Post on 20-Jul-2020
Strumenti innovativi per il monitoraggio di
precipitazioni intense nelle aree urbaneLuca Baldini
Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima –CNR, Roma
con contributi da
CNR-ISAC, ARPA Piemonte, DPC, Un. di Firenze, Un. di Ferrara
Meteo Expo2015: un servizio
meteorologico pubblico su misura
Milano, 30 novembre 2015
Monitoraggio(*) delle precipitazioni
• Con strumentazione a terra
– Misure dirette: Pluviometri, disdrometri
– Telerilevamento: Radar, misure di attenuazione, eventualmente supportate
con misure da altri sensori
• Con sensori nello spazio
– Satelliti con sensori passivi / attivi a microonde
• Sfruttando «Signal-of-opportunity»
• Crowdsourcing
“Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre 2015
(*) Da treccani.it «ogni forma di indagine ricorrente e sistematica, di natura biologica (, patologica, epidemiologica o di
altro genere, compiuta (…) anche su ambienti minacciati da inquinamento (…), che ha come fine la programmazione di
interventi miranti alla loro conservazione, gestione o risanamento.»
Misure di precipitazione da terra
• Misure dirette :– Pluviometri (R)
– Disdrometri (DSD)
Sono sensori puntuali, con risoluzione temporale fino a 1min e necessitano di interpolazione spaziale.
Le reti possono sono più dense in ambito urbano
“Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre 2015
Misure di precipitazione da terra
• Telerilevamento:– Radar
• Long range (banda C, S): reti di livello nazionale/regionale
• Short range (banda X) : reti di livello regionale/metropolitano
– Applicazione:• Idrologica (pioggia al suolo)
• Meteorologica: diagnosi e previsione a beve termine (nowcasting)
– Approcci multisensore• Radar + pluviometri/disdrometri � applicazione idrologica
• Radar + sensori fulminazione � applicazione meteorologica
“Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre 2015
Radar e sensori di fulminazione
• La sinergia tra osservazioni radar della precipitazione
e fulmini consente di individuare l’insorgenza di
convezione
• Reti di fulminazioni sono usate operativamente negli
aeroporti
• Caso Roma 15 Ottobre 2012
“Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre 2015
Roberto, N., Adirosi, E., Baldini, L., Casella, D., Dietrich, S., Gatlin, P., Panegrossi, G., Petracca, M., Sanò, P., and Tokay, A.: Multi-sensoranalysis of convective activity in Central Italy during the HyMeX SOP 1.1, Atmos. Meas. Tech. Discuss., 8, 9241-9287, doi:10.5194/amtd-8-9241-2015, 2015.
Graupel
Ice crystals
0°C
Radar e sensori fulminazione
“Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre 2015
Roma 15 ottobre 2012
7“Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre 2015
Radar
CNR ISAC Polar 55C
Rete di
Fulminazione LINET
MSG IR + Linet
37 strokes.
16:00 UTC 17:30 UTC
• 11 strokes (entro 120 Km
dal radar in 5 minuti).
19:10 UTC
227 strokes
Relazione tra graupel e fulminazione
8
1. Applicazione di un
algoritmi di
classificazione per
l’identificazione di
graupel
La figura mostra un RHI, ma il
metodo è verificato per
scansioni volumetriche
standard
2. Una relazione espresso in
legge di potenza tra Ice water
content e riflettività consente
di calcolare il contenuto di
graupel colonnare ad ogni
element di risoluzione radar
(r, θ)
Zh at 40
dBZ
Zh at 50
dBZ
Zh at 55
dBZ
“Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre 2015
Relazione tra graupel e fulminazione
9
+ Strokes per 5 min
Reflettività (Z), strokes, misure al suolo da disdrometro (14 km dal Polar 55C)
Relazione tra graupel e pioggia al suolo
11
Relazione tra graupel e fulminazione
Formenton et al. 2013
Petersen et al. 2005Date a b R2
2012-10-15 5.77×106 2.71×107 0.856
2012-10-12 1.23×106 1.03×107 0.824
2012-09-13 1.63 ×106 2.86×106 0.506
Relazioni teoriche tra IWC
colonnare e densità di flash
Misure di precipitazione da satellite• Le misure di precipitazione da satellite si sono basate per molti anni su sensori
passivi nel visibile (VIS), infrarosso (IR) e microonde (PMW) da satellitigeostazionari (GEO) o orbitanti (LEO).
• I metodi che utilizzano i sensori PMW sono risultati più affidabili rispetto a quellibasati sul VIS e IR per la stima della precipitazione
• I satelliti TRMM (1997- April 8, 2015) e GPM core observatory (in orbita dal 27 Febbraio 2014) utilizzano anche radar alle frequenze Ku e Ka per la stima dellaprecipitazione.
• L’orbita del satellite TRMM era limitata a 35°N, mentre il GPM arriva fino a 65 ° e può essere utilizzato per le precipitazione nelle aree mediterranee e Europee
National radar Mosaic
2014/11/06 22:10
GPM
2014/11/06 22:10
GPM rete radar nazionale
National radar Mosaic
2014/11/16 16:30GPM
2014/11/16 16:30
GPM e rete radar nazionale
Passaggi GPM su Roma
2 Dicembre 2015
Passaggi GPM su Roma
2 Dicembre 2015
1 Dicembre 2015
F16/F17/F18
MetOp A
NOAA 18
Uso di satelliti in costellazioneConstellation microwave sensor channel coverage
Mean Spatial Resolution (km)
Channel
6 GHz
10 GHz
19 GHz
23 GHz
31/36 GHz
50-60 GHz
89/91
GHz
150/166
GHz
183/190 GHz
SSMIS 19.35
V/H
22.23
5 V
37.0 V/H 50.3-
63.28
V/H
91.65
V/H
150 H 183.31H
MHS 89 157 183.311
190.311
AMSU-A 23.8 31.4 50.2-
58
89
AMSR-2 6.92
5
V/H
10.65
V/H
18.7
V/H
23.8
V/H
36.5
V/H
89.0
V/H
GMI 10.65
V/H
18.70
V/H
23.80
V
36.50 V/H 89.0
V/H
165.5
V/H
183.31 V
ATMS 23.8 31.4 50.3-
57.29
87-91 164-
167
183.31
Channel
6 GHz
10 GHz
19 GHz
23 GHz
31/36 GHz
50-60 GHz
89/91 GHz
150/166
GHz
183 GHz
SSMIS 59 59 36 22 14 14 14
MHS 17 17 17
AMSU-A 48 48 48 48
AMSR-2 56 38 21 24 12 5
GMI 26 15 12 11 6 6 6
ATMS 74 74 32 16 16 16
G. Panegrossi, D. Casella, S. Dietrich, A.C. Marra, M. Petracca, P. Sanò, A. Mugnai, L. Baldini, N. Roberto, E. Adirosi, R. Cremonini, R. Bechini, G. Vulpiani,
F. Porcù, USE OF THE GPM CONSTELLATION FOR MONITORING HEAVY PRECIPITATION EVENTS OVER THE MEDITERRANEAN REGION, in review IEEE JSTARS
Alluvione Genova
Max. intensità 120 mm/h
Accumulo 560 mm in 36 hours
Airmass RGB from MSG SEVIRI, and
Geopotential Height at 500 hPa
(green line), and CAPE (J/kg) from
ECMWF analysis Obrober 9 1200 UTC
RGB microphysics with
ECWMF 10-m surface wind
at 1200 UTC
LINET strokes in 24 hours
October 9
20,000 strokes
in 6 hours!!!
12:26 UTC
CDRD (H01)
Istantaneous
Precipitation
from SSMIS
and 15 min
LINET strokes
Liguria-Piemonte 9-13/10/2014
Liguria-Piemonte 9-13/10/201411 October 2014 – 23 overpasses
00:00-04:00 04:00-08:00 08:00-12:00 12:00-16:00 16:00-20:00 20:00-24:00
SSMIS
F16 X X
F17 X X
F18 X X
MHS
MetOp-A X X X
MetOp-B X X
NOAA18 X X
NOAA19 X X X
AMSR2 GCOM-W X X
ATMS NPOESS X X X
GMI GPM X X
ALL x
x
X
X
x x
x
x x
x
x
x x x
x
x x x x x
x
x x
Coverage by PMW
radiometers over
Genoa area
Liguria-Piemonte 9-13/10/2014
Confronto con radar e pluviometri 9-11 ottobre
Liguria-Piemonte 9-13/10/2014Confronto con radar e pluviometri 13 ottobre
Catania: 5 Novembre 2014
Alluvione di Catania causata da una
piccola cella convettiva un 15 km
diametro sviluppatasi a seguito di
un «medicane»
LINET Strokes Nov. 5
linetview.nowcast.de
2014/11/05
00:00-04:00 04:00-08:00 08:00-12:00 12:00-16:00 16:00-20:00 20:00-24:00
SSMIS
F16 X
F17 X X
F18 X X
MHS
MetOp-A X X
MetOp-B X X
NOAA18 X X X
NOAA19 X X
ATMS Suomi NPP X
ALL
15 passaggi disponibili da SSMIS,
MHS, ATMS over Sicily.
In evidenza I 5 relative alla
convenzione su Catania
Catania: 5 Novembre 2014
Catania: 5 Novembre 2014
Radar RHI(Z) Monte Lauro radar
(53 gradi azimut)
Dipartimento Protezione Civile
Signals of oppurtunity
• Usi di segnali utilizzati da sistemi di telecomunicazione e
posizionamento per misure di parametri atmosferici
• Esempi includono i retrieval da segnali GNSS
• Viene mostrato un esempio di uso di segnali di radio-
base di reti cellulari per la stima di precipitazione
• Applicazioni recentemente proposte riguardano la
ricezione di TV satellitareF. Cuccoli, L. Baldini, L. Facheris, S. Gori, E. Gorgucci, Tomography applied to radiobase network for real time estimation of the rainfall rate
fields, Atmospheric Research, Volume 119, January 2013, Pages 62-69, ISSN 0169-8095,
http://dx.doi.org/10.1016/j.atmosres.2011.06.024.
Tx-Rx network True 2D field of the specific “object” to be measured
Estimated 2D field of the specific “object”
Concetto tomografia a microonde
Tomographic processing
K-R relationships
D. Giuli, A. Toccafondi, G. Biffi Gentili, and A. Freni, 1991: Tomographic Reconstruction of Rainfall Fields through Microwave Attenuation
Measurements. J. Appl. Meteor., 30, 1323–1340. doi: http://dx.doi.org/10.1175/1520-0450(1991)030<1323:TRORFT>2.0.CO;2
Stime di precipitazione da reti di cellulari
Radio base radio base a Firenze (2007)
Esperimento numerico:
1. Sequenza di mappe radar doppia
polarizzazione
2. Sequenze di
• Rain rate (mm h-1)
• Attenuazione specifica (dB km-1)
3. Ricostruzione attenuazione su link tra
radio-base
4. Ricostruzione campo precipitazione
con tecniche tomografiche
TIM ( < 1/3 links)
Links: 89 - RB Stations: 47
Links: 34 - RB Stations: 21
TIM (2/3 links)
Stime di precipitazione da reti di cellulari
TIM (2/3 Links)
Averaged BF width: 900 m
10 SBF + 69 DBF
residual link error : 2.9%
2D relative error = 2.2%
Stime di precipitazione da reti di cellulari
TIM ( < 1/3 Links)
Averaged BF width: 900 m
6 SBF + 25 DBF
residual link error : 1.9%
2D relative error = 2.5%
Stime di precipitazione da reti di cellulari
Crowdsourcing• “The practice of obtaining needed services, ideas, or content by soliciting contributions from
a large group of people and especially from the online community rather than from
traditional employees or suppliers” (Merriam Webster)
• Definizione estesa per includere forme di rilevamento basate un elevato numero di sensori
gestiti da utenza eterogenea connessi via internet. (es: http://ispex-eu.org/milan/ uso di
apparecchi collegati a smartphone modificati)
• Progetti mirati alle precipitazioni hanno avuto per lo più finalità didattica. Sono inesplorate le
potenzialità di dati raccolti volontariamente da moltitudini di utenti (‘The Rainfall Project’
blog, Lyndon Green School (http://lgjseco.blogspot.co.uk/ )).
• I problemi principali sono la validazione e il controllo di qualità per applicazioni real-time
Muller, C, Chapman, L, Johnston, S, Kidd, C, Illingworth, S, Foody, G, Overeem, A & Leigh, R 2015,
'Crowdsourcing for climate and atmospheric sciences: current status and future potential' International Journal
of Climatology, vol 35, no. 11, pp. 3185–3203., 10.1002/joc.421
“Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre 2015
Conclusione• Lo sviluppo di metodologie per il monitoraggio meteorologico e
idrologico di aree urbane è un argomento di estremo interesse
• Il maggior contributo negli anni recenti si è avuto dalle reti di radar in banda X che possono produrre stime accurate e ad elevata risoluzione spaziale e temporale
• Sviluppi ulteriori sono attesi dallo sviluppo di costellazioni satellitari e dallo sfruttamento di «signal-of-opportunity» disponibili da link satellitari, terrestri e applicazioni wireless
• Il potenziale delle applicazioni crowdsourcing è ancora inesplorato
“Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre 2015