Umidità relativa: r è il rapporto (percentuale) fra la densità del vapore e la densità del vapore saturo: = 100 ρ v

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1 Umidità dell aria Umidità assoluta: ρ v è la massa di vapore acqueo contenuta in un volume unitario d aria umida (è la densità del vapore), normalmente espressa in [gr vapore /m 3 aria ]. Umidità assoluta di saturazione: ρ vs è la massima massa di vapore acqueo che può essere contenuta in un volume unitario d aria umida (è la densità del vapore saturo), normalmente espressa in [gr vapore /m 3 aria ]. La densità del vapore saturo ρ vs è funzione della sola temperatura: Temperatura o C ρ vs [gr vapore /m 3 aria ] Umidità relativa: r è il rapporto (percentuale) fra la densità del vapore e la densità del vapore saturo: r = ρ v ρ vs = 100 ρ v ρ vs % Aria in condizioni sovrasature: r > 100% Umidità specifica (di saturazione): è la massa di vapore (saturo) contenuta in una massa unitaria d aria umida [gr vapore /Kg aria ]. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 1 / 32 ) Introduzione alla fisica delle nubi - I 1 Nucleazione. Nelle nubi sono presenti delle particelle microscopiche (da 10 3 a 10 µm), i CCN (Cloud Condensation Nucleus): sali, impurità, prodotti di combustione, etc. In condizioni di sovrasaturazione parte del vapore sovrasaturo inizia a condensare e forma sottilissime pellicole attorno ai CCN. Questo processo, detto nucleazione, dipende sia dallo spettro dei CCN che dal grado di sovrasaturazione. I CCN si comportano da catalizzatori: in laboratorio è stato infatti accertato che in aria perfettamente pura (dalla quale siano state cioè eliminate le particelle solide sospese), si possono raggiungere condizioni di sovrasaturazione anche del 1000% prima che abbia inizio la condensazione. La condenzazione dell acqua sui CCN attivati avviene per l effetto combinato dell igroscopicità e della curvatura della superficie esterna della particella: attrazione della particella solida sulle particelle d acqua. 2 Condensazione. Quando la gocciolina ha raggiunto le dimensioni di qualche micron, gli effetti della igroscopicità e della curvatura divengono trascurabili. Nelle gocce di diametro maggiore diminuisce il grado di sovrasaturazione necessario per la condensazione. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 2 / 32 )

2 Introduzione alla fisica delle nubi - II 3 Coalescenza. E il processo di crescita delle gocce per urto e aggregazione. 4 Breakup. È il fenomeno di rottura delle gocce grandi che da origine a gocce più piccole. 5 Evaporazione. Quando delle gocce vengono trasportate su zone insature (ρ v < ρ vs ). Dipende dall umidità dell aria (ρ v ), dall umidità di saturazione(ρ vs ) e dal contenuto di gocce nell aria. 6 Sedimentazione. È un processo che coinvolge le gocce mature, che hanno raggiunto dimensioni tali che l azione gravitazionale prevale sul trasporto convettivo dell aria. Esistono varie formulazione sulle velocità terminali delle gocce d acqua. In questa fase l azione della evaporazione è molto importante e può anche fare rievaporare completamente le gocce precipitanti. Le correnti ascensionali favoriscono la formazione della precipitazione. Non basta l esistenza di nuvole, ma devono verificarsi le fasi descritte. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 3 / 32 ) Classificazione delle precipitazioni Precipitazioni convettive (temporali). Sono originate da movimenti ascensionali di aria umida causati da instabilità termica verticale nell atmosfera (gradienti di temperatura superadiabatici, cioè > 10 o C a Km). (Fig. 4.6) A questo tipo di precipitazioni appartengono in genere i temporali. Le precipitazioni convettive sono in genere molto intense e limitate nello spazio e nel tempo. Le nubi hanno la forma di cumuli. Precipitazioni cicloniche. Ascesa d aria umida per effetto di convergenza a terra. Si distinguono in non-frontali (ascensione verticale per la presenza di una convergenza su bassa pressione a terra) e frontali (ascensione lungo piano obliquo 1:100 sino 1:400). Sono estese nello spazio sino a Km dal fronte. Precipitazioni orografiche. Masse d aria umida in movimento si sollevano per la presenza di barriere orografiche (Fig. 4.5). In Italia si verificano spesso in Liguria quando i venti di scirocco, caldi e umidi, provenienti da sud sono costretti a sollevarsi contro la catena degli Appennini. Un comportamento analogo si verifica anche nel versante orientale della Sardegna. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 4 / 32 )

3 Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 5 / 32 ) Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 6 / 32 )

4 Misura delle precipitazioni: definizioni Si immagini di disporre un recipiente cilindrico inizialmente vuoto all aperto, lontano da disturbi quali edifici, alberi, etc. A meno di fenomeni evaporativi, osserveremo il livello dell acqua al suo interno aumentare monotonicamente nel tempo a seguito di eventi meteorici. La funzione H(t) che descrive il livello dell acqua al suo interno nel tempo è chiamata altezza di precipitazione cumulata. Si fa spesso riferimento a grandezze valutate in intervalli di tempo discreti t: Altezza di precipitazione h t (t 0 ) nell intervallo di tempo t fra t 0 t e t 0. È l altezza della lama d acqua che precipita su una superficie orizzontale nell intervallo t considerato: h t (t 0 ) = H(t 0 ) H(t 0 t) Unità di misura: in genere mm. Intensità media di precipitazione i t (t 0 ) nell intervallo di tempo t fra t 0 t e t 0. È il rapporto tra l altezza di precipitazione h t(t 0 ) nell intervallo di tempo t e l intervallo t: i t (t 0 ) = h t (t 0 )/ t Unità di misura: in genere mm/h. L intensità istantanea di precipitazione i(t) è il limite dell intensità media in un tempo t che tende a zero: i(t) = lim i H(t+ t) H(t) t(t) = lim t 0 t 0 t = dh(t) dt Vale ovviamente anche la relazione: h t (t 0 ) = t0 t 0 t i(t)dt. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 7 / 32 ) Rappresentazione temporale della precipitazione: ietogrammi Ietogramma delle altezze di precipitazione h t (t) h(t) i(t) Ietogramma delle intensità di precipitazione i t (t) Sono dei diagrammi cronologici della precipitazione, e rappresentano l evoluzione della precipitazione (o della sua intensità) nel tempo. Sono in genere presentati in forma di istogrammi: nelle ascisse è riportato il tempo, spesso discretizzato in intervalli costanti t (pari ad esempio al minuto, quarto d ora, ora o ore, giorno/giorni, mese, anno, a seconda delle applicazioni idrologiche); nelle ordinate sono riportate le altezze di precipitazione o le intensità. Misure puntuali: pluviometri, pluviografi, pluviografi registratori Misure areali: radar di terra e su stazioni spaziali, modelli meteorologici. t Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 8 / 32 )

5 Strumenti di misura puntuale della precipitazione - I Pluviometri non registratori. Sono costituiti da un imbuto che intercetta l acqua meteorica e la fa defluire in un recipiente. La quantità d acqua raccolta in tale recipiente viene giornalmente (convenzionalmente alle ore 9 del mattino) misurata da un operatore che riporta tale misura in mm su un apposito registro. Le misure riportate giornalmente nei registri dei vari operatori addetti ai pluviometri vengono poi trascritte negli Annali Idrologici per tutte le stazioni. La minima quantità di precipitazione che dovrebbe essere riportata è pari a 0.1 mm, e le misure riportate sono sempre multipli di 0.1 mm. Pluviografi. Sono costituiti da un imbuto che fa defluire l acqua meteorica su una doppia vaschetta basculante, fatta in modo tale che ogni 0.2 mm di precipitazione compie un basculamento attorno al proprio asse. Ogni movimento di basculamento viene trasmesso attraverso un meccanismo ad un pennino che riporta su una striscia di carta l avvenuto basculamento. Poichè la striscia di carta è applicata su un tamburo rotante a velocità costante (compie una rotazione completa in una settimana) si ha anche traccia del tempo in cui avvengono i basculamenti. Il pluviografo perciò non richiede la lettura giornaliera da parte dell operatore, ma solo la sostituzione settimanale della striscia pluviografica. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 9 / 32 ) Strumenti di misura puntuale della precipitazione - II Pluviometri con registatori su memoria solida. Sono una evoluzione dei pluviografi tradizionali, e differiscono da essi in quanto registrano l istante di ogni basculamento, che corrisponde ad una precipitazione di 0.2 mm, su una memoria solida anzichè su carta. Le memorie solide vengono poi decodificate e forniscono gli istanti di basculamento direttamente in formato digitale. La frequenza di lettura e cancellazione dei dati dalla memoria solida dipende dalla capacità della memoria stessa e dal tipo e frequenza delle misure campionate (precipitazione, temperatura, vento etc.). Pluviometri registratori in telemisura. Sono come quelli sopra descritti, ma possono essere interrogati da una sala operativa. A seconda del tipo possono inviare i dati con ponte radio, o utilizzando le reti dei gestori di telefonia mobile. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 10 / 32 )

6 Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 11 / 32 ) Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 12 / 32 )

7 Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 13 / 32 ) Raccolta e divulgazione dei dati idrologici All inizio degli anni venti è stato istituito in Italia il Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale (SIMN) con i seguenti compiti: Raccogliere i dati di precipitazione, deflusso, temperature, livelli freatimetrici,... e per la parte mareografica i dati ondametrici etc. Mantenere la rete di misura in efficienza Eseguire delle elaborazioni di base sui dati raccolti Divulgare i dati raccolti ed elaborati: annali idrologici Dagli anni venti ad oggi il servizio ha subito numerosi mutamenti diventando un servizio distribuito regionale. Attualmente per la Regione Sardegna ha competenza il Settore Idrografico della Agenzia regionale del distretto idrografico della Sardegna. Altri enti che raccolgono dati idrologici e meteorologici in Sardegna: Il Dipartimento Specialistico Regionale Idrometeoclimatico (ex-sar) dell ARPA Sardegna, ENAS (Ente acque della Sardegna), alcuni consorzi di bonifica,... I Centri Funzionali raccolgono in tempo reale i dati di precipitazione dalle reti di pluviometri, da satelliti, dai radar, dai modelli meteorologici, allo scopo di gestire il sistema di allerte nei casi di imminente pericolo di alluvione. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 14 / 32 )

8 Annali idrologici PARTE I Sezione A: termometria Sezione B: pluviometria PARTE II Sezione A: afflussi meteorici Sezione B: idrometria Sezione C: portate e bilanci idrologici Sezione D: freatimetria Sezione E: indagini, studi ed eventi eccezionali Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 15 / 32 ) Annali idrologici: pluviometria (Parte I, sezione B) Tabella I: Osservazioni pluviometriche giornaliere( ). Una tabella per ogni stazione riporta i dati giornalieri in mm (altezza di pioggia avvenuta dalle 9 del giorno precedente alle 9 del giorno a cui è attribuita). Tabella II: Totali annui e riassunto dei totali mensili della quantità di precipitazione( ). Tabella con una riga per stazione: nelle colonne le altezze di precipitazione di ogni mese e infine il totale annuo. Sono una sintesi delle informazioni già contenute in Tabella I. Tabella III: Precipitazioni di massima intensità registrate ai pluviografi. Per ogni pluviografo sono riportate le massime altezze di precipitazione di durata 1 ora, 3, 6, 12 e 24 ore nell anno di riferimento. La massima altezza di precipitazione di durata 24 ore può iniziare in qualsiasi istante, perciò deve essere della massima altezza di precipitazione giornaliera. Tabella IV: Massime precipitazioni nell anno per periodi di più giorni consecutivi. Altezze di precipitazione in 1,2,3,4 e 5 giorni. Tabella V: Precipitazioni di notevole intensità e breve durata registrate ai pluviografi. Non cè omogeneità nelle durate (che possono essere 10, 20, 15, 50 minuti... etc. senza sistematicità). Tabella VI: Manto nevoso. ( ) Misure sia dei pluviometri che dei pluviografi. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 16 / 32 )

9 Valutazione della risorsa. Distribuzione spaziale della precipitazione: gli afflussi ragguagliati (all area del bacino) Topoieti (o poligoni di Thiessen): ad ogni punto del bacino si attribuisce l altezza di precipitazione osservata nella stazione più vicina. I topoieti si delimitano con le perpendicolari nel punto medio alle congiungenti coppie di stazioni vicine. Le mediane infatti sono il luogo dei punti equidistanti dalle stazioni. L altezza ragguagliata h si calcola: h = A j h j (1) A j dove h j è l altezza di precipitazione nel topoieto di area A j, A = j A j la superficie complessiva del bacino. L eq.(1) è una media pesata. Isoiete: curve che uniscono punti del bacino caratterizzati dalla stessa precipitazione. Un modo per tracciarle a mano consiste nel calcolare le altezze di precipitazione in più punti interpolando linearmente le precipitazioni osservate su coppie di stazioni vicine. Si possono anche usare programmi di calcolo automatico che traccino curve di livello. L altezza ragguagliata si può calcolare con la (1) ponendo A j e h j pari rispettivamente all area fra due isoiete contigue e alla media delle relative altezze di precipitazione. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 17 / 32 ) Valutazione risorsa: distribuzione spaziale della pioggia... c è un errore nei topoieti (tra Pavia e Sarmato)! (regola: il circoncerchio di ciascun triangolo deve contenere solo i vertici del triangolo) Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 18 / 32 )

10 Individuazione dei topoieti o poligoni di Thiessen Si individua la più piccola triangolazione possibile tra i punti stazione. Per ogni triangolo si esegue la costruzione per determinare il circoncentro, che è il punto di incontro degli assi del triangolo. I confini di ciascun topieto giacciono su tali assi. Regola: il circoncerchio di ciascun triangolo deve contenere solo i vertici del triangolo. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 19 / 32 ) Valutazione risorsa: cenni sulla analisi della variabilità temporale della precipitazione Rappresentazione delle altezze di precipitazione annue in funzione del tempo (diagramma cronologico) Indici per la classificazone di annate secche/umide in base alla collocazione del dato annuale (o altro periodo) nella distribuzione di frequenza cumulata (CDF) degli afflussi annui osservati (negli ultimi 30 anni): metodo dei decili o metodi analoghi, es. Tonini (1959): primo 15% delle osservazioni anni molto secchi; succ. 20% anni secchi; succ. 30% anni normali; succ. 20% anni umidi; succ. 15% anni molto umidi SPI (Standardized Precipitation Index) e altri indici statistici. Indici per la classificazone di annate secche/umide in base al rapporto fra il dato annuale (o altro periodo) e la media degli afflussi annui osservati (negli ultimi 30 anni): indice di umidità dell anno. L indice di umidità dell anno può indurre a conclusioni errate con serie storiche caratterizzati da differenti CV, meglio usare indici statistici. Le tecniche utilizzate per la valutazione delle risorse non sono in genere applicabili alla caratterizzazione degli eventi estremi. Le scale di tempo sono diverse. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 20 / 32 )

11 Variabilità spazio-temporale degli eventi meteorici intensi Il campo di precipitazione può essere considerato in generale una funzione dello spazio e del tempo. Indichiamo perciò con i(x, y, t) l intensità di pioggia puntuale (nel punto x, y) ed istantanea (al tempo t). Pluviometri/Pluviografi: essi misurano una precipitazione puntuale i(t) (considerando trascurabile la superficie della bocca)... ad essere precisi misurano l altezza di precipitazione in un certo intervallo di tempo τ: h τ (t 0 ) = t0 t 0 τ i(t)dt Radar e satelliti: forniscono stime della distribuzione spaziale della precipitazione. Nello studio e caratterizzazione degli eventi estremi è prassi considerare separatamente la variabilità temporale e spaziale della precipitazione. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 21 / 32 ) Variabilità spaziale e temporale degli eventi meteorici t [ore] P(t) [mm] Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 22 / 32 )

12 Distribuzione spaziale degli eventi meteorici intensi Nella costruzione delle piogge di progetto rappresentative di eventi estremi la distribuzione spaziale della precipitazione si considera costante. Si applica un coefficiente di attenuazione che tiene conto delle variazioni spaziali di intensità o altezza del campo di precipitazione. Coefficiente di riduzione areale (Areal Reduction Factor, ARF) o coefficiente di ragguaglio all area. È il rapporto fra l altezza di precipitazione media su tutto il bacino e l altezza di precipitazione nel centro di scroscio. Esso mette in conto la non uniforme distribuzione della precipitazione nello spazio durante un evento meteorico. Si considera un ipotetico solido di pioggia ( ) con un massimo nel centro di scroscio e altezze di precipitazione decrescenti quanto più ci si allontana dal centro di scroscio È un coefficiente minore di uno, tanto più piccolo quanto è maggiore l area. ( ) Il solido di pioggia ha come base la proiezione orizzontale della superficie del bacino e come altezze, le stesse altezze di precipitazione in ogni punto del bacino. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 23 / 32 ) Distribuzione spaziale degli eventi meteorici intensi y h 1 A A h 3 h 2 h h 3 h 2 h 1 h c h r SEZ. A A x x ARF < 1 τ 1 τ 2 < τ 3 τ 3 τ 2 τ 1 A Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 24 / 32 )

13 Variabilità temporale degli eventi meteorici intensi Nella costruzione delle piogge di progetto rappresentative di eventi estremi la distribuzione temporale della precipitazione viene descritta attraverso ietogrammi di progetto, che possono essere costanti o variare nel tempo. Vengono in genere ricavati in modo da essere coerenti con le curve segnalatrici di possibilità pluviometrica valide nell area in studio. Ietogrammi di progetto: diagramma cronologico delle altezze o intensità di precipitazione su brevi intervalli di tempo (passo temporale inferiore alla durata dell evento meteorico assunto in progetto). Possono essere sintetici o estratti da un evento osservato. Curve segnalatrici di possibilità pluviometrica: forniscono le intensità (o altezze) di precipitazione associate alle differenti durate di pioggia. Si rimanda lo studio degli eventi estremi ad un capitolo successivo. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 25 / 32 ) Variabilità temporale degli eventi meteorici intensi Curve segnalatrici di possibilità pluviometrica h (τ) T 3 i(τ) T1 < T 2 < T 3 T 2 T 1 T 3 T 1 < T 2 < T 3 T 2 T 1 durate τ durate τ Ietogramma di progetto i(t) t p i(t) t t r p t p t Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 26 / 32 )

14 Regimi pluviometrici Fattori che influenzano i regimi pluviometrici: La precipitazione diminuisce dall equatore verso i poli La precipitazione è maggiore nelle coste esposte ai venti umidi, diminuisce all interno dei continenti. La precipitazione aumenta con la quota sino a raggiungere un massimo detto ottimo pluviale al di sopra del quale diminuisce. In corrispondenza dei rilievi, la precipitazione è maggiore nelle regioni sopravento rispetto alle regioni sottovento. Ordini di grandezza della pluviometria nel mondo: Media mondiale della precipitazione: circa 1500 mm/anno. Massimi nelle regioni dell Asia: circa mm/anno. Minimi al Cairo e Suez: mm/anno. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 27 / 32 ) Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 28 / 32 )

15 Regimi pluviometrici in Italia Ordini di grandezza della pluviometria in Italia: Media della precipitazione in Italia: circa 970 mm/anno. Media al Nord: circa 1400 mm/anno. Media al Sud: 600 mm/anno. Massimi nelle Alpi Carniche: oltre 3000 mm/anno. Minimi: inferiori ai 500 mm/anno. I regimi pluviometrici in Italia 1 Tipo continentale o alpino: distribuzione delle piogge con preminenza primaverile ed estiva (Alpi lombarde) 2 Tipo sublitoraneo: con piogge in prevalenza primaverile ed autunnale. Si distingue anche in tipo sublitoraneo alpino in pianura padana, e sublitoraneo appenninico nell Appennino centrale. Il tipo sublitoraneo è intermedio fra continentale e marittimo. 3 Tipo litoraneo o marittimo: con preminenza invernale e minimi estivi. Si verifica nell Italia Meridionale (costa tirrenica, jonica e golfo di Taranto), in Sicilia e Sardegna. Questo ultimo tipo viene indicato anche come regime mediterraneo. Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 29 / 32 ) Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 30 / 32 )

16 Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 31 / 32 ) Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 3 - Precipitazione ( 32 / 32 )