APPLICAZIONE DELLA TECNICA SURFACE RENEWAL PER LA STIMA DEI FLUSSI DI EVAPOTRASPIRAZIONE: IL CASO STUDIO DI LENTINI

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1 Regione Siciliana Assessorato delle Risorse Agricole e Alimentari Dipartimento Interventi Infrastrutturali per l Agricoltura Assessorato dei Beni Culturali e dell Identità Siciliana Dipartimento Beni Culturali e dell Identità Siciliana APPLICAZIONE DELLA TECNICA SURFACE RENEWAL PER LA STIMA DEI FLUSSI DI EVAPOTRASPIRAZIONE: IL CASO STUDIO DI LENTINI Simona Consoli, Rita Papa Palermo 1-2 Dicembre 2010 Dipartimento di Ingegneria Agraria, Università degli Studi di Catania; simona.consoli@unict.it

2 Giornate di Studio: Un approccio integrato allo studio dei flussi di massa e di energia nel sistema suolo-pianta-atmosfera: esperienze e prospettive di applicazione in Sicilia PREMESSA Le tecniche micrometeorologiche consentono di misurare i flussi di massa e di energia al di sopra della vegetazione Al di sopra della vegetazione il flusso è turbolento Re>>2000 Il trasporto delle molecole d acqua dalla vegetazione verso l atmosfera Le dinamiche di tale trasporto fanno capo alla meccanica dei fluidi che consente di determinare in ogni istante di tempo la posizione e la temperatura di tutte le molecole Tale teoria è alla base della modellazione dei processi evapotraspirativi turbolento laminare E rappresentato mediante vortici eddies, responsabili del trasporto di massa e di energia suolo nudo trasporto per diffusione molecolare coltura

3 Giornate di Studio: Un approccio integrato allo studio dei flussi di massa e di energia nel sistema suolo-pianta-atmosfera: esperienze e prospettive di applicazione in Sicilia PREMESSA La determinazione dei flussi di evapotraspirazione (ET) è rilevante per la gestione delle risorse idriche in agricoltura La misura diretta dei flussi di calore latente (LE o ET), mediante tecniche lisimetriche o EC, è estremamente dispendiosa INDIVIDUARE METODI ALTERNATIVI PER LA STIMA DI LE

4 Per colture irrigue, il termine LE è simile all energia disponibile, ile, dunque (R N -G) può rappresentare, in prima approssimazione ET Facendo riferimento all equazione di bilancio energetico, la stima di H può migliorare quella di LE (o ET) R = G + H + n LE INDIVIDUARE METODI SEMPLICI ED ECONOMICI PER LA DETERMINAZIONE DI H

5 OBIETTIVI INDIVIDUARE METODI SEMPLICI ED ECONOMICI PER LA DETERMINAZIONE DI H Valutare l applicabilità della tecnica Surface Renewal per la stima di H, che in combinazione con le misure di RN e G consenta la stima di LE (o ET); Confrontare le stime di H e di LE ottenute con le misure dei medesimi flussi da Eddy Covariance; Conseguire miglioramenti nella stima di H da Surface Renewal attraverso la stima del coefficiente di calibrazione α.

6 Area sperimentale: c.da Bulgherano (Sr) L azienda si estende per circa 120 ha di colture agrumicole. Il sito in esame è un agrumeto con sesto 4x6 irrigato a goccia superficiale; gocciolatori on-line a distanza di 0.80 m e in numero di 4 per pianta. La portata media erogata è di 4 l/h. La durata dell irrigazione è di 5 ore giornaliere nel corso del periodo di punta LAI medio oltre 4 m 2 m -2 (LICOR LAI 2000); intercettazione della radiazione PAR del 100% al centro della chioma e di oltre il 50% nell interfila; h crop =3,5 m

7 2 Termocoppie ad alta frequenza di acquisizione (~4m, 10 Hz) La strumentazione/1 Data-logger Campbell Scientific CR 3000 Data-logger Campbell Scientific CR Radiometri netti (8 m) Gas analyzer Li7500 (8m) + Anemometro sonico CSAT3 (8m) Anemometro sonico Gill Windmaster (4 m) Termoigrometro (10 m)

8 4 anemometri (4m-6m-8m-10m) La strumentazione/2 Data-logger Campbell Scientific CR 1000 Sensore PAR 4 termocoppie (4m-6m-8m-10m) 4 sensori IRT 4 TDR (15-30 cm) 3 Piastre di flusso e 3 Termocoppie

9 La strumentazione/3 Data-logger Campbell Scientific CR 1000 Schema di installazione dei sensori di Sap Flow Sono stati installati 8 sensori su ciascuna pianta Heat Pulse Method

10 FLUSSO DI CALORE NEL SUOLO (G) Termocoppie z G1 G2 Non essendo agevole la misura di G in superficie, generalmente si misura G2 ad una profondità nota (z) mediate l utilizzo di piastre di flusso. Il termine di accumulo (ΔS)( viene misurato mediante termocoppie posizionate al di sopra delle piastre E dunque possibile stimare G1 G1 = G2 + ΔS S T2 T1 C z v t t Δ = 2 1 T 2 - T 1 è la variazione di temperatura nell intervallo di tempo t 2 - t 1 Piastre di flusso

11 Sono stati scelti 3 punti di misura di G: in prossimità del tronco; a 1/3 della distanza fra le file; a 2/3 della distanza fra le file

12 METODOLOGIA

13 CALORE SENSIBILE (H) - SURFACE RENEWAL La tecnica di Surface Renewal utilizza due termocoppie sensibili ad alta frequenza (4 Hz), installate a circa 0.5 m sopra la copertura vegetale, per la misura delle fluttuazioni della temperatura dell aria H = α ρ Cp l a + s z α: coefficiente di correzione per tener conto della poco uniforme distribuzione dei flussi di calore al di sotto dei sensori; z: : altezza della misurazione; ρ: densità dell aria (g/m 3 ) e C p : calore specifico dell aria a pressione costante (J/g K) a l + s rappresenta la variazione media della temperatura ( C) (rampe( rampe) durante l intervallo di registrazione (30 ); a: : ampiezza media delle rampe; l: : intervallo di tempo (aumento/diminuzione); s: : intervallo di stazionarietà nell andamento della temperatura (tempo)

14 CALORE SENSIBILE (H) - SURFACE RENEWAL In condizioni di instabilità (situazione diurna), una particella d aria calda (1) sopra la vegetazione, si trova in un ambiente a temperatura inferiore rispetto alla propria T 1 t

15 CALORE SENSIBILE (H) - SURFACE RENEWAL si raffredda lentamente (a seguito della cessione di calore all ambiente circostante) e T 1 t

16 CALORE SENSIBILE (H) - SURFACE RENEWAL inizia la sua discesa (a seguito della diminuzione della propria temperatura e dell aumento della densità) T t 1

17 CALORE SENSIBILE (H) - SURFACE RENEWAL T t 1

18 CALORE SENSIBILE (H) - SURFACE RENEWAL quando raggiunge la vegetazione che ha una temperatura più alta (flusso di calore sensibile positivo) rispetto a quella della particella d aria T t 1

19 CALORE SENSIBILE (H) - SURFACE RENEWAL assorbe calore dalla vegetazione stessa T t 1

20 CALORE SENSIBILE (H) - SURFACE RENEWAL il repentino incremento di temperatura (diminuzione della densità) T t 1

21 CALORE SENSIBILE (H) - SURFACE RENEWAL fa risalire velocemente la particella d aria (1) T t 2 1

22 CALORE SENSIBILE (H) - SURFACE RENEWAL che verrà sostituita da una nuova particella d aria (2) che gradualmente g si raffredderà T 1 t 2

23 CALORE SENSIBILE (H) - SURFACE RENEWAL T ( C) 1 tempo 2

24 CALORE SENSIBILE (H) - SURFACE RENEWAL s l T( C) a Questo è il tipico andamento a rampe su cui è basata la tecnica di Surface Renewal.. Le caratteristiche della rampa sono: sec s è il tempo (sec) in cui l aria mantiene la propria temperatura l è il tempo (sec) durante il quale l arial si raffredda a è l ampiezza della rampa che corrisponde alla variazione di temperatura ( C)

25 CALORE SENSIBILE (H) - SURFACE RENEWAL Il calcolo dei momenti statistici per la determinazione delle caratteristiche della rampa viene effettuato dal Datalogger. T(i+j) Structure Function S n (r) [ T ( i + j) T ( i) ] [ T ( i + j) T ( i) ] 2 [ T ( i + j) T ( i) ] 3 [ T ( i + j) T ( i) ] 5 t Statistical Moment del 2, 3 e 5 ordine; n 1 S ( r) = m i= m j i= 1 [ T ( i + j) T( i)] consentono di determinare l ampiezza a e il periodo l+s delle rampe. n

26 CALORE SENSIBILE (H) - SURFACE RENEWAL La stima del valore medio dell ampiezza della rampa a per un intervallo di tempo prestabilito è determinata risolvendo l equazione di 3 grado (nella variabile a ) per la radice reale: 3 a pa q + + = 0 ( ) 2 p 10S r = ( ) 3 q= 10S r S S 3 5 ( r) ( r) Dove: S 2, S 3 e S 5 sono le Structure Function ottenute mediando, per ogni intervallo di 30 min, i momenti di 2, 3 e 5 ordine delle differenze di temperature dell aria misurate ogni 0.25 s. il valore medio del periodo della rampa (l+s), per un intervallo di tempo di 30 min, è dato da: l + s = S a 3 3 ( r)

27 CALORE SENSIBILE (H) METODO AERODINAMICO Stima del gradiente di flusso 1822 (Legge di Fourier, 1822) H = ρu *T * u* dal profilo di velocità del vento T* dal profilo di temperatura Z=10 m Z=8 m Z=6 m Metodo aerodinamico semplificato (Itier and Riou, ) per H: 2 livelli di misura, tenendo conto delle condizioni di stabilità (R i : numero di Richardson) Moderata instabilità (-0.3 R i 0, condizioni diurne) Elevata instabilità (R i <-0.3, condizioni diurne) Z=4 m ΔT H = KΔTΔu 1 K R 2 Δu 3 / 2 H = αδt 3 4 Moderata stabilità (0<R i 0.15, condizioni notturna) Elevata stabilità (Ri>0.15, condizione notturna) K = ρc k 2 p 2 z 2 ln z 1 1/ 2 16g z 1.3ρC ( g / T ) 2 K R = z 1z2 ln α = p T z z 1/ 1 d z2 d [( ) ( ) ] 1/ 3 3 / 2 H ΔTΔz = KΔTΔu 1 2 6Δu H ΔTΔu = K 10 d = 0. 67h crop 2

28 CALORE SENSIBILE (H) - EDDY COVARIANCE Il generico flusso verticale (di massa o di energia) è la covarianza tra la velocità verticale del vento e la misura dello scalare (temperatura, vapore acqueo, ecc ) F c = ( w'c' ) c: è la grandezza scalare analizzata (T, H 2 O, CH 4 ); w: è la velocità verticale del vento [m s - 1 ]; l indice l indica la deviazione delle grandezze considerate (varianza) dalla media H = ρc p ( w't ') turbolento laminare LE = ρ C p ( w ' H O' ) 2 suolo nudo coltura trasporto per diffusione molecolare

29 CALORE LATENTE (LE) BILANCIO ENERGETICO λe E (o ET) è stato calcolato dalla risoluzione dell equazione di bilancio energetico λe = R G n H H da Surface Renewal H da Eddy Covariance Tale metodo deve essere testato in particolari condizioni: quando i flussi di H variano in un ampio range di valori - desta interesse l applicazione su colture sottoposte a differenti regimi irrigui - o su colture in condizioni di pieno rifornimento idrico durante il periodo di crescita (ed anche di senescenza) - l ambiente mediterraneo è particolarmente adatto all applicazione di tale metodo

30 CALIBRAZIONE

31 I METODO DI CALIBRAZIONE H = α ρ Cp l a + s z I flussi di H da Surface Renewal sono stati calibrati utilizzando stime indipendenti di H da Eddy Covariance, ottenute dall anemometro sonico posto alla quota di 8 metri

32 II METODO DI CALIBRAZIONE H = α ρ C p l a + s z α = k π ( z * z 2 d ) τ u * φ 1 h ( ς ) 1/ 2 Quando le misure di H vengono effettuate nel roughness sub- layer, z*,, il parametro α può essere stimato come: z* è funzione delle caratteristiche della copertura vegetale e dell intensità della σ u turbolenza I u = u hc h ( * c z hc ) = I ( ) ( ) u hc d cd LAI h c è l altezza colturale, d lo zero-plane displacement,, f è il rapporto tra lo spessore della chioma e l altezza colturale, LAI l indice di area a fogliare; c d il coefficiente di resistenza fogliare In prossimità della massima altezza colturale: u*=0.5σ u ; d=0.75h c f

33 o L arco temporale oggetto di studio (febbraio-ottobre ottobre 2010) è stato suddiviso in tre periodi di tre mesi ciascuno; o Per ciascuno dei tre periodi individuati, sono stati utilizzati i 15 giorni centrali per la calibrazione di α I valori di α calcolati con il metodo I variano in un ampio range,, ne segue la necessità di una continua calibrazione H SR1 4m H SR1 8m H SR2 P: α R 2 Rmse α R 2 Rmse C d R 2 Rmse (Wm -2 ) (Wm -2 ) (Wm -2 ) del Unstable metodo 0.66 nel 0.55 corso 61 del 0.64 monitoraggio Stable P: I Unstable valori di 0.58 c Stable - d calcolati con il metodo II appaiono più robusti, ciò Stable + suggerisce che tale metodo può essere P: utilizzato dopo una breve campagna di monitoraggio Unstable Stable - Stable Confronto tra H SR1 e H SR2 con H EC a 8 metri

34 Indici di prestazione Le verifiche condotte nel periodo di studio, hanno consentito di confrontare i valori di H ottenuti da Surface Renewal (H SR1 e H SR2 ) con quelli ottenuti dalla tecnica Eddy Covariance (H EC ) a 8 metri Method: I confronti sono stati condotti in termini di: H analisi di EC_4m H regressione lineare SR1 4m LRA; P: N Unstable 1570 Stable P: Unstable 1883 Stable Stable + 94 RMSE; D P: Unstable 1113 Stable Stable a b R 2 Rmse D (Wm -2 ) (Wm -2 ) = y x p=100 (1-D) a b R 2 Rmse D (Wm -2 ) (Wm -2 ) H SR1 8m a b R 2 Rmse D (Wm -2 ) (Wm -2 ) Percentuale di sovrastima o di sottostima dei modelli utilizzati H SR2 a b R 2 Rmse D (Wm -2 ) (Wm -2 )

35 RISULTATI

36 H EC_4 m sottostima del 18% i valori di H EC_8 m fatta eccezione per le condizioni di stabilità notturna (in cui si verifica una sovrastima D=1.22). Nelle condizioni di instabilità: H SR2 è risultato più simile ad H SR1 che a H EC_4 m ; D 1; RMSE da H SR2 è più elevato rispetto ad H EC_4 m. Method: P: N Unstable 1570 Stable P: Unstable 1883 Stable Stable + 94 P: Unstable 1113 Stable Stable H EC_4m a b R 2 Rmse D (Wm -2 ) (Wm -2 ) H SR1 4m a b R 2 Rmse D (Wm -2 ) (Wm -2 ) H SR1 8m a b R 2 Rmse D (Wm -2 ) (Wm -2 ) H SR2 a b R 2 Rmse D (Wm -2 ) (Wm -2 )

37 600 H EC 4m vs. H EC 8m 600 H SR1 4m vs. H EC 8m Method: P: N H EC_4m a b R 2 Rmse D p (Wm -2 ) (Wm -2 ) Method: P: N H SR1 4m a b R 2 Rmse D p (Wm -2 ) (Wm -2 ) Unstable 1570 Stable P: Unstable 1883 Stable Stable + 94 P: Unstable 1113 Stable Stable Unstable 1570 Stable P: Unstable 1883 Stable Stable + 94 P: Unstable 1113 Stable Stable

38 450 H SR1 8m vs. H EC 8m 450 H SR2 vs. H EC 8m Method: P: N H SR1 8m a b R 2 Rmse D p (Wm -2 ) (Wm -2 ) Method: P: N H SR2 a b R 2 Rmse D p (Wm -2 ) (Wm -2 ) Unstable 1385 Stable P: Unstable 1569 Stable Stable P: Unstable 1183 Stable Stable Unstable 1570 Stable P: Unstable 1883 Stable Stable + 94 P: Unstable 1113 Stable Stable

39 W/m /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ HSR1 (alpha 4 m) RN-G W/m H SR 1 α = 4 m /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ HSR1 (alpha 4 m) RN-G W/m /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ HSR1 (alpha 4 m) RN-G

40 W/m /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ HSR1 (alpha 8 m) RN-G W/m H SR 1 α = 8 m /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ HSR1 (alpha 8 m) RN-G W/m /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ HSR1 (alpha 8 m) RN-G

41 W/m /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ /5/ HSR2 RN-G W/m H SR /5/ /6/ /6/ /6/ /6/ HSR2 RN-G W/m /07/ /07/ /08/ /08/ /08/ /08/ HSR2 RN-G

42 8 6 ET (mm/g) /4/10 2/5/10 22/5/10 11/6/10 1/7/10 21/7/10 10/8/10 30/8/10 19/9/10 da HSR1 (alpha 4 m) da HSR1 (alpha 8 m) da HSR2 da EC ET (mm/g) da HSR1 (alpha 4 metri) da HSR1 (alpha 8 metri) da HSR2 da EC 8 metri Media dev.st cv

43 CONCLUSIONI

44 Il metodo I H SR1 frequenza; richiede: 1 termocoppia sensibile ad alta Il metodo II H SR2 richiede: 1 termocoppia sensibile ad alta frequenza + un anemometro sonico bi-dimensionale; misure di LAI e delle caratteristiche principali dell architettura della vegetazione Dai risultati emerge che α presenta una significativa variabilità, dunque il metodo H SR1 necessita di costante calibrazione; ; mentre H SR2 si mostra consistente anche per calibrazioni di circa 2 settimane Il metodo EC consente i migliori risultati in termini di H alle quote maggiori,, in quanto la miscelazione dei flussi guidata dai vortici (eddies( eddies) ) può essere valutata al meglio

45 Dalla sperimentazione condotta emerge che il H EC_4 sottostima EC_8 del 18% H EC_8 H EC_8 deve essere assunto come riferimento, in quanto a tale quota si verifica la chiusura dell equazione di bilancio energetico Il metodo II H SR2 mostra buone correlazioni con H EC_8, in condizioni di instabilità, e un moderato RMSE (< 52 W/m 2 ) Per una coltura caratterizzata da uno sviluppo vegetativo pressoché costante, il metodo H SR2 risulta più affidabile del metodo H SR1, con risultati ben correlati ad H EC_8

46 SCALING UP: Immagini satellitari? LIMITAZIONI: frequenza di acquisizione (14 giorni); dimensione del pixel, Sensori nelle bande termiche!!!!!!!!! GRAZIE