Sintesi metodologica

BANCA DATI DELLA PRECIPITAZIONE AD ALTA RISOLUZIONE
SPAZIALE E TEMPORALE – BDPAR
A cura di Pietro Marcacci (Ricerca sul Sistema Energetico – RSE)
Un banca dati della precipitazione su aree molto vaste, quali ad esempio le provincie o le regioni, con
un’elevata risoluzione spaziale e temporale costituisce uno strumento di lavoro molto importante poiché
l’accumulo di precipitazione è fondamentale in ambito idrologico, agricolo, energetico. I meteorologi
traggono dalla conoscenza di questa grandezza preziose indicazioni nella verifica delle previsioni meteo,
sulla distribuzione areale della stessa e sui tempi di ritorno degli eventi particolarmente intensi. Gli idrologi
e i progettisti di opere idrauliche possono studiare al meglio il comportamento dei bacini imbriferi a piccola
o grande scala e possono dimensionare i loro progetti sulla base delle portate attese. Gli operatori di
Protezione Civile possono utilizzare questi dati per valutare il comportamento delle zone a maggior rischio
idrogeologico e trarre indicazioni per la salvaguardia della popolazione per eventi futuri.
La precipitazione viene tradizionalmente misurata con il pluviometro e numerosi pluviometri distribuiti sul
territorio, connessi ad una centrale di raccolta dati, danno origine ad una rete di misura.
A partire dalla fine degli anni 80 è cominciata la diffusione dei radar meteorologici, una variante dei radar
per applicazioni militari, caratterizzati da microonde tra 1 e 10 cm ed in grado di interagire con le gocce di
pioggia attraverso lo scattering di Rayleigh. Un radar meteorologico è perciò uno strumento di
telerilevamento attivo in grado di stimare la precipitazione in atto su vaste aree (pioggia, neve, grandine),
con portate che variano dai 30km ai 250km a seconda della potenza e della lunghezza d’onda
utilizzate(banda K,X,C,S). In Italia vengono utilizzati per lo più radar in banda C (5-6cm) con portate di
misura fino a circa 200km, una risoluzione spaziale di misura tipica di 1km ed in grado di fornire mappe
istantanee di precipitazione ad intervalli di 5-15 minuti.
La stima della precipitazione è fatta in maniera indiretta attraverso la misura del segnale di ritorno, o
riflettività, derivante dall’interazione dell’impulso elettromagnetico emesso con le gocce di pioggia. Dalla
misura della riflettività radar Z espressa in dBz, è possibile ottenere attraverso relazioni empiriche, una
stima approssimata della precipitazione in atto in termini di flusso in mm/h.
Il radar, monitorando aree molto vaste (dell’ordine di 400 x 400 km) riesce ad osservare i sistemi
precipitanti prima che interessino l’area del bacino imbrifero e, se questi si spostano orizzontalmente in
modo regolare, è possibile elaborare una previsione a brevissima scadenza (nowcasting). Questa possibilità
del radar è ancora più realistica quando si dispone di una rete di radar che permette la cosiddetta
“mosaicatura” delle immagini, come la rete radar della Protezione Civile Nazionale. Questa potenzialità è
sicuramente superiore, come copertura spazio-temporale, a qualsiasi rete pluviometrica in tempo reale
esistente o ipotizzabile e a qualsiasi sistema satellitare attuale. Per contro in zone orograficamente
complesse gli impulsi emessi dal radar possono non raggiungere tutti gli strati di una nube precipitante e
l’attendibilità della stima della precipitazione fatta con radar diminuisce.
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Sul territorio lombardo operano da diversi anni una importante rete pluviometrica e dal 1993 un radar
meteorologico in banca C posto sul Monte Lema a circa 1600m di quota, gestito da Meteo Svizzera, che
copre interamente la regione, come mostra la figura seguente che rappresenta la quota minima s.l.m. di
scansione del radar sul territorio.
La disponibilità delle stime radar presso RSE (Ricerca sul Sistema Energetico) e delle misure della rete
pluviometrica presso ARPA Lombardia, hanno stimolato la realizzazione di una banca dati che riunisse in un
unico strumento le potenzialità di entrambe. La banca dati è stata realizzata all’interno del progetto
europeo STRADA, finanziato all’interno del programma INTERREG IT – CH 2007/2013, con l’obiettivo di
mettere a punto strumenti di previsione e prevenzione basati su intensità e durata delle precipitazioni in un
arco di tempo sufficientemente esteso.
Le stime radar di precipitazione e le misure della rete pluviometrica sono state organizzate nella banca dati
BDPAR (Banca Dati Precipitazione ad Alta Risoluzione), per essere facilmente utilizzate e sincronizzate e per
consentire la calibrazione delle stime radar.
La struttura della banca dati è articolata su quattro tabelle, due di dati e due di anagrafica, come mostrato
nello schema seguente:
2
Nella banca dati sono stati caricati ed integrati su un’ora tutti i dati radar a partire dal luglio 1997 fino
all’aprile 2011. L’accumulo orario è stato realizzato integrando le mappe sub-orarie del radar disponibili ad
intervalli di 5-15’. Prima dell’accumulo orario, ogni mappa sub-oraria è stata sottoposta ad un trattamento
preventivo di “declutter” statistico che ha permesso di eliminare buona parte del rumore presente non
dovuto ad echi di precipitazione, come mostrano le figure seguenti:
I dati radar orari così trattati e caricati in database costituiscono i dati “radar grezzi”, ovvero dati originali
che non hanno subito modifiche e da cui è sempre possibile ripartire per qualsiasi tipo di elaborazione. Per
motivi di spazio nel database sono presenti solo dati di precipitazione >0.
Nella banca dati sono stati caricati anche i dati di circa 500 stazioni pluviometriche della rete regionale, a
partire sempre dal 1997. Anche per i pluviometri sono stati realizzati accumuli orari mediante l’integrazione
delle misure sub-orarie disponibili.
Tutti i dati caricati nel database hanno passo orario per poter essere sincronizzati e l’ora di riferimento,
espressa in UTC, si riferisce al termine dell’accumulo orario.
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CALIBRAZIONE DEL RADAR
Il miglioramento della stima della precipitazione fatta con radar è un problema ancora aperto, e la strada
che tutti cercano di percorrere è quella della correzione sul radar basata su un confronto on-line con i dati
pluviometrici esistenti.
I campi di precipitazione radar forniti da Meteo Svizzera rappresentano la miglior stima ottenuta dal profilo
verticale di riflettività e vengono verificati mediante i pluviometri in territorio svizzero. Tuttavia il confronto
delle stime radar con una serie di pluviometri sul territorio lombardo mostra, in zone orograficamente
complesse e quindi a ridotta visibilità radar, la presenza di sottostime radar sistematiche dovute al blocco
del fascio radar ad altezze variabili in funzione dell’orografia.
Analizzando questi errori sistematici tra radar e pluviometri in Lombardia è emersa una correlazione tra la
ridotta visibilità radar sulle stazioni pluviometriche e la sottostima delle misure radar. Questa sottostima è
ancor più accentuata se le precipitazioni sono di tipo stratiforme in quanto avvengono con nubi a quote più
basse e più facilmente occultate dai rilievi.
Su questa considerazione è stato studiato da RSE un algoritmo in grado di correggere i dati radar grezzi,
basato sulla differenza tra l’altezza minima del fascio radar sopra il pluviometro (quota minima di visibilità
radar s.l.m.) e la quota s.l.m. dello stesso, chiamata ∆q . Queste correlazioni hanno permesso di mettere a
punto una funzione di correzione delle stime radar che dipende unicamente dall’orografia e dalla
stagionalità della precipitazione, secondo la relazione
radar_cal = radar_grezzo * k(mese)(∆q)
in cui k è il coefficiente di correzione del dato radar grezzo per ottenere il dato radar calibrato.
Tale correzione viene applicata contemporaneamente a tutti i punti di ciascun campo di precipitazione
oraria radar, essendo disponibile, attraverso la tabella anagrafica dei punti radar, sia la quota di visibilità
radar su ciascun punto del territorio coperto che la quota del punto stesso.
La messa a punto di questo metodo è stata effettuata attraverso una prima selezione dal database di
misure pluviometriche affidabili per un periodo di due anni (2007-2008), con una disponibilità dei dati >70%
per ciascuno dei due anni considerati. I pluviometri selezionati sono stati 234. I pluviometri sono stati poi
divisi in 6 differenti intervalli di ∆q, scelti in modo da avere un numero equivalente di stazioni per ciascuna
fascia.
Il successivo criterio di selezione si è basato sul coefficiente di determinazione R2, ottenuto correlando i dati
orari dei pluviometri per ciascuna fascia ∆q di con il dato radar medio di un box di 3x3km centrato su
ciascun pluviometro. Sono stati selezionati i pluviometri aventi un R2 >0.43, corrispondente ad un
coefficiente di correlazione di 0.65, essendo applicata una regressione lineare.
Per ciascuna delle 6 fasce ∆q ottenute e per ciascun mese, e per i pluviometri scelti in ciascuna fascia è
stato calcolato il rapporto
k(mese)(∆q) = ∑G(mese)(∆q)
4
/ ∑R(mese)(∆q)
in cui
∑G(mese)(∆q) esprime la sommatoria della precipitazione misurata dai pluviometri nel mese, per una
delle sei fasce
∑R(mese)(∆q) esprime la sommatoria della precipitazione grezza stimata dal radar nel mese sul box
3x3km centrato sul pluviometro, per una delle sei fasce
6.00
5.00
4.00
5.00-6.00
4.00-5.00
3.00
3.00-4.00
2.00
2.00-3.00
1.00-2.00
1.00
RmeseNov
RmeseSep
RmeseJul
[1954 2525)
RmeseMay
RmeseMar
0.00-1.00
RmeseJan
0.00
[0 1364)
Per le 6 fasce considerate e per i 12 mesi si ottiene una matrice di calibrazione, rappresentabile nel modo
seguente, in cui il fattore k è rappresentato sull’asse Z:
E’ evidente, ma anche atteso, che è necessaria una maggior correzione nel periodo invernale e che questa
correzione cresce anche al ridursi della visibilità radar sul territorio. La matrice di correzione così ottenuta è
stata applicata a ciascun punto all’intero dataset dei dati radar grezzi.
Le due figure seguenti mostrano la stessa mappa radar estratta dalla banca dati, ottenuta da dati grezzi -a
sinistra- e calibrati - a destra.
5
TIME
6
8/2/09 0.00
7/2/09 18.00
7/2/09 12.00
7/2/09 6.00
7/2/09 0.00
6/2/09 18.00
6/2/09 12.00
6/2/09 6.00
6/2/09 0.00
5/2/09 18.00
5/2/09 12.00
5/2/09 6.00
5/2/09 0.00
4/2/09 18.00
4/2/09 12.00
4/2/09 6.00
4/2/09 0.00
3/2/09 18.00
3/2/09 12.00
3/2/09 6.00
3/2/09 0.00
2/2/09 18.00
2/2/09 12.00
2/2/09 6.00
2/2/09 0.00
7
1/2/09 18.00
1/2/09 12.00
1/2/09 6.00
1/2/09 0.00
RAIN [mm]
La figura seguente presenta per la stazione pluviometrica di Sarnico(BG) un esempio di misure estratte dalla
banca dati di circa una settimana, rispettivamente il pluviometro, il radar grezzo ed il radar calibrato.
SARNICO STATION - RAIN TIME SERIES
8
gauge
radar
6
radar cal
5
4
3
2
1
0