Transcript Caratterizzazione stagionale delle precipitazioni in una stazione della Pianura Padana utilizzando due diversi pluviometri-disdrometri C.

Caratterizzazione stagionale delle precipitazioni in una
stazione della Pianura Padana utilizzando due diversi
pluviometri-disdrometri
C. Caracciolo(1), M. Folegani(1), S. Natali(2), F. Prodi(1,3)
(1) Dipartimento di Fisica, Università di Ferrara, Ferrara, Italia ([email protected])
(2) Nubila s.a.s., Bologna, Italia
(3) ISAC-CNR Gruppo Nubi e Precipitazioni, Bologna, Italia
COLLOCAZIONE DEGLI STRUMENTI
Gli strumenti sono collocati presso il Dipartimento di Fisica dell’Universitá di Ferrara (torre a ~ 25 metri s.l.m.)
Alto: Pludix (sinistra) (pluviometro-disdrometro in
banda X, 9.5 GHz) ed il disdrometro di JossWaldvogel (JW) (destra). Destra: i sensori
meteorologici ed il pluviometro a vaschetta
basculante.
La risoluzione temporale di ciascun strumento è 1
minuto.
DESCRIZIONE DEGLI STRUMENTI
Il disdrometro di Joss-Waldvogel misura la distribuzione
dimensionale delle gocce in modo continuo ed
automatico. Esso trasforma il momento verticale di una
goccia di pioggia che impatta sullo strumento (Area = 50
cm2) in un impulso elettrico la cui ampiezza è funzione del
diametro della goccia: U = 0.94 D1.47, con U in Volts e D in
mm. Una successiva analisi conduce alla distribuzione
dimensionale delle gocce.
L'intervallo diametrale delle gocce varia da
0.3 a 5 mm. Il disdrometro distingue in 20
classi dimensionali, distribuite piú o meno
esponenzialmente sull’intervallo disponibile.
Il numero di gocce in ciascuna classe è
integrato ogni minuto.
Lo strumento assume una distribuzione
dimensionale di Marshall e Palmer (MP)
(1948):
N(D) = N0 exp (-D)
La densitá numerica delle gocce nella classe iesima è:
N(Di)=ni/(F t v(Di) Di)
Lo strumento inoltre misura: R, LWC, Z, N0, .
N0 = (1/)(6!/)4/3(M/Z)4/3(M)
 = (6!/)1/3(M/Z)1/3
PLUDIX (PLUviometro DIsdrometro in banda X-9.5 GHz)
PLUDIX è un’apparecchiatura multifunzione utilizzata per il rilievo e la caratterizzazione di precipitazioni
atmosferiche al livello del suolo. Le funzioni svolte sono le seguenti:
• rilevatore di presenza di precipitazione;
• identificatore del tipo di precipitazione (pioggia, neve, grandine);
• misuratore della distribuzione dimensionale delle idrometeore (gocce, fiocchi, chicchi) (disdrometro);
• misuratore dell’intensità istantanea della precipitazione (pluviometro) (R in mm/h).
• Il sensore è costituito da un
radar Doppler in banda X (9.5
GHz) ad onda continua di bassa
potenza (10mW).
• Nei pressi del suolo ogni
idrometeora si suppone cada
con una velocitá terminale
costante.
• Effetto Doppler.
• E' applicato un algoritmo di
inversione del segnale per
ricavare la distribuzione
dimensionale delle idrometeore.
PIOGGIA:
(Gunn e Kinzer, 1949): v = 9.65 - 10.3e-0.6 D (m/s) 0.2<D<7 (mm)
Le gocce provocano nel radar Doppler una eco la cui frequenza f (spostamento Doppler, Hz) è proporzionale alla velocità terminale v
(m/s) secondo la formula: f = 2 v / ( = lunghezza d’onda del radar = 0.0315 m)
Per la neve secca: v = 0.098 D 0.3
e per la grandine: v = 5.123 D 0.5
Alla frequenza a cui opera
Pludix (9.5 GHz) le
frequenze Doppler relative
alle velocità terminali di tutti
i tipi di idrometeore (neve,
pioggia, grandine) sono in
pratica comprese fra 0 e
1kHz::
- una parte bassa,
compresa fra 0 e 200Hz
(NEVE)
- una parte centrale,
compresa fra 200 e 600Hz
(PIOGGIA)
- una parte alta, oltre
600Hz (GRANDINE)
CARATTERIZZAZIONE STAGIONALE DELLE
PRECIPITAZIONI
PRECIPITAZIONI TOTALI in mm.
cadute sul Dipartimento di Fisica
Nov 2001:
42.6 mm.
Dic 2001:
3.2
Gen 2002:
22.2
Feb 2002:
21.4
Mar 2002:
3.0
Apr 2002:
79.2
Mag 2002:
93.2
TOTALE 7 MESI:
264.8 mm.
TOTALE dal 01/01/02 al 11/08/02:
319.6 mm.
CARTE DEL BILANCIO
IDROCLIMATICO: i valori negativi
indicano condizioni di deficit idrico
Bollettino Agrometeorologico Emilia Romagna N 32/2002
GENNAIO 2002
Si sono considerati solo valori di
precipitazione superiori ai 0.2
mm/h, per ogni mese analizzato
Dalle 21.16 del 23/01 alle 12.54 del 24/01
5
06.30 24/01
02.01 24/01
Pludix
JW
09.08 24/01
4
R (mm/h)
3
2
1
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
tempo (ogni minuto)
CONFRONTO
Le precipitazioni si sono sempre mantenute sotto i 3 mm/h
RA (mm)
TB
Pludix
JW
4.6
4.40
4.04
FEBBRAIO 2002
Dalle 06.26 del 15/02 alle 09.40 del 17/02
30
09.30 15/02
02.53 16/02
Pludix
JW
25
08.30 17/02
R (mm/h)
20
15
10
5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
tempo (ogni minuto)
CONFRONTO
Le precipitazioni si sono sempre mantenute sotto i 5 mm/h, esclusi due episodi
temporaleschi in cui ha raggiunto anche i 12 mm/h
RA (mm)
TB
Pludix
JW
9.0
7.34
5.10
Dalle 09.41 del 17/02 alle 16.33 del 28/02
30
14.35 21/02
08.00 21/02
Pludix
JW
25
19.33 21/02
20
R (mm/h)
16.23 28/02
15
10
5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
tempo (ogni minuto)
CONFRONTO
RA (mm)
TB
Pludix
JW
5.2
5.48
4.74
APRILE 2002
Dalle 16.11 dell'11/04 alle 23.46 dell'11/04
30
Pludix
JW
25
R (mm/h)
20
15
10
5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
tempo (ogni minuto)
CONFRONTO
Le precipitazioni sono state intese, superando spesso i 20 mm/h
RA (mm)
TB
Pludix
JW
13.6
9.49
9.14
Dalle 15.38 del 20/04 alle 10.56 del 30/04
23.53
04.09 22/04
00.08 21/04
21/04
30
25
Pludix
JW
03.04 27/04
10.46 30/04
R (mm/h)
20
15
10
5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
tempo (ogni minuto)
CONFRONTO
RA (mm)
TB
Pludix
JW
8.6
7.57
8.64
MAGGIO 2002
Dalle 14.40 del 03/05 alle 06.20 del 04/05
50
03.14 04/05
Pludix
JW
40
R (mm/h)
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
tempo (ogni minuto)
CONFRONTO
Le precipitazioni sono state soprattutto brevi ed intense, a carattere
di rovesci raggiungendo anche i 60 mm/h
RA (mm)
TB
Pludix
JW
14.8
16.65
13.78
Dalle 17.20 del 10/05 alle 11.54 del 20/05
25
06.12 11/05
17.33 11/05
14.52 13/05
Pludix
JW
11.58 12/05
20
09.15 20/05
R (mm/h)
15
10
5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
tempo (ogni minuto)
CONFRONTO
RA (mm)
TB
Pludix
JW
11.0
11.58
11.12
ANALISI DELL’EVENTO DEL 07 FEBBRAIO 2002 (03.55 - 04.38)
STRATIFORME: picco attorno ai 400 Hz.
La pioggia STRATIFORME è caratterizzata da ampi massimi, che sono caratteristici anche delle
precipitazioni CONVETTIVE. Queste ultime sono caratterizzate da spettri relativamente allargati, con
massimi piccati verso le alte frequenze, spesso di forma irregolare. Nelle piogge INTENSE lo spettro ha
un massimo alle frequenze piú elevate (il limite è circa 600 Hz). Lo spettro è inoltre spesso interrotto,
con una brusca decrescita. Ció è legato al fenomeno del break-up.
CONFRONTO DELLE PRECIPITAZIONI
07/02/02 (03.55-04.38)
6
6
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
R (mm/h) Pludix
R (mm/h) JW
Coefficiente correlazione = 0.8
5
0
0
10
20
30
40
50
time (every min)
07/02/2002
JW
Pludix
Basculante
Tempo (min)
44
44
44
R (mm/h)
0.94
1.07
1.09
RA (mm)
0.69
0.78
0.80
CONFRONTO DELLE DISTRIBUZIONI DIMENSIONALI
44’ Average DSD
Λ (MP) = 4.1R-0.21 (1/mm)
N0=8000 (1/mm/m3)
1e+4
07/02/2002
03.55-04.38
1e+3
logN(D) (1/mm/m3)
1e+2
1e+1
1e+0
1e-1
1e-2
1e-3
1e-4
1e-5
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
D (mm)
GAMMA
Mn = C 0, Dn N(D) dD = N0(+n+1)/ +n+1
=M4M5/(M4M6- M52)
= (M6/M5)- 6
N0=M5  +6/(+6)
- - - = MP corresponding to the measured averaged rainfall intensity N(D) = N0 exp (-D) ;
….. = gamma DSD (Ulbrich, 1983) N(D) = N0 D exp (-D), which parameters were calculated following Tokay and Short (1996).
NORMALIZZAZIONE DELLA DSD: PARAMETRIZZAZIONE
MEDIANTE UN SOLO PARAMETRO
Sempére-Torres et. al. (1994 and 1998)
La normalizzazione della DSD é:
N(D, R)=R  g(D/R  ),  e  costanti.
Se R è la variabile di riferimento, il momento di ordine n è:
n = An 0, D n N(D, R) dD, An costante
n = cn R (n)
(n)=(n+1)+ dipende linearmente solo dal momento di ordine n
cn = An 0, x n g(x) dx, dipende sia da g che da n
Se v(D)=3.778D0.67 e n = R, valgono le seguenti condizioni:
• +4.67=1
• 0, x3.67 g(x) dx = 3x10-8
• E’ possibile fittare la N(D, R) piú conveniente senza mediare o
splittare i dati in classi di R (coerenza sequenziale).
• Tutte le espressioni analitiche precedentemente proposte per la
DSD obbediscono a questa formula generale.
• Per calcolare i primi momenti (n=0,1,2,3,4,5,6) abbiamo utilizzato:
n = An 0, D nN(D, R)dD.
• Una legge di potenza n = cn R (n) è stata fittata per ciascun ordine n dei
momenti.
• In seguito: (n)=(n+1)+, che rende possibile l’identificazione dei valori di
 e  mediante regressione lineare.
Abbiamo testato la validità della formulazione, verificando la self-consistent.
(,) = (-0.27,0.27)=purely raindrop size-controlled rainfall;
(,) = (0,0.21)=Marshall and Palmer's (1948) exponential DSD;
(,) = (1,0)=purely raindrop concentration-controlled conditions (EQ DSD).
self-consistent
0.45
= pludix
= JW
0.40
0.35

0.30

Uijlenhoet (1999) ha trovato che condizioni di pure sizecontrol possono avvenire in condizioni orografiche,
mentre condizioni di pure number-control durante
condizioni di equilibrio, e che differenti combinazioni di
size-control e number control avvengono durante
condizioni di pioggia stratiforme e convettiva (con la
prima soprattutto size-controlled e l’ultima soprattutto
number-controlled).
0.25

0.20
07/02
MP
07/02
0.15
0.10
0.05
0.00
-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2
EQ
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0



self-consistent
-0.01
0.23
0.967
Pludix 0.21
0.17
1.014
JW
L’evento, come visto da Pludix, è spostato nella parte
destra del grafico, indicando che la variabilità spaziotemporale della DSD è maggiormente controllata dalla
concentrazione.
ALGORITMO DI INVERSIONE
ANALISI DEGLI EVENTI DI NEVE E GRANDINE
13 DICEMBRE: NEVE
La presenza nell’atmosfera di idrometeore ghiacciate
con basse velocitá terminali può originare una serie di
picchi nella parte piú bassa dello spettro. I picchi
indicano probabilmente una DSD discontinua, con
diametri preferenziali. Probabilmente si tratta di
particelle ghiacciate con un meccanismo dendritico di
aggregazione, che conduce alla formazione di forme
stabili con diametri preferenziali. Le frequenze Doppler
hanno quindi valori discreti conducendo al tipico spettro
ISPIDO nella parte bassa (~50 Hz).
21 FEBBRAIO: GRANDINE/PIOGGIA INTENSA
Normalmente la presenza di grandine è indicata dalla parte
alta dello spettro, con picchi oltre i 600 Hz. In questo caso il
picco è attorno ai 550 Hz, indicando una leggera grandine
mista a pioggia intensa.
CONCLUSIONI
Questa analisi ha dimostrato le buone capacità di Pludix nel misurare l'intensità di
precipitazione e la distribuzione dimensionale con elevata accuratezza, se paragonato
con un disdrometro classico ed un pluviometro. Allo stato attuale si sta testando un nuovo
algoritmo di inversione che permetta di contare le gocce nell’intervallo diametrale 0.3-7.0
mm. Ci aspettiamo di avere dei migliori risultati.
L’analisi ha inoltre dimostrato che Pludix può facilmente discriminare tra qualunque tipo di
idrometeora (come grandine, graupel, neve, drizzle, …), che nessun altro disdrometro
classico o pluviometro fa.
Pludix è inoltre particolarmente adatto per il controllo simultaneo su estese aree remote e
puó inoltre essere considerato come un Present Weather Sensor (PWS).
• Ulteriori analisi e procedure di calibrazione condurranno a miglioramenti nelle
prestazioni dello strumento.
• Nel futuro ci si propone inoltre di creare una rete di Pludix a scala regionale per
meglio analizzare la variabilità spazio-temporale delle precipitazioni.
http://www.nubila.net/