CV vicari - Università degli Studi della Basilicata

UNIVERSITA' DEGLI STUDI DELLA BASILICATA DIPARTIMENTO DI SCIENZE _____________________________________________________________________________
Prof. Annamaria vicari
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CURRICULUM SCIENTIFICO
Studi compiuti
2002.
Laurea in Ingegneria Informatica presso l’Università di Catania con voto 110/110.
Discute la tesi sperimentale: “Modelli in regimi caotici di fenomeni geomagnetici:
nuove tecniche tramite ottimizzazione e sincronizzazione”.
2002-05. Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettronica ed Automatica – XVIII Ciclo.
Discute la tesi dal titolo " Emergent Strategies for Modeling and Simulation of Lava
Flow Dynamics"
Titoli conseguiti
2002.
Abilitazione all’esercizio della Professione di Ingegnere presso la Facoltà di
Ingegneria dell'Università di Catania nell'anno 2002.
2005-07. Assegno di Ricerca nell’ambito della Convenzione DPC-INGV 2004-2006.
2007-09. Ricercatore Art. 23 nell’ambito del Progetto Sicilia.
2009-11
Ricercatore Art. 23 nell’ambito dei fondi ordinari dell'INGV.
2011
Abilitazione al concorso nazionale di Ricercatore
Stage
2004.
Stage presso l’Università di Hokkaido, Sapporo (Giappone), per lo sviluppo di
paradigmi di calcolo parallelo per la simulazione dei processi eruttivi.
2004.
Stage presso l’Ekopower (Olanda) per la realizzazione di un sistema di acquisizione
e trasmissione dati avanzato.
2006.
Stage presso l’Università della Basilicata per lo sviluppo di tecniche satellitari
applicate al monitoraggio vulcanico.
Realizzazione e gestione di banche-dati fruibili dai ricercatori e dal pubblico
Viale dell’Ateneo lucano, 10 – 85100 Potenza
Telefono 0971-205602- 205773
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2005.
Progettazione, realizzazione e gestione della Banca Dati del Progetto V3_6 Etna
contenente le informazioni vulcanologiche e geofisiche acquisite all’Etna nel periodo
1993-1998. Aggiornata continuamente dal 2005 ad oggi, è accessibile dai ricercatori del
progetto via ftp da internet all’indirizzo: magftp.ct.ingv.it
2007.
Progettazione, realizzazione e gestione della Banca Dati delle Colate Laviche
all’Etna organizzata in architettura GIS per visualizzare oltre 3000 percorsi simulati con
il modello MAGFLOW. Aggiornata continuamente dal 2007 ad oggi, è accessibile dai
ricercatori
e
dal
pubblico
via
internet
all’indirizzo:
http://ufgm.ct.ingv.it/LfsWeb/htdocs/LfsWeb.phtml
2010
Progettazione, realizzazione e gestione della Banca Dati delle immagini satellitari e
delle mappe di hazard organizzata in architettura web-GIS per la gestione delle
emergenze vulcaniche. Aggiornata continuamente dal 2010 ad oggi, è accessibile dai
ricercatori e dal pubblico via internet all’indirizzo: http://ctmgweb.ct.ingv.it/joomla
Coordinamento di unità di ricerca nell’ambito di progetti nazionali
2007-09.
Responsabile Scientifico di un Team di Ricerca del Progetto V3 – LAVA
"Realization of the lava flow invasion hazard map at Mt Etna and methods for its
dynamic upgrade" finanziato nell'ambito della Convenzione 2007-2009 tra INGV e il
Dipartimento per la Protezione Civile [Decreto del Presidente n. 515 del 07/12/2007]”.
Attività didattica continuativa
2006-08.
Docente del Modulo 2 “Analisi del Rischio Vulcanico” del Master Universitario di
II livello in “Analisi, Monitoraggio e Mitigazione del Rischio Ambientale” attivato dalla
Facoltà di Ingegneria dell’Università di Catania.
2010-11
Docente del Corso Programmazione in CUDA, attivato dal Dipartimento di
Matematica e Informatica, Università di Catania.
2011-12
Docente del Corso di Basi di Dati, attivato dalla Facoltà di Ingegneria, Università
della Basilicata.
2011-12
Docente del Corso di Laboratorio di Informatica, attivato dalla Facoltà di
Economia, Università della Basilicata.
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2011-12
Docente del Corso di “Introduction to GPU Programming”, attivato dal
Dipartimento di Matematica e Informatica, Dottorato di Ricerca in Matematica e
Informatica “Pitagora di Samo”, Università della Basilicata.
2012-13 Docente del Corso Programmazione a Oggetti 1, attivato dal Dipartimento di
Informatica, Università della Basilicata
2012-13 Docente del Corso Sistemi di Elaborazione dei dati territoriali, attivato dal Dipartimento
di Scienze, Università della Basilicata
2013-14 Docente del Corso Sistemi di Elaborazione dei dati territoriali, attivato dal Dipartimento
di Scienze, Università della Basilicata
2013-14 Docente del Corso di Basi di Dati, attivato dalla Facoltà di Ingegneria, Università della
Basilicata.
Attività di formazione di giovani ricercatori
2002-oggi. Correlatore di 4 tesi di Laurea presso l' Università degli studi di Catania italiane,
Facoltà di Ingegneria.
Progettazione e/o realizzazione di prototipi attinenti il profilo professionale posseduto
2004.
Sviluppo del modello fisico-matematico MAGFLOW basato sugli Automi Cellulari per la
simulazione dell’evoluzione spazio-temporale dei flussi lavici. Il modello MAGFLOW è
diventato un elemento rilevante per le decisioni di Protezione Civile durante le eruzioni
dell’Etna.
2006-07.
Sviluppo del codice HOTSAT per l’elaborazione automatica di diversi tipi di
immagini satellitari (AVHRR, MODIS, SEVIRI) per il riconoscimento delle anomalie
termiche di origine vulcanica (hot spot detection) e la stima del tasso effusivo delle
colate. Durante le eruzioni dell’Etna, i valori del tasso effusivo stimati da HOTSAT sono
impiegati per guidare le simulazioni delle colate calcolate con il modello MAGFLOW.
2009-11
Sviluppo del codice GPUSPH per la simulazione di fluidi a superficie libera tramite
metodi particellari implementati su schede grafiche. Il modello è stato utilizzato per la
simulazione di dettaglio dei flussi lavici
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ATTIVITÀ SCIENTIFICA
L'attività di ricerca è stata principalmente indirizzata allo sviluppo di modelli fisico-matematici e
software in grado di descrivere l’evoluzione spazio-temporale dei flussi lavici. Lo sviluppo di
modelli fisico-matematici è una metodologia complementare alle tecniche osservative del
sistema vulcanico e a quelle di laboratorio e terreno. Le ricerche di modellistica fisicomatematica, proprio per la loro capacità di definire, in termini deterministici o probabilistici,
scenari di un determinato processo vulcanico, sono inoltre cruciali nella stima quantitativa della
pericolosità e quindi del rischio vulcanico. In particolare, l’elevata frequenza delle eruzioni
effusive dell’Etna pone la necessità di disporre di modelli fisico-matematici in grado di prevedere
le aree potenzialmente invadibili dalla lava nonché la massima distanza raggiungibile da una
determinata colata. Queste informazioni rappresentano infatti dati essenziali per ogni azione
mitigatrice del rischio da colate di lava. Tuttavia, simulare l’evoluzione dei flussi lavici è un
problema complesso, perché le relazioni tra la temperatura, la reologia e il tasso di emissione
sono non lineari e variabili in un dominio spazio-temporale. La difficoltà di stabilire relazioni
dirette tra la morfologia e le proprietà fisiche delle colate ha permesso solo lo sviluppo di modelli
basati su equazioni ottenute empiricamente per casi molto semplici, difficili da applicare in
condizioni generali. Pertanto, l’attività di ricerca ha seguito un approccio alternativo, che non fa
uso di equazioni differenziali per modellare i fenomeni complessi, bensì di alcuni paradigmi di
calcolo parallelo con cui sono stati sviluppati diversi modelli per la simulazione numerica delle
colate di lava:
Modello basato su Cellular Neural Network (CNN). Sono state sfruttate le potenzialità della CNN
come risolutore d’equazioni differenziali alle derivate parziali. Pertanto, le CNN sono state
impiegate per risolvere l’equazione del moto dei fluidi di Navier-Stokes. In generale, tale
equazione non presenta una soluzione analitica esatta, tranne in casi dove sono state adottate
ipotesi semplificative. Nel nostro caso, è stata considerata l’equazione nella sua forma
generale, facendo invece delle ipotesi abbastanza restrittive sulla fisica del mezzo. Il fluido,
infatti, è stato considerato di tipo Newtoniano, anche se è ormai risaputo che un flusso lavico si
comporta come un fluido di Bingham, e il problema è affrontato in sole due dimensioni. Inoltre, il
fluido è considerato isotermo, e alcuni parametri fisici che entrano in gioco nel processo e che
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hanno un ruolo rilevante nell’intera dinamica del sistema, quali ad esempio viscosità e densità,
sono stati consideranti costanti. A partire, quindi, dall’equazione spazio-continua di NavierStokes in 2D, è stata trovata una forma discretizzata dell’equazione. In tal modo la struttura
CNN, è composta di due layer ognuno dei quali è associato ad una delle due variabili di stato
(componenti della velocità) e le Template sono di tipo spazio-variante.
Modello MAGFLOW con struttura ad Automa Cellulare con grigliato regolare. Un algoritmo
basato sull’approccio di Monte Carlo è stato introdotto per risolvere il problema di anisotropia
che penalizza i modelli agli automi. Un soluzione analitica dell’equazione di Navier-Stokes per
fluidi Binghamiani caratterizzati da un yield strength e da una viscosità plastica, modificata in
modo che sia valida anche su piani non inclinati, è stata presa in considerazione come funzione
di evoluzione dell’automa cellulare. La distribuzione di calore del flusso lavico è tenuta in
considerazione in accordo con il moto del flusso. La temperatura della lava in una cella è
considerata come isoterma e la variazione verticale di temperatura è trascurata. Per il
meccanismo di raffreddamento, sono state considerate le perdite per radiazione solo dalla
superficie del flusso (l’effetto di conduzione del terreno e dell’atmosfera è trascurato) e il cambio
di temperatura in una cella a causa del miscelamento di lave provenienti da differenti celle.
Inoltre sono state introdotte alcune relazioni empiriche che legano la temperatura e la reologia
del magma, validate all’Etna. E’ stato necessario stimare in maniera quantitativa l’errore
sull’uscita derivante dall’incertezza dei parametri di ingresso: viscosità, yield strength, densità,
temperatura di estrusione, temperatura di solidificazione, capacità termica ed emissività. Inoltre,
una delle migliorie che è stata introdotta nel modello originale, è quella di trattare in maniera
differente le celle che rappresentano il fronte lavico. In particolare, è risultato utile introdurre un
modello meccanico per la rappresentazione del fronte (considerato come un guscio viscoelastico) per la possibile simulazione della formazione delle bocche effimere.
Modello Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Per fornire una descrizione più dettagliata
dei processi eruttivi, è stato sviluppato un nuovo modello SPH. Questo algoritmo ha il pregio di
risolvere le equazioni del moto di un fluido comprimibile attraverso un approccio Lagrangiano,
che è particolarmente adatto alla trattazione dei moti a superficie libera a prescindere
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dall'ipotesi di distribuzione idrostatica della pressione. Il codice è stato testato su semplici
problemi di CFD, compreso la simulazione del raffreddamento di un flusso lavico 2D/3D
stazionario/non stazionario. Questo codice, integrato dallo sviluppo di un modello termico più
accurato, permetterà un descrizione dello stato del fluido all’interno della cella elementare e la
simulazione di fenomeni transienti e passaggi di stato quali la formazione della crosta, ed
eventualmente la simulazione di fenomeni complessi come la formazione dei tubi di lava. Per
ottenere delle simulazioni significative, tuttavia, è necessario introdurre un elevato numero di
particelle interagenti tra loro, che purtroppo amplificano i problemi legati al tempo di calcolo.
La realizzazione di simulatori numerici delle colate di lava ha rappresentato da una parte il
punto di partenza per sviluppare una metodologia per costruire mappe di pericolosità delle aree
suscettibili di invasione da colate laviche, dall’altra parte lo spunto per mettere a punto un
sistema per l’analisi di immagini satellitari per l’identificazione e il monitoraggio di anomalie
termiche vulcaniche (hot spot detection) e per la stima del tasso effusivo:
Mappa di pericolosità da invasione di colate di lava all’Etna. Il modello MAGFLOW è uno
strumento essenziale per la realizzazione di mappe di pericolosità perché è in grado di fornire
una previsione a lungo termine della direzione dei flussi, considerando vari tassi di effusione e
diversi punti di emissione. L’applicazione di MAGFLOW all’Etna ha permesso di sviluppare una
metodologia per (i) individuare le aree suscettibili di invasioni da colate di lava e (ii) localizzare
le aree potenzialmente a rischio. La metodologia è basata su un approccio statistico, simulando
centinaia di flussi lavici che hanno origine da tutti i più probabili punti di emissione, ciascuno con
una differente storia eruttiva (cioè tasso di effusione e durata) e differenti parametri reologici tra
quelli possibili all’Etna. Il primo passo consiste nell’identificazione delle aree in cui la probabilità
di apertura delle bocche eruttive è più alta, realizzando una zonazione del territorio in funzione
della documentazione d’eruzioni storiche. Il secondo passo è la definizione delle principali
caratteristiche vulcanologiche evidenziate in funzione della tipologia dell’eruzione (sommitale,
laterale), estraendone i parametri fisici più rappresentativi. Ultimo passo è il calcolo di un gran
numero di simulazioni dei flussi lavici per realizzare una mappa dei possibili scenari dell’area
interessata.
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Tecniche satellitari per l’identificazione di anomalie termiche vulcaniche (hot spot detection) e
per la stima del tasso effusivo. è stata sviluppata una catena automatica di acquisizione ed
elaborazione dei dati satellitari ed è stato realizzato un criterio di allerta per la segnalazione
delle anomalie termiche. La prima fase è consistita nel pre-processamento delle immagini
(calibrazione radiometrica e navigazione per la georeferenzazione delle immagini). Nella
seconda fase sono stati individuati i livelli di backgorund del segnale per l’identificazione delle
possibili soglie critiche, e il riconoscimento di eventuali anomalie termiche significative che
possano precedere eventi eruttivi. Sono stati implementati due diversi algoritmi per
l’identificazione dei punti caldi a partire dall’analisi delle immagini satellitari provenienti dai
sensori AVHRR e MODIS. In particolare, per le immagini AVHRR è stato sviluppato un nuovo
algoritmo adattativo a soglia di temperatura variabile, mentre per le immagini MODIS è stato
implementato l’algoritmo “modvolc” a soglia di temperatura fissa. Per limitare i disturbi dovuti
alle condizioni atmosferiche sono state realizzate metodologie di calcolo a soglia variabile in
grado di elaborare anche le immagini che presentano una parziale copertura nuvolosa. Per la
stima del tasso effusivo è stato utilizzata la tecnica “three-component”, sia per le immagini
AVHRR che quelle MODIS.
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Principali Pubblicazioni / Selected Papers and Publications:
A1. Currenti, G., Del Negro, C., Fortuna, L., Vicari, A. (2003). Nonlinear Identification of
Complex Geomagnetic Models: An Innovative Approach, Nonlinear Phenomena in
Complex Systems, 6:1, 524-533.
A2. Currenti, G., Del Negro, C., Fortuna, L., Napoli, R., Vicari, A. (2004). Non-linear analysis
of geomagnetic time series from Etna volcano. Non Lin. Proc. Geophys., 11, 119-125.
A3. Del Negro, C., Currenti, G., Napoli, R., and Vicari, A. (2004). Volcanomagnetic changes
accompanying the Onset of the 2002-2003 Eruption of Mt. Etna (Italy). Earth and
Planetary Science Letters, 229, 1-2, 1-14.
A4. Del Negro, C., Fortuna, L., Vicari, A. (2005). Modelling lava flows by Cellular Nonlinear
Networks (CNN): preliminary results, Nonlin. Proc. Geophys, 12, 505 – 513.
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A5. Vicari, A., Herault, A., Del Negro, C.; Coltelli, M., Marsella, M., Proietti, C. (2007).
Modelling of the 2001 Lava Flow at Etna Volcano by a Cellular Automata Approach,
Environmental Modelling & Software, 22, 1465-1471.
A6. Del Negro, C., Fortuna, L., Herault, A., Vicari, A. (2008). Simulations of the 2004 lava flow
at Etna volcano by the MAGFLOW Cellular Automata model, Bull. Volcanol., 70, 7, 805812, doi: 10.1007/s00445-007-0168-8.
A7. Herault, A., Vicari, A., Ciraudo, A., and Del Negro, C. (2009). Forecasting Lava Flow
Hazard During the 2006 Etna Eruption: Using the Magflow Cellular Automata Model,
Computer & Geosciences, doi:10.1016/j.cageo.2007.10.008.
A8. Vicari, A., Ciraudo, A., Del Negro, C., Fortuna, L. (2009). Lava flow simulations using
effusion rates from thermal infrared satellite imagery during the 2006 Etna eruption,
Natural Hazard, DOI 10.1007/s11069-008-9306-7.
A9. Scifoni, S., Coltelli, M., Marsella, M., Proietti, C., Napoleoni, Q., Vicari, A., Del Negro, C.
(2010). Mitigation of lava flow invasion hazard through optimized barrier configuration
aided by numerical simulation: The case of the 2001 Etna eruption, Journal of Volcanology
and Geothermal Research, 192, 16–26, doi:10.1016/j.jvolgeores.2010.02.002.
A10. Hérault, A., Bilotta, G., Del Negro, C., Russo, G., Vicari, A. (2010). SPH modeling of lava
flows with GPU implementation. In "Physics to Control Through an Emergent View"
Fortuna Fradkov and Frasca (Eds), World Scientific Series on Nonlinear Science, Series B
- VOL. 15, pp. 183-188, ISBN-13 978-981-4313-14-8.
A11. Bonaccorso A., Bonforte A., Calvari S., Del Negro S., Di Grazia G., Ganci G., Neri M.,
Vicari A., Boschi E. (2011). The initial phases of the 2008-2009 Mt. Etna eruption: a multidisciplinary approach for hazard assessment, Journal of Geoph. Res., 116, B03203,
doi:10.1029/2010JB007906.
A12. Vicari, A., Ganci, G., Behncke, B., Cappello, A., Neri, M., Del Negro, C. (2011). Near-realtime forecasting of lava flow hazards during the 12-13 January 2011 Etna eruption,
Geophys. Res. Lett., 38, L13317, doi:10.1029/2011GL047545.
A13. Ganci G., Vicari A., Bonfiglio S., Fortuna L., Del Negro C. (2011). Hotsat volcano
monitoring system based on a combined use of seviri and modis multispectral data, Annals
of Geophysics, 54, 5, doi: 10.4401/ag-­‐5338.
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A14. Vicari A., Bilotta G., Bonfiglio S., Cappello A., Ganci G., Herault A., Rustico E., Gallo G.,
Del Negro C (2011). LAV@HAZARD: a web-gis interface for volcanic hazard assessment,
Annals of Geophysics, 54, 5, doi: 10.4401/ag-­‐5347.
A15. Bilotta G., Rustico E., Herault A., Vicari A., Russo, G., Del Negro C., Gallo G., (2011).
Porting and optimizing MAGFLOW to CUDA, Annals of Geophysics, 54, 5, doi: 10.4401/ag-­‐
5341.
A16. A22.
Ganci, G., Vicari A., Cappello, A., Del Negro C., (2012). An emergent strategy for
volcano hazard assessment: from thermal satellite monitoring to lava flow modeling,
Remore Sensing of Enviroment, 119, pp 197-207, doi: 10.1016/j.rse.2011.12.021. A17 Bilotta, G., Cappello, A., Hérault, A., Vicari, A., Russo, G., Del Negro, C., (2012).
Sensitivity analysis of the MAGFLOW Cellular Automaton model for lava flow simulation,
Environmental Modelling & Software, doi: 10.1016/j.envsoft.2012.02.015.
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ORARIO E SEDE DI RICEVIMENTO
Mercoledì dalle ore 11:30 alle ore 12:30
Venerdì dalle ore 10:30 alle ore 12:30
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INDIRIZZO EMAIL: [email protected]
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RECAPITO TELEFONICO: 3934559122
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