Boundary Layer al primo ordine secondo gli schemi
opzionali di O'Brien o Louis o al secondo ordine mediante l'integrazione di
una equazione per l'energia cinetica turbolenta.
2. Modello di dispersione
Integra, sullo stesso dominio e grigliato definito nella sezione meteorologica
o su un dominio più piccolo e a maggiore risoluzione, le equazioni di
conservazione di sostanze passive, rilasciate in opportune regioni dello spazio.
I campi di trasporto medio e turbolenza possono essere direttamente derivati
da una simulazione della sezione meteorologica (eventualmente re-interpolati
su un grigliato più fine), oppure derivati dagli output tridimensionali
di vento e temperatura del modello diagnostico a divergenza nulla MINERVE. In
quest'ultimo caso è possibile attivare simulazioni della sola sezione
di dispersione, e i flussi turbolenti vengono determinati utilizzando le stesse
parametrizzazioni opzionali di Surface Layer e Boundary Layer presenti nella
sezione meteorologica.. Il modello di dispersione può spingersi a risoluzioni
superiori rispetto al modello meteorologico idrostatico con griglie di dimensione
orizzontale al di sotto del km.
Possono essere effettuate simulazioni di dispersione da sorgenti di differente
tipologia, puntiformi, lineari, areali o volumetriche. Un preprocessore apposito
traduce la geometria delle diverse sorgenti e distribuisce la concentrazione
in maniera opportuna sulle griglie di calcolo centrate intorno al punto emittente.
E' possibile simulare la risalita di emissioni calde, utilizzando la parametrizzazione
di Briggs per il calcolo dell'altezza effettiva del pennacchio. Il risultato
di ogni simulazione è costituito da una sequenza temporale di matrici
tridimensionali di concentrazioni alla frequenza decisa dall'utente, ciascuna
riferita ad una delle sostanze emesse.
Limitazioni:
Modello meteorologico:
L'approssimazione idrostatica impedisce la corretta descrizione delle accelerazioni
verticali che si generano in presenza di forti pendii o di fenomeni convettivi
intensi. Per questo motivo non è consigliabile l'utilizzo della parte
meteorologica su domini di scala inferiore ai 100 km circa. Il modello di dispersione
può essere utilizzato anche su scale inferiori in quanto si prevede l'uso
di informazioni meteorologiche provenienti dal un codice esterno MINERVE.
Modello di dispersione:
Il posizionamento e l'interpolazione delle sorgenti sulla griglia Euleriana
può dare luogo a forti approssimazioni in quanto la dimensione delle
celle può essere molto superiore a quella delle sorgenti stesse.
Il modello consente di simulare la dispersione di diverse specie, integrando
però per ciascuna di queste una diversa equazione a derivate parziali,
con un aggravio lineare dei tempi di calcolo.
Non prevede in trattamento di reazioni chimiche tra le diverse specie.
Risoluzione:
Risoluzione spaziale orizzontale:
grigliato orizzontale cartesiano a celle di dimensione fissa. Le dimensioni
vengono fornite dall'utente.
risoluzione minima consigliata: meteorologica 2-4km, concentrazioni: 100-300m
risoluzione massima consigliata: meteorologica 10km, concentrazioni 2 km.
Risoluzione spaziale verticale:
coordinata di pressione ridotta s con grigliato a passo variabile definito dall'utente.
Risoluzione temporale:
Passo temporale di risoluzione delle equazioni definito in funzione dei criteri
di stabilità lineare validi per gli schemi numerici implementati nel
modello. Questi dipendono sostanzialmente dai termini di diffusione e dalla
velocità di fase delle onde di gravità, che rappresentano i fenomeni
più rapidi che le equazioni descrivono. In genere, per simulazioni meteorologiche
su dimensioni orizzontali dell'ordine di 150km con passi di griglia di 4 km
è di 5-10s.
Tecniche di soluzione:
Differenze finite. Schema di discretizzazione spaziale orizzontale centrato
di ordine 2, su grigliato staggered. Schema di discretizzazione temporale leapfrog
con passi di integrazione Matsuno posizionati a scelta dell'utente per il riaccoppiamento
delle due serie generate dallo schema leapfrog. Condizioni al contorno per la
parte meteorologica evolutive (Davies, 1976), oppure fisse del tipo Neumann
o Dirichlet.
Linguaggi di programmazione:
Fortran 77/Fortran 90
E' necessaria la presenza di un compilatore per il dimensionamento delle matrici
nel programma principale solo nella versione F77. I codici F77 e F90 differiscono
solamente per due sezioni di dichiarazione identificate in "INCLUDE".
Questa tecnica consente una manutenzione parallela delle due versioni. La versione
F90 comprende il dimensionamento dinamico di tutte le matrici (sito, campi meteorologici,
sostanze, emissioni,
Dati di input richiesti:
Parte comune ai modelli meteorologico e di dispersione:
Posizionamento, dimensioni, struttura orizzontale del dominio, topografia e
caratteristiche del terreno contenuti in un file ASCII.
Opzioni di run della simulazione, costituiti dal periodo di simulazione, descrizione
del grigliato verticale, tipo simulazione (solo meteorologica, solo dispersione,
meteorologica+dispersione), passo temporale, condizioni iniziali, condizioni
al contorno, opzioni sulle parametrizzazioni, opzioni sugli output contenute
in un secondo file ASCII
Modello meteorologico:
condizioni iniziali e al contorno dedotte da un profilo verticale di vento e
temperatura per simulazioni di tipo diagnostico oppure da campi 3D di vento
e temperatura (provenienti dai file binari in uscita dal modello MINERVE) per
simulazioni prognostiche.
Modello di dispersione
Sequenze temporali di campi 3D di vento e temperatura provenienti da simulazioni
con modello HERMES oppure da simulazioni con il modello MINERVE, contenute in
un file binario.
Descrizione delle emissioni. Sono previste sorgenti multiple puntiformi, lineare
e areali, ciascuna in grado di emettere differenti specie non reattive, con
possibilità di simulare quindi sia ciminiere che strade. Devono essere
definite la posizione, la geometria e il rateo di emissione di ogni sorgente
per ciascuna delle specie considerate, su intervalli temporali non regolari.
Sono contenute in files ASCII di formato identico a quello utilizzato dal modello
di dispersione a particelle SPRAY.
Dati di output generati:
File ASCII di informazioni sull'andamento della simulazione
Modello meteorologico:
Campi tridimensionali delle variabili meteorologiche prodotte dal modello, alla
frequanza decisa dall'utente, contenute in files binari. Opzionalmente è
possibile ottenere sequenze temporali a frequenza superiore contenute negli
stessi files, di alcune variabili in punti o su profili verticali posizionati
a scelta dell'utente.
Modello di dispersione:
Campi tridimensionali di concentrazione , alla frequanza decisa dall'utente,
contenute in files binari.
Disponibilità di interfacce:
Il modello ha una interfaccia a files e non necessita di interfacce GUI particolari.
Sono sufficienti i normali strumenti di editing standard presenti sotto i diversi
sistemi supportati. Questa modalità consente la portabilità del
codice.
Esistono interfacce di comando di tipo GUI sviluppate da ARIA Technologies per
definire in modo interattivo il contenuto informativo di tutti i files ASCII
di input, e specialmente delle emissioni. Nella versione 8 del package ADSO,
queste interfacce sono disponibili sia in ambiente UNIX Motif (IBM,SUN,HP,SGI)
sia in ambiente Windows 95/NT.
Gli output binari meteorologico e di concentrazione possono essere letti ed
interfacciati con il pacchetto grafico SAVI3D.
Documentazione:
Esistono versioni in lingua inglese e francese dei seguenti manuali:
· descrizione teorica del modello
· manuale per l'utente
Validazioni:
Molti degli schemi numerici e di parametrizzazione presenti nel modello sono
stati validati all'interno del lavoro di due tesi di Laurea (Janvier, 1987,
Prange, 1996).
Applicazioni:
Il modello è stato utilizzato per studi di trasporto e dispersione a
scala regionale. Si ricorda ad esempio lo studio sugli effetti di sovrapposizione
ed interazione dei pennacchi delle centrali di Montalto di Castro e Torvaldaliga
(Tinarelli et al., 1998)
Portabilità e hardware richiesto:
Il codice è in grado di funzionare su diverse Workstation RISC o Windows95/NTcon
differenti sistemi operativi (DEC-ALPHA/DigitalUnix, IBM-Risc6000/AIX, HP9000/HP-UX,)
e può essere opportunamente adattato alle diverse esigenze di simulazione
in presenza di un compilatore FORTRAN 77 o 90. E' consigliata la presenza di
almeno 32 Mbytes di RAM e 400 Mbytes di memoria di massa.
Riferimenti:
Anthes W. (1978): "Development of hydrodynamic models suitable for air
pollution and other mesometeorological studies". Monthly Weather Review
, 106, n.8, 1045-1078.
Davies A.C. (1976): "A lateral boundary formulation for multi-level prediction
models". Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 102, 405-418.
Deardorff J.W. (1978): "Efficient prediction of ground surface temperature
and moisture, with inclusion of a layer of vegetation". Journal of Geophysical
Research, 83, 1889-1903.
Louis J.F. (1979): "A parametric model of vertical eddy fluxesin the atmosphere".
Boundary Layer Meteorology, 17, 187-202.
Janvier L. (1987): "Paramétrisations de la Turbulence et de l'Interface
sol/atmosphère dans un modèle tridimensionnel à mésoéchelle".
Tesi di Laurea in Ingegneria discussa a L'Ecole Centrale de Lyon, n. d'ordine
ECL 87-20.
Prange E. (1996): "Utilizzo di un modello tridimensionale per la valutazione
d'impatto ambientale di grossi impianti industriali". Tesi di Laurea in
Scienze Ambientali discussa All'Università degli Studi di Milano.
Tinarelli G., P. Faggian, S. Finardi, G. Brusasca, G. Carboni (1997): "Model
simulations of industrial plume mesoscale interactions in complex coastal area".
Atti del convegno Air Pollution 1997, Bologna, Italy, 16-18 Sep 1997. Power
H., Tirabassi T., Brebbia C.A. eds., 385-394. Computational Mechanics Publications.