FORAIR-IT – Air Quality Forecasts

Europe – 20 km 3-day air quality forecasts over Europe at 20 km horizontal resolution

Italy – 4 km 3-day air quality forecasts over Italy at 4 km horizontal resolution

The Modelling System

FORAIR-IT modeling system provides on daily basis forecast up to 3 days for the main atmospheric pollutants. The system is operated on two-way nested European and Italian domains at 20 and 4 km horizontal resolution, respectively. The modeling chain retrieves the Global Forecasting System (GFS) meteorological fields from the National Centers for Environmental Prediction (NCEP), used to feed WRF (Version 4.5.2, Skamarock et al., 2019) prognostic meteorological model.

SURFPRO module (Finardi et al., 2005) computes the turbulent parameters together with the natural emissions, starting from the WRF model outputs. Chemical boundary conditions are retrieved from the Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS, http://atmosphere.copernicus.eu). The anthropogenic emissions are provided by ISPRA (National Emission Inventory, year 2019) for the Italian domain and by CAMS (global and regional emissions, April 2019 version) for the European domain.

The processor EMMA (Arianet) is used to disaggregate in time and space the anthropogenic emissions for all the pollutants suitable to the chemical transport model FARM (Silibello et al. 2008), which estimates the concentrations using SAPRC-99 gas-phase scheme coupled with AERO3 aerosol module. The thermodynamic equilibrium between gas and aerosol phases of condensable inorganic and organic species are based on ISORROPIA model (Fountoukis and Nenes, 2007; Nenes et al., 1998) and SORGAM model (Shell et al. 2001), respectively.

Il sistema modellistico FORAIR-IT fornisce su base giornaliera previsioni fino a 3 giorni per i principali inquinanti atmosferici. Il sistema opera su domini europeo e italiano annidati, rispettivamente a 20 e 4 km di risoluzione orizzontale. La catena modellistica acquisisce i campi meteorologici del Global Forecasting System (GFS) dal National Centers for Environmental Prediction (NCEP), utilizzati per alimentare il modello meteorologico prognostico WRF (versione 4.5.2, Skamarock et al., 2019).

Il modulo SURFPRO (Finardi et al., 2005) calcola i parametri legati alla turbolenza insieme alle emissioni naturali, a partire dai risultati del modello WRF. Le condizioni al contorno per le concentrazioni sono acquisite dal Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS, http://atmosphere.copernicus.eu). Le emissioni antropogeniche sono basate sull'inventario nazionale ISPRA (Inventario Nazionale delle Emissioni, anno 2019) per il dominio italiano e da CAMS (emissioni globali e regionali, versione aprile 2019) per il dominio europeo.

Il processore EMMA (Arianet) è utilizzato per disaggregare nello spazio e nel tempo le emissioni antropogeniche per tutti gli inquinanti, fornendo le specie chimiche utili al modello di trasporto chimico FARM (Silibello et al. 2008), che stima le concentrazioni utilizzando lo schema in fase gassosa SAPRC-99 accoppiato con il modulo AERO3 per il particolato. L'equilibrio termodinamico tra le fasi gassosa e aerosol per le specie inorganiche e organiche condensabili si basa rispettivamente sui modelli ISORROPIA (Fountoukis e Nenes, 2007; Nenes et al., 1998) e SORGAM (Shell et al. 2001).

Bibliography

Adani, M.; D'Isidoro, M.; Mircea, M.; Guarnieri, G.; Vitali, L.; D'Elia, I.; Ciancarella, L.; Gualtieri, M.; Briganti, G.; Cappelletti, A.; Piersanti, A.; Stracquadanio, M.; Righini, G.; Russo, F.; Cremona, G.; Villani, M. G.; Zanini, G. "Evaluation of Air Quality Forecasting System FORAIR-IT over Europe and Italy at High Resolution for Year 2017." Atmospheric Pollution Research 13, no. 6 (2022): 101456. https://doi.org/10.1016/j.apr.2022.101456.

Adani, M.; Piersanti, A.; Ciancarella, L.; D'Isidoro, M.; Villani, M. G.; Vitali, L. "Preliminary Tests on the Sensitivity of the FORAIR_IT Air Quality Forecasting System to Different Meteorological Drivers." Atmosphere 11, no. 6 (2020). https://doi.org/10.3390/atmos11060574.

Finardi S. (Editor), Baklanov, A., Clappier, A., Fay, B., Joffre, S., Karppinen, A., Ødegård, V., Slørdal, L. H., Sofiev, M., Sokhi, R. S., and Stein A. "Improved interfaces and meteorological pre-processors for urban air pollution models". Deliverable 5.2-3 of the EC FUMAPEX project, Milan, Italy, 55 pp. (2005).

Fountoukis, C., Nenes, A. "ISORROPIA II: a computationally efficient thermodynamic equilibrium model for K⁺-Ca²⁺-Mg²⁺-NH₄⁺ -Na⁺-SO₄^2--NO₃^--Cl^--H₂O aerosols." Atmospheric Chemistry and Physics 7, 4639-4659. https://doi.org/10.5194/acp-7-4639-2007.

Nenes, A., Pandis, S.N., Pilinis, C. "ISORROPIA: A New Thermodynamic Equilibrium Model for Multiphase Multicomponent Inorganic Aerosols." Aquatic Geochemistry 4, 123-152 (1998). https://doi.org/10.1023/A:1009604003981.

Schell, B., Ackermann, I.J., Hass, H., Binkowski, F.S., Ebel, A. "Modeling the formation of secondary organic aerosol within a comprehensive air quality model system" Journal of Geophysical Research: Atmospheres 106, 28275-28293 (2001). https://doi.org/10.1029/2001JD000384t.

Silibello, C., Calori, G., Brusasca, G., Giudici, A., Angelino, E., Fossati, G., Peroni, E., Buganza, E. "Modelling of PM10 concentrations over Milano urban area using two aerosol modules." Environmental Modelling & Software 23, 333-343 (2008). https://doi.org/10.3390/atmos11060574.

Skamarock, W.C., Klemp, J.B., Dudhia, J., Gill, D.O., Liu, Z., Berner, J., Wang, W., Powers, J.J., Duda, M.G., Barker, D., Huang, X.-Y. "A DESCRIPTION OF THE ADVANCED RESEARCH WRF MODEL VERSION 4.1" No. NCAR/TN-556+STR (2019). https://doi:10.5065/1dfh-6p97.