Forzanti meteorologiche: misurazione e interpolazione di temperatura, radiazione solare e vento

Forzanti Metereologiche e Precipitazione

La misura delle forzanti è necessaria perché la variazione di queste può essere correlata alla formazione di eventi di precipitazione.

Temperatura dell'Aria

Temperatura dell'aria: solitamente misurata da un sensore posto a circa 2m dal suolo, occorre che la misura rispetti determinati requisiti per mantenere una certa rappresentatività del sito. Generalmente i termometri sono associati alle stazioni di misura che comprendono svariati sensori in grado di misurare grandezze differenti. I sensori moderni hanno una struttura di protezione sovrastante chiamata schermo solare, costituito da piattelli forati impilati di colore bianco, la cui funzione è quella di proteggere il sensore di temperatura dal contatto diretto con la radiazione solare, che durante il giorno potrebbe far registrare temperature dell'aria più alte di quelle reali. Insieme al sensore di temperatura è associato anche un sensore di umidità anch'esso protetto dallo schermo => è presente anche un sistema di ventilazione per favorire il ricircolo d'aria. Nel caso in cui la stazione si trovi in località remote, i sensori sono alimentati a batterie solari.

Interpolazione dei Dati di Temperatura

Dopo aver ottenuto le misurazioni è necessario interpolare i dati per caratterizzare il comportamento di una certa area => è necessario definire un campo continuo su cui interpolare i risultati. Dato che la temperatura segue l'andamento altimetrico, ovvero diminuisce all'aumentare della quota, nel caso in cui le stazioni siano poste a quote differenti, il campo prodotto non sarà omogeneo => quando si interpolano i dati è necessario considerare il gradiente altimetrico verticale, quindi l'andamento della temperatura al variare della quota.

Per ottenere un campo continuo si procede attraverso le operazioni:

• Individuare un piano di riferimento, quindi un valore di quota arbitraria per tutte le stazioni
• Applicare il gradiente termico verticale costante (-6,5℃/Km) per una distanza (in Km) ottenuta facendo la differenza tra la quota di riferimento e quella della stazione di misura
• Ho ottenuto così una misura omogenea alla stessa quota, che avrà valori di temperatura diversi ma quote uguali => dopo aver interpolato su tutta l'area ottengo un campo di temperatura alla quota di riferimento
• A seguito dell'interpolazione fatta alla quota di riferimento, riapplico il gradiente verticale costante sui valori interpolati, per ottenere misure di temperature uniformemente distribuite su tutta l'area = valore reale alla quota reale

Calcolo del Gradiente Termico Verticale

È possibile calcolare il gradiente termico verticale a partire dalle misure => si riporta graficamente l'andamento delle temperature al variare della quota, nel caso in cui i dati si dispongano lungo una retta, la pendenza rappresenta il gradiente => gradiente termico calcolato in quell'istante su quell'area. Tuttavia nelle zone montagnose nei periodi invernali si possono avere delle situazioni di inversione termica durante l'alba ed il tramonto, per cui si registreranno temperature più alte in quota rispetto alla valle, in quanto più esposte al sole. In questo caso non si può definire un preciso gradiente termico, perché i dati non presentano variazione lineare => non è possibile individuare un coefficiente angolare.

Il gradiente viene calcolato come la pendenza della regressione lineare a scala oraria, conoscendo le misure di temperatura e la quota delle stazioni => analizzando l'andamento annuale di una zona montana, si nota come il gradiente costante sia valido solo nei mesi estivi, mentre i gradienti calcolati sulle misure ottenute si adattino meglio anche nel resto dell'anno => in inverno l'inversione termica è comunque presente e l'indice di adattamento si abbassa notevolmente, tuttavia diminuisce l'imprecisione.

Cross-validazione dei Dati

Cross-validazione: applicabile su una rete densa, consiste nel rimuovere una stazione per volta dalla rete e ricostruire il valore in quel punto interpolando gli altri dati. A questo punto è possibile calcolare l'errore dato dalla differenza tra i dati ricostruiti ed il dato effettivamente misurato => si hanno delle curve che descrivono l'andamento dell'errore in funzione del metodo d'interpolazionee del mese => l'errore minimo si ha quando il gradiente considerato viene ricalcolato ad ogni passo di misura.

Radiazione Solare

Radiazione solare: grandezza usata per analizzare il fenomeno dell'evapo-traspirazione, gli strumenti utilizzati sono più complessi e quindi la rete di misura risulta meno densa. Il piranometro è costituito da una calotta di vetro trasparente al cui interno risiede un sensore che misura l'energia delle radiazioni che lo colpiscono => viene misurata l'energia incidente a onde corte proveniente da qualunque direzione. È necessario che le stazioni siano poste in luoghi con interferenza minima.

Componenti del Bilancio Energetico

Per caratterizzare completamente il bilancio energetico bisogna tenere conto di 4 componenti:

• Radiazione solare incidente, a onde corte
• Radiazione riemessa dalla Terra, sempre a onde corte
• Radiazione emessa dalla Terra, assorbita dalle nuvole, a onde lunghe
• Radiazione emessa dalle nuvole verso la superficie terrestre, a onde lunghe

Per questo ci si avvale di uno strumento chiamato radiometro netto a 4 componenti, composto appunto da 4 sensori orientati in direzioni differenti a seconda di quale radiazione devono misurare.

Componenti della Radiazione Incidente

Una volta individuata una superficie topografica, nell'interpolazione è necessario tenere conto di 3 principali componenti della radiazione incidente: Sin = Ic + D + A, dove:

• Ic è la componente diretta
• D è a componente diffusa, assimilabile ad una riflessione in più direzioni
• A è la componente riflessa dalle superfici prossime alla stazione di misura

Bisogna inoltre tenere conto del fatto che in una superficie topografica possano esistere delle zone d'ombra, ovvero luoghi in cui i raggi solari non arrivano mai direttamente => è presente solo la componente diffusa, questa condizione dipende dalle caratteristiche spaziali, dall'angolazione e dalla disposizione dei versanti (in pianura non si verifica). Sono quindi necessari algoritmi in grado di ricostruire un campo continuo sull'intera superficie che tengano conto della topografia = cambia l'esposizione alle radiazioni.

Velocità e Direzione del Vento

Velocità e direzione del vento: generalmente misurata a 10 m dalla superficie topografica, la rilevazione può avvenire attraverso l'anemometro meccanico, ovvero un'asta che si orienta in direzione opposta a quella del vento più delle palette rotanti che misurano la velocità del vento, oppure attraverso un anemometro sonico, che si avvale del segnale acustico per rilevare le due grandezze e quindi non ha parti in movimento => dotato di 3 coppie di sensori di tipo emittente/ricevente, attraverso l'elaborazione del segnale si deduce la velocità del vento nelle 3 direzioni = vettore in 3 componenti (intensità e direzione), questo strumento garantisce un'elevata frequenza di misurazione e ha meno probabilità di rompersi non avendo parti meccaniche.

Convenzioni per la Direzione del Vento

È importante distinguere le due convenzioni (oceanografica e metereologica) per definire la direzione del vento = sono una l'opposto dell'altra, con la convenzione oceanografica che ha la punta della freccia orientata come la direzione del vento, mentre quella metereologica nella direzione di provenienza.

Anche per questa grandezza è necessario tenere conto della topografia e della sua geometria locale quando si intende interpolare i dati per formare un campo continuo.

Metodo di Interpolazione Micromet

Un metodo d'interpolazione è quello del Micromet calcolato come: Ww = 1 + Ys25 + Yc2c, dove Q25 è la pendenza, calcolata come la derivata prima della superficie topografica, 12c è la curvatura, ottenuta facendo la derivata seconda della topografia locale, mentre Ys e Yc sono i pesi associati alle due caratteristiche della superficie => variabili a seconda del modello considerato.

A questo punto si scompongono le misure della velocità del vento in: ) direzione intensità [orizzontale, si verticale scrivono quindi la direzione e l'intensità del vento in funzione di due componenti (normale etangenziale) u e v: u = - W sin 0 ,le quali vengono interpolate usando il metodo della distanza v = - W cos 0 quadratica inversa. Le componenti normali e tangenziali vengono poi riconvertite in direzione ed W = Vu2 + v2 intensità del vento: 10 = T - tan-1

Attraverso calcoli più complessi è possibile definire la curvatura, a partire da una lunghezza di scala fissata e dalle quote nelle 4 direzioni cardinali, e la pendenza nella direzione del vento, considerati gli angoli di pendenza della superficie topografica dati da espressioni dipendenti dalla variazione di quota al variare della posizione. Una volta ottenuti questi valori, è possibile calcolare il valore pesato Ww, da cui deriva il valore finale corretto della velocità del vento come: Wt = Www.

Difficoltà nell'Interpolazione della Velocità del Vento

La misura della velocità del vento è molto complessa, per cui è difficile avere una serie lunga e continua di dati senza errori di misura => l'interpolazione è più difficile, perché il programma deve individuare gli errori, rimuoverli e inserire un codice che identifichi la rilevazione di un errore (al dato viene assegnato il valore -999).

Spesso in assenza di sufficienti dati, si completa il data-set utilizzando dei modelli metereologici che riescono a produrre dati realistici (MOLOCH) => dati utilizzati come se fossero misure reali. A questo punto è possibile procedere con l'interpolazione, in quanto i dati compongono una serie continua. Un metodo per verificare la validità dell'interpolazione consiste nel ricostruire un dato proveniente dal modello meteorologico => la differenza tra il dato ricostruito e quello proveniente dal modello identifica l'errore dell'interpolazione.

Un modello che tenga conto anche della topografica (Micromet) ha costi computazionali più elevati e si nota che nella fascia di quote più bassa (non la montagna) l'errore è più grande rispetto ad altri modelli.

Infiltrazione

Si vuole analizzare cosa succede quando la precipitazione incontra il suolo.

Pioggia Netta e Meccanismi di Scorrimento

Pioggia netta: parte della precipitazione che dà luogo a scorrimento o accumulo d'acqua sulla superficie del suolo. Si definiscono due meccanismi per cui l'acqua si trova a scorrere in superficie:

• Hortoniano: causato dall'eccesso di precipitazione, si basa sul principio per cui il suolo sia caratterizzato da una massima capacità di infiltrazione, per cui quando l'intensità di pioggia supera il valore di capacità, si manifesta il fenomeno di deflusso. Questo meccanismo è tipico di bacini caratterizzati da climi aridi e semiaridi, con scarsa vegetazione => il suolo è povero di materiale organico ed ha bassa permeabilità
• Dunniano: proveniente da un eccesso di saturazione, avviene in presenza di suoli molto permeabili con forte presenza di materiale organico, per cui la capacità d'infiltrazione è maggiore dell'intensità di pioggia = l'acqua si accumula nelle riserve sotterranee, alimentando la falda freatica, per cui il suo livello può arrivare ad intercettare il piano campagna = terreno completamente saturo. Il deflusso proviene quindi dalla risalita della falda in superficie. È un meccanismo tipico delle aree a clima umido con molta vegetazione, pendenze poco elevate e falda freatica poco profonda.

Coefficiente di Deflusso

Coefficiente di deflusso: calcolabile su un determinato periodo, è indipendente dal processo ed è definito come volume defluito volume di precipitazione

Zone del Terreno

Il terreno solitamente si suddivide in una zona insatura = vicino alla superficie topografica, la fase liquida non occupa tutti i vuoti ed è l'area d'interesse per l'analisi dell'infiltrazione e una zona satura = tutti i vuoti sono occupati dalla fase liquida.