Criteri generali per l ubicazione e la gestione di stazioni agrometeorologiche

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1 Criteri generali per l ubicazione e la gestione di stazioni agrometeorologiche La caratterizzazione climatica di un determinato territorio presuppone la conoscenza delle variazioni nello spazio e nel tempo degli elementi del clima, realizzata attraverso il rilevamento e la successiva elaborazione di dati meteorologici. A questo scopo è necessario operare delle scelte in merito ai seguenti fattori. luogo di ubicazione della stazione; densità della rete di rilevamento; strumenti di misura; frequenza, regolarità e durata, di misura delle variabili climatiche; tempo di acquisizione ed elaborazione dei dati. Il luogo di ubicazione della stazione deve rispondere alle seguenti caratteristiche: 1. essere rappresentativo dell area territoriale d interesse; 2. consentire la libera circolazione dell aria; 3. essere lontano da fonti di disturbo: calore, riverbero, apprestamenti di protezione (muri, siepi, piante frangivento) ed evitare qualsiasi altra condizione possa determinare microclimi con conseguente alterazione di una o più variabili meteoriche. In particolare, gli strumenti per la misura della temperatura e della piovosità devono essere collocati, rispettivamente, ad una distanza di 3 e 4 volte l altezza di eventuali ostacoli circostanti; 4. la superficie di terreno interessata all installazione della stazione deve essere preferibilmente di almeno 500 m 2, pianeggiante e ricoperta da prato (generalmente festuca) periodicamente sfalciato e mantenuto in condizioni idriche e nutrizionali adeguate. Negli ambienti collinari e montani è opportuno evitare le valli. La densità della rete di rilevamento dipende dai seguenti fattori: 1. morfologia dell area territoriale; 2. tipo di parametri da rilevare; 3. scopo del rilevamento. Nelle aree pianeggianti è ritenuta sufficiente una stazione pluviometrica ogni ha ed una termoigrometrica ogni ha. Le stazioni solarimentriche, anemometriche e barometriche possono essere installate ogni ha. Nei territori accidentati le suddette distanze si riducono convenientemente per tenere conto dei profili verticali delle grandezze misurate, determinate ad esempio dall esposizione delle pendici o dai fenomeni di inversione nei fondi valle. Inoltre, la densità è generalmente maggiore nel caso di utilizzazione dei dati per scopi previsionali. Gli strumenti devono essere scelti in base allo scopo che si prefigge la misura e dunque in ordine alla loro: 1. precisione (approssimazione del valore della misura al valore reale); 2. risoluzione (variazione della misura che è possibile apprezzare); 3. tempo di risposta (tempo impiegato dal sensore per mettersi in equilibrio); 4. modalità di acquisizione (diretta o in continuo). A quest ultima caratteristica sono legate anche la frequenza e la regolarità di misura delle variabili climatiche che riguardano, rispettivamente, il numero di misure e il tempo che intercorre tra una misura e la successiva. Nelle stazioni agrometeorologiche, le osservazioni dirette sono effettuate sempre alla stessa ora del giorno od a più ore del giorno, in genere, in corrispondenza delle ore 8:00, 14:00 e 19:00; le osservazioni in continuo prevedono la registrazione meccanica mediante congegni ad orologeria quando il sensore è di tipo meccanico (dilatazione di un corpo) o la registrazione di impulsi di tipo elettrico (tensione, corrente, ecc.), in apposite striscie di carta. 1

2 La durata di rilevamento di parametri climatici è in relazione con le caratteristiche morfologiche dell ambiente oggetto di studio. In pianura sono considerati sufficienti 10 anni; in collina e montagna, almeno 30 anni. I tempi d acquisizione ed elaborazione dei dati dipendono dal tipo di stazione utilizzata, di tipo meccanico od automatico, in rapporto alla possibilità o meno di trasferimento dei dati direttamente o tramite modem telefonico ad un PC, e dal tipo di elaborazione richiesta che è in relazione alle finalità per le quali i dati sono rilevati. La W.M.O. (World Meteorological Organisation) distingue tra stazioni meteorologiche standard ed agrometeorologiche, entrambe suddivise in principali e secondarie secondo il tipo di variabili rilevate. Le stazioni secondarie per l agrometeorologia prevedono, in genere, anche osservazioni di carattere biologico (Tab.1). Tab. 1 - Elementi climatici fondamentali, strumenti, unità di misura e tolleranza secondo la WMO. Variabile Strumento Unità di misura Tolleranza Radiazione globale Piranometro-grafo mw cm -2 - cal cm -2 h -1 0,1 cal cm -2 h -1 Insolazione Eliofanografo h 0,1 h h -1 Temperatura aria Termometro-grafo C (Celsius) 0,1 C Temperatura terreno Geotermometro-grafo - - Umidità relativa aria Igrometro-grafo % 1% Umidità terreno Tensiometro, resistometro, ecc Bar, %, ecc. Evaporazione Evaporimetro-grafo mm 0,1 10 mm mm Precipitazioni (pioggia) Pluviometro-grafo - - Pressione atmosferica Barometro-grafo millibar / Velocità vento Anemometro-grafo m s -1 0,5 m s -1 Direzione vento Anemoscopo-grafo ss da N.* 10 * in alternativa la rosa è suddivisa in 36 parti a ciascuna dalle quali corrisponde un codice che indica una determinata direzione del vento: 00=assenza di vento; 09=vento da E.; 18=vento da S.; 27=vento da W.; 36=vento da N. Allo scopo di proteggere alcuni strumenti dalla radiazione solare diretta (termografi, igrografi, pluviografi) si ricorre a capannine di legno smaltato bianco con tetto a doppio strato, fondo perforato e pareti laterali a persiana per favorire la circolazione dell aria. Inoltre, la capannina deve essere sistemata a 1,5 m d altezza dal terreno e con l apertura rivolta a N. Principali grandezze agrometeorologiche e strumenti di misura Radiazione globale Indica la radiazione proveniente direttamente dal sole (diretta) e quella riflessa in dipendenza delle componenti e delle condizioni atmosferiche (diffusa). Lo strumento di misura è il piranometro o solarimetro il cui funzionamento è basato sulle termopile. Il solarimetro/grafo di Kipp & Zonen, tra i più comunemente usati, impiega una termopila di Moll-Gorczynski formata da una successione ordinata di termo-giunzioni manganina-costantana, dette giunzioni calde e giunzioni fredde, le prime ricoperte da materiale otticamente nero così da assorbire gran parte della radiazione incidente, le seconde rivestite da materiale otticamente bianco riflettente la luce visibile. La differenza di potenziale che si sviluppa ai capi della termopila è proporzionale al numero delle giunzioni ( ) e alla differenza di temperatura tra quelle calde e quelle fredde, vale a dire all intensità della radiazione incidente. La presenza di un massiccio blocco di ottone a contatto termico con una delle due serie di termogiunzioni rende la risposta quasi del tutto indipendente dalla temperatura del sensore (coefficiente di temperatura fornito dalla casa costruttrice). L elemento sensibile è protetto da 2

3 una cupola, generalmente di vetro, da cui dipende la lunghezza d onda, in altre parole la banda nell ambito della quale avviene la trasmissione. Tale cupola deve essere mantenuta pulita e asciutta mediante una cartuccia di gel di silice periodicamente rinnovata. Lo strumento è anche corredato di un piatto di livella imbiancato ed è in grado di raccogliere radiazioni solo da un angolo azimutale 82. Lo strumento deve essere collocato perfettamente in piano, in una posizione che non riceva ombra, lontano da pareti od oggetti riflettenti. Le caratteristiche costruttive del solarimetro di Kipp sono: sensibilità=8 mv/cal cm -2 mm -1 ; spettro raccolto nella banda 0,35 m 2,8 m; resistenza interna=100 ; tempo di risposta=5 sec.; coefficiente di temperatura=0,2%/ C. Le caratteristiche strutturali della termopila richiedono una regolare calibrazione dello strumento. Insolazione E indicata anche con il termine di eliofania assoluta, e fa riferimento al numero totale delle ore durante le quali il sole ha effettivamente brillato sull orizzonte. L eliofania relativa, invece, è il rapporto tra l eliofania assoluta (n) e la durata massima astronomicamente possibile di permanenza del sole sopra l orizzonte (N). I valori di quest ultimo parametro, per data e latitudine, sono riportati in apposite tabelle. Lo strumento più noto per la misura dell eliofania assoluta, l eliofanografo di Campbell-Stokes consiste di un globo di vetro di circa 10 cm di diametro che funge da lente, collocato concentricamente ad una sezione sferica metallica il cui diametro è tale che i raggi solari sono focalizzati su di esso durante tutto il percorso del sole. Su quest ultima intelaiatura sono ricavate tre guide poste ad altezze differenti nelle quali è posta una striscia di carta graduata sulla quale rimane una traccia di bruciatura la cui lunghezza consente di individuare le ore di insolazione. Le tre guide sono utilizzate nei diversi mesi dell anno, con strisce di carta rettilinee o ricurve in relazione alle variazioni d altezza del sole. Lo strumento deve essere posizionato in modo tale che l asse della sfera sia inclinato di tanti gradi quanta è la latitudine, che la base sia perfettamente orizzontale e che l orientamento corrisponda al mezzogiorno vero, mediante controllo alle ore 12:00. Temperatura dell aria (e del terreno) In generale, la temperatura indica lo stato termico di un corpo o, in altre parole, costituisce una misura dell energia cinetica delle molecole che lo compongono. Gli strumenti comunemente impiegati per la misura di questa grandezza fisica sono i termometri, anche nella variante dei termometri di massima e minima, i termografi, per la temperatura dell aria ed i geotermografi, per la temperatura del terreno. Un comune termometro è costituito essenzialmente da un involucro di vetro entro cui si trova un liquido. L involucro è formato da un bulbo completamente riempito di liquido, generalmente mercurio, e da un tubo capillare su cui è riportata una scala graduata. All interno di quest ultimo il liquido si espande per effetto di una dilatazione provocata da una variazione di temperatura del bulbo. Il termometro di massima e minima è costituito oltre che dal bulbo, da un unico capillare a U i cui rami sono graduati l uno in senso crescente e l altro in senso decrescente e contenente due liquidi immiscibili, mercurio e alcol. L alcol, contenuto anche nel bulbo, è l elemento sensibile che subisce la dilatazione costringendo il mercurio a spostarsi lungo il capillare. Questa spinta determina anche lo spostamento di due barrette di ferro colorate che indicano le posizioni estreme raggiunte dal mercurio e stazionano in questa posizione, trattenute da un magnete posto sul retro. Attraverso un pulsante è possibile allontanare il magnete e, per effetto della gravità, i due indici abbandonano la posizione raggiunta. 3

4 Altri termometri sono quelli collegati ai sistemi di registrazione, termografi e geotermografi, che impiegano una lamina bimetallica o un tubo di Bourdon. I termometri-grafi a lamina bimetallica sono costituiti da due striscie metalliche a diverso coefficiente di dilatazione saldate insieme, in modo che a temperatura più bassa del valore minimo misurabile la bilamina è indeformata. Per effetto della temperatura la lamina si allunga e si inflette e questa deformazione viene trasmessa ad un indice di registrazione. I termometri-grafi a tubo di Bourdon sono formati da un tubo metallico di alpacca o argentone (lega simile all argento costituita da rame, nichelio e zinco) a sezione ellittica avvolto a spirale con un estremo vincolato e l altro collegato ad un indicatore. Il tubo è riempito di liquido che, per effetto della temperatura, varia il proprio volume determinando una deformazione della sezione ed una rotazione della spirale che è comunicata ad un indice di registrazione. In commercio sono disponibili anche numerosi sensori per la misura della temperatura basati su diversi principi e che hanno campi d applicazione differenti. Tra questi, di particolare diffusione sono le termocoppie. Una termocoppia è costituita essenzialmente di una coppia di fili di diverso metallo saldati insieme ad un estremo denominato giunto sensibile e, con gli altri estremi mantenuti ad una temperatura nota e costante (T. di riferimentro) denominato giunto di riferimento o freddo. Attraverso un misuratore di tensione, collegato ai due estremi della termocoppia, si rileva una differenza di potenziale ogni volta che si determina una variazione di temperatura tra il giunto sensibile e quello di riferimento (effetto termoelettrico). Il valore della tensione dipende anche dal tipo di materiale costituente la coppia. I materiali più usati sono: rame-costantana, ferrocostantana, chromel-costantana. La costantana è una lega costituita da rame e nichel. Il chromel è una lega di nichel e cromo. Umidità relativa dell aria L umidità di un gas è genericamente definita come la quantità di vapore d acqua in esso presente. L umidità relativa è il rapporto tra la massa del vapore d acqua realmente esistente in un volume di miscela a una determinata temperatura e la massa del vapore d acqua che la può saturare a quella stessa temperatura. I sensori per la misura dell umidità relativa esistenti in commercio possono essere distinti in tre categorie: igrometrici, psicrometrici, a punto di rugiada. Gli strumenti di impiego più comune, generalmente accoppiati ai termografi, fanno uso di sensori igrometrici di tipo meccanico i quali si basano sull impiego di vari materiali naturali o sintetici in grado di cambiare le loro dimensioni per effetto dell assorbimento dell acqua dell aria estendendosi e contraendosi; molto usati sono i capelli da cui il nome di igrometro a capello dato allo strumento. Le prestazioni degli igrometri a cappello sono le seguenti: precisione=5%; intervallo di sensibilità=-30 C 50 C; tempo di risposta=300 secondi. Nei sensori psicrometrici l umidità viene determinata attraverso due misure della temperatura dell aria. Essi sono costituiti schematicamente da due termometri, uno con bulbo asciutto e l altro con bulbo umidificato mediante una garza immersa in un serbatoio d acqua. Entrambi i sensori sono contenuti in un unico involucro che oltre a schermarli dalla radiazione, sostiene il ventilatore e il serbatoio d acqua. Evaporazione Il fenomeno che consiste nel passaggio di stato dell acqua da liquido a vapore, può avvenire da superfici liquide o da superfici solide contenenti acqua come il terreno, gli animali, la vegetazione. Considerato il controllo che gli organismi viventi esercitano con meccanismi diversi sullo stato di idratazione e sul consumo idrico, si parla in questo caso più propriamente di traspirazione. L evapotraspirazione è la somma delle due componenti. 4

5 Gli strumenti maggiormente impiegati per la misura dell evaporazione sono i seguenti: evaporimetro/grafo di Wild che consiste essenzialmente in un piatto a forma di bacinella contenente acqua, collegato ad un sistema a bilancia che trascrive la quantità d acqua evaporata; evaporimetro/grafo a vasca, il più noto dei quali è quello di tipo U.S. Weather Bureau Class A Pan, raccomandato dalla W.M.O. Consiste in una vasca cilindrica di acciaio di 122 cm di diametro e 25 cm di profondità, disposta sopra una piattaforma di legno posizionata orizzontalmente, sporgente di 5 cm dal terreno. La vasca è riempita d acqua fino a 5 cm dal bordo ed il livello non deve mai scendere sotto i 7,5 cm, per non provocare variazioni rispetto alle osservazioni standard, causate dalla turbolenza dell aria. La rilevazione del livello si esegue mediante uno strumento micrometrico su un pozzetto di calma posto all interno del bordo, protetto da una grata. Precipitazioni sotto forma di pioggia Le precipitazioni prendono origine dalla condensazione dell acqua atmosferica in forma liquida o solida e, distinguibile oltre che in relazione allo stato fisico anche alla dimensione delle particelle. Si definisce pioggia la precipitazione sotto forma di gocce d acqua di diametro maggiore di 0,5 mm. Per rilevare le precipitazioni o le condensazioni atmosferiche sono utilizzati strumenti denominati pluviometri-grafi. I pluviometri sono costituiti da un collettore a forma d imbuto che immette il liquido in un recipiente raccoglitore. L accuratezza delle rilevazioni dipende dall intensità del vento, dalla quota d installazione e dall esposizione, in rapporto ai quali si possono verificare errori anche dell ordine del 50%. In misura minore la precisione dipende anche dalla superficie ricevente, soprattutto se di diametro inferiore ai 10 cm, e dall evaporazione. L esposizione più idonea dei pluviometri è quella con l apertura posta orizzontalmente a 30 cm sopra la superficie del terreno. La lettura è eseguita con un cilindro graduato in mm con risoluzione di 0,2. I pluviografi oltre alla quantità totale di pioggia, consentono di determinare la sua intensità (mm/h). Sono di due tipi: a vaschette, costituiti da un collettore collegato a mezzo di un tubo all apparecchio registratore. Quest ultimo e formato da due vaschette contigue montate su un asse; quando il contenuto di liquido raggiunge una certa quantità, in genere 0,2 mm, la vaschetta si abbassa bruscamente e scarica attraverso un apertura, mentre inizia a riempirsi l altra. Il movimento a bilanciere è trasmesso ad una ruota dentata la quale, attraverso dei meccanismi, trasmette il movimento ad un asta portante un pennino che traccia una linea su un diagramma posto su un cilindro mosso da un meccanismo ad orologeria; a sifone, in questo caso il tubo di scarico del collettore conduce il liquido in un recipiente contenente un galleggiante su cui è fissata un asta collegata ad un braccio portante un pennino che traccia la linea sul diagramma fissato sul tamburo mosso dal meccanismo ad orologeria. Al recipiente è collegato un sifone che innesca quando il liquido raggiunge il livello massimo, e svuota il recipiente dando inizio ad un nuovo ciclo. Pressione atmosferica Esprime il peso della massa d aria che grava sulla terra a livello del mare. In apposite tavole sono riportati valori attraverso cui convertire la pressione atmosferica rilevata ad una certa quota in quella misurabile al livello del mare. Uno strumento di misura comune nelle stazioni agrometeorologiche è il barometro-grafo olosterico o aneroide il cui funzionamento è basato sulla deformazione di una o più capsule barometriche metalliche a pareti elastiche denominate polmoni, sovrapposte e compensate. 5

6 Velocità e direzione del vento La velocità del vento è una grandezza vettoriale e di conseguenza richiede di essere individuata, sia in intensità, sia in direzione. Gli strumenti per la misura dell intensità di velocità del vento o anemometri-grafi sono diversi, basati su differenti principi di funzionamento. I più diffusi sono quelli i cui sensori utilizzano l energia cinetica dell aria. Questi strumenti sono composti essenzialmente da due parti: il sensore ed il corpo trasmettitore I sensori più comuni ed efficienti sono costituiti da mulinelli a coppe la cui velocità è funzione della velocità dell aria. In particolare, i mulinelli a tre coppe hanno una coppia più regolare. Per le dimensioni interessa il rapporto tra la lunghezza dei bracci delle coppe (distanza del centro della coppa dall asse di rotazione) ed il raggio delle coppe stesse. Il valore ottimale di tale rapporto è compreso tra 2 e 2,5. Il corpo trasmettitore trasforma la rotazione del sensore in una grandezza misurabile, ad esempio un segnale elettrico, acquisibile in vario modo. I dispositivi maggiormente utilizzati sono quelli dimamotachimetrici che offrono il vantaggio di una maggiore sicurezza e semplicità di funzionamento. L asse di rotazione del sensore è direttamente collegato all asse di rotazione della dinamo. Gli strumenti per la misura della direzione del vento sono chiamati anemoscopi o gonioanemometri-grafi. Essi sono costituiti da un sensore e da un sistema di trasduzione e, molto spesso sono accoppiati agli anemometri-grafi. Il sensore è costituito da una banderuola di forma varia ad asse di rotazione verticale. Il generatore di segnale può essere anch esso di diverso tipo in funzione del segnale registrato in uscita. Spesso si tratta di un segnale di tipo potenziometrico rilevabile direttamente da un sistema di acquisizione dati. Data Logger Con questo termine si indicano le centrali meteo automatiche di acquisizione, elaborazione e memorizzazione di dati agrometeorologici mediante software di gestione, in grado di operare, sia come stazione autonoma, sia come unità periferica di una rete agrometeorologica. Schematicamente un Data Logger si compone delle seguenti parti: Linea seriale RS 232: la centralina è dotata di una linea seriale di uscita, attraverso la quale avviene il trasferimento dei dati all elaboratore centrale. Questo collegamento può essere realizzato a mezzo cavo oppure via modem telefonico o radio che permette di utilizzare una linea telefonica anche cellulare o radio per mezzo di un apparato ricetrasmittente. In quest ultimo caso, la centralina collegata direttamente all apparato radio, alimentati entrambi da una stazione di energia autonoma costituita da un pannello solare e da una batteria in tampone, colloquia con l elaboratore centrale cui a richiesta trasferisce i dati. Pertanto, questo tipo di centrale può costituire la stazione periferica di una rete di acquisizione di dati meteorologici. La struttura a stella prevede un centro di raccolta, elaborazione e memorizzazione dati ove ha sede l elaboratore e più unità periferiche di prelievo dislocate sul territorio a distanze anche notevoli dal centro, potendo essere realizzato anche un collegamento via ponte radio mediante ripetitori. Ingressi per sensori di rilevamento: sensori per la misura delle principali grandezze meteorologiche: temperatura ed umidità relativa dell aria, temperatura del terreno, pressione atmosferica, radiazione solare globale, direzione e velocità del vento, 6

7 precipitazione piovosa, evaporazione ed altri, sono collegati agli ingressi della centralina. La centralina provvede ad interrogare ad intervalli regolari, ad esempio ogni 2 min. i sensori, ad elaborare parzialmente i dati ed a memorizzarli su una memoria RAM interna. Cassette memoria: generalmente le centrali sono predisposte per il collegamento di una cassetta di memoria sostituibile nella quale, su memorie non volatili (in grado in altre parole di mantenere il proprio contenuto anche quando non alimentate) sono scaricati i dati relativi a diversi giorni di misure, anche fino a due mesi. Il contenuto della cassetta sarà successivamente riversato nell elaboratore per mezzo di un interfaccia. Terminale: alla centralina può essere collegato un terminale portatile dotato di un display a cristalli liquidi con il quale è possibile: inizializzare e configurare la centralina, verificare il livello di carica della batteria, richiedere i valori istantanei a ciascun sensore, richiedere i dati delle ultime 24 ore, eseguire routines di tests per verificare il corretto funzionamento del sistema. Orologio: la centrale è dotata di un modulo orologio con datario alimentato in back-up da una pila al litio che ne garantisce la continuità di funzionamento anche a centralina spenta. Alimentazione: i componenti usati sono del tipo a bassissimo assorbimento, (tecnologia C MOS), a range esteso di temperatura e ad elevata affidabilità, quindi la centralina non necessita dell alimentazione da rete; è sufficiente un pannello solare ed una batteria in tampone per fornire la corrente necessaria. Il Servizio Agrometeorologico Nazionale Il Ministero delle Politiche Agricole e Forestali, nell ambito del S.I.A.N. (Sistema Informativo Agricolo Nazionale), si è impegnato nella realizzazione del Servizio Agrometeorologico Nazionale. Quest ultimo può contare su una Banca Dati Agroclimatica Nazionale nella quale sono confluiti dati storici rilevati dall Ufficio Centrale di Ecologia Agraria, dal Servizio Meteorologico dell Aeronautica, dal Servizio Idrografico e Mareografico e da altri Enti e reti nazionali e su una Rete Agrometeorologica Nazionale, ancora in fase di completamento, ed in grado di interconnettersi con i Servizi Agrometeorologici Regionali. Sono in fase di realizzazione anche Modelli di sviluppo e bilancio idrico delle colture. Tutte queste informazioni, oltre che sulla rete internet sono diffuse anche attraverso il Bollettino Agrometeorologico Nazionale pubblicato a cura dell Ufficio Centrale di Ecologia Agraria. Indirizzi di alcuni siti web d interesse meteorologico

8 Elaborazione dei dati agrometeorologici L utilizzazione e la divulgazione dei dati acquisiti da stazioni agrometeorologiche presuppone, in un primo tempo la loro tabulazione ed una prima elaborazione standard per ridurli in forma sintetica (giornaliera, decadale, mensile o annuale), in modo da rendere immediata l informazione in essi contenuta, alla quale segue il calcolo di indici statistici allo scopo di estrarre la maggiore quantità possibile di informazione, ad esempio per valutare le prospettive di introduzione in coltura di nuove specie e varietà di piante in un determinato ambiente, per la messa a punto di calendari di intervento per la difesa delle piante dalle avversità, per la progettazione irrigua o di impianti per la produzione di energia, ecc. E anche possibile un elaborazione più complessa dei dati a scopo previsionale. Dal punto di vista agrometeorologico, pertanto, è richiesta un elaborazione che riveli aspetti correlabili con i fenomeni biologici che presiedono all attività agricolo-forestale e con la loro dinamica T. min T. max. 10 Piogia C 20 m Gen.Feb.Mar.Apr.Mag.Giu.Lug.Ago.Set.Ot.Nov.Dic. 0 Rappresentazione dell andamento della temperatura massima e minima dell aria e delle precipitazioni rilevate nella stazione agrometeorologica di Gallina (RC) nell anno 1999 L elaborazione statistica dei dati si esegue con metodi differenti in rapporto alla loro tipologia. I dati meteorologici si classificano in: Dati di tipo qualitativo o di enumerazione o variabili qualitative: si riferiscono al verificarsi o meno di una condizione o evento od al tipo di evento, ad es. giorno piovoso e giorno non piovoso; Dati di tipo quantitativo o variabili quantitative: si riferiscono ad un evento che si manifesta con un intensità misurabile. Questi a loro volta si distinguono in: - variabili discrete, caratterizzate da un inizio ed una fine e, dunque, definibili in un determinato intervallo, come ad es. le precipitazioni piovose; - variabili continue, caratterizzate da valori diversi nel tempo, come ad es. la temperatura. Le variabili qualitative si esprimono sotto forma di frequenze, ad es. giorni di pioggia, di gelate o di temperature inferiori o superiori ad una certa soglia; le variabili quantitative discrete sotto forma di totali, ad es. le precipitazioni, la radiazione, l evaporazione; le variabili 8

9 quantitative continue, sotto forma di medie, ad es. la temperatura media giornaliera, decadale, mensile, ecc., la pressione atmosferica, il grado igrometrico, ecc. Ai fini dell elaborazione di questi dati è opportuno avere chiari alcuni concetti di statistica descrittiva, i principali dei quali si richiamano sinteticamente di seguito. Popolazione statistica: definita come un insieme di valori che hanno la medesima probabilità teorica di verificarsi, od in altre parole che si verificano nelle stesse condizioni, ad es. l insieme dei valori di temperatura registrati alle ore 12:00 del 1 Gennaio di 30 anni consecutivi nella medesima località costituisce una popolazione, al contrario i valori di temperatura giornaliera del mese di Gennaio di un determinato anno non costituiscono una popolazione, in quanto la probabilità che si verifichi un determinato valore della temperatura varia di giorno in giorno. I dati di una grandezza fisica relativi ad una popolazione statistica possono essere organizzati in forma tabellare o grafica. In una prima fase può essere approntata una tabella di frequenza o in alternativa un grafico ad istogrammi (con in ascisse i valori delle classi ed in ordinate le frequenze) che si ottengono suddividendo la popolazione in classi contigue di frequenza di adeguata ampiezza, a ciascuna delle quali si attribuiscono i valori della variabile compresi nell intervallo della classe. Per definire il numero di classi si applica una relazione empirica nota con il nome di regola di Sturges che definisce sulla base delle osservazioni, n, di una serie, il numero minimo di classi, k: k=1+10/3 Log n N. precipitazioni (frequenza) 13 ampiezaclasi 90m Precipitazioni (m)-(clasi di frequenza) Rappresentazione della ripartizione in classi di frequenza delle precipitazioni (calcolo eseguito sui dati pluviometrici ipotizzati relativi al periodo per la stazione meteorologica di Reggio Calabria) Stabilito il numero di classi si prendono i valori estremi della popolazione, si divide questa nel numero di classi voluto e si ottiene il valore dell intervallo, vale a dire dell ampiezza della classe. Dalla tavola delle frequenze si può ottenere la tabella delle frequenze cumulate, vale a dire una tavola in cui ciascuna classe comprende le classi precedenti ed i valori di frequenza delle medesime in modo tale che l ultima classe comprenda tutte le osservazioni. 9

10 Tabella delle frequenze cumulate Classe Frequenza cumulata Dalla distribuzione di frequenza deriva la nozione di funzione di distribuzione di frequenza, vale a dire la relazione che descrive la curva di frequenza, y=f(x), dove x per una quantità che varia continuamente rappresenta la variabile aleatoria. La funzione di distribuzione di frequenza può essere approssimata ad una funzione teorica o ad una funzione empirica. Le funzioni empiriche che si riscontrato più frequentemente in meteorologia sono: - distribuzioni simmetriche; - distribuzioni asimmetriche. Nelle prime, le frequenze delle diverse classi si distribuiscono in modo simmetrico da una parte e dall altra della classe con frequenza massima. Nelle seconde, invece, la distribuzione è disuguale rispetto alla classe di frequenza massima. Queste ultime sono le più numerose in climatologia. Le forme di distribuzione più comuni dei dati climatici sono: - Distribuzione pressoché normale per la temperatura dell aria misurata ad un ora stabilita; la distribuzione della temperatura minima misurata ad es. durante l inverno o della temperatura massima durante l estate sono asimmetriche; - I dati della pioggia si distribuiscono in genere nella forma ad arco di iperbole; - La distribuzione della tensione di vapore è asimmetrica e quella dell umidità relativa varia con il clima, la stagione, e l ora del rilevamento; - I valori della pressione misurati ad una data ora del giorno si distribuiscono in modo normale; - La nuvolosità si distribuisce secondo una forma ad U; - L insolazione si distribuisce con una forma a trapezio. Le distribuzioni teoriche delle frequenze più importanti sono: - Laplace-Gauss o normale o a campana; - Poisson o degli eventi rari; - Binomiale. Gli indici statistici più comunemente usati in agrometeorologia per descrivere una popolazione sono: - media=rapporto tra somma delle misure individuali e numero delle misure stesse (n); - mediana=valore della variabile la cui probabilità di essere raggiunto è pari al 50%; - intervallo di variazione o campo di variazione o escursione=differenza tra il valore più grande e quello più piccolo di una serie; - quantili=valori tali che la percentuale dei valori inferiori al più piccolo sia uguale alla percentuale superiore del più grande: quartile, quintile, decile, percentile, dividono la popolazione, rispettivamente in 4, 5, 10 e 99 gruppi; - scarto=deviazione tra un valore e la media dei valori; - devianza=somma dei quadrati degli scarti dalla media; - varianza=rapporto tra devianza e gradi di libertà (g.l.); - deviazione standard=radice quadrata della varianza; 10

11 - errore standard=rapporto tra deviazione standard e la radice quadrata dei dati (n); - coefficiente di variazione=rapporto percentuale tra deviazione standard e media. Frequentemente i parametri di una popolazione si stimano a partire da quelli di un campione (inferenza statistica) e pertanto è necessario definire i limiti entro i quali questi parametri hanno una probabilità di essere compresi (intervallo fiduciale o di confidenza) 11

12 Probabilità di pioggia La quantità di pioggia che cade in un determinato ambiente è espressa in genere come media di una lunga serie di dati annuali, minimo di 30 anni, nell ambito della quale, tuttavia, si osserva una notevole variabilità interannuale dei valori, che deve essere tenuta in considerazione allorché si voglia caratterizzare l ambiente e valutarne la potenzialità da un punto di vista agricolo-forestale. Questa variabilità è in genere tanto più accentuata quanto più bassa è la quantità di precipitazioni e quanto più ristretto è l intervallo temporale preso in considerazione (mese anno). Sulla base di quanto affermato, per studi di tipo agrometeorologico, non possono essere calcolati indici semplici di posizione come la media o la mediana, ma l elaborazione dei dati deve basarsi sul calcolo delle probabilità. Nell ambiente X, durante il periodo Y, cadono, in media P di pioggia, nel 90% dei casi si supera Px 1, nell 80% dei casi Px 2, ecc. In un primo momento si valutano nell ambito della serie pluriennale le frequenze con cui si verificano gli eventi piovosi e successivamente si individua la soglia di probabilità desiderata sulla quale basare lo studio o la progettazione (stima delle precipitazioni utili, possibilità di introduzione di una coltura in un determinato ambiente, produzione potenziale della coltura, dimensionamento della rete di drenaggio o di quella irrigua). Come prima ricordato, generalmente la distribuzione statistica dei dati pluviometrici non è di tipo gaussiano, per cui la media e la sua deviazione standard (radice quadrata della varianza data a sua volta dal rapporto tra la somma dei quadrati degli scarti dalla media o devianza ed i gradi di libertà n-1) non sono parametri di stima corretti, a meno che la distribuzione dei dati non venga resa normale attraverso un opportuna trasformazione degli stessi r 2 =0,94 n= Piogia(m) Probabilitàdi superareil limiteprescelto Rappresentazione del metodo grafico di stima della probabilità annua di pioggia (calcolo eseguito applicando la formula di Hazen sui dati pluviometrici ipotizzati relativi al periodo per la stazione meteorologica di Reggio Calabria) In genere, pertanto, i dati pluviometrici si si elaborano semplicemente in termini di mediana e di percentili. Il procedimento è il seguente: - si dispongono i valori della serie in ordine decrescente; 12

13 - si individuano i valori della quantità di pioggia che si verifica nel numero di casi che corrispondono alla probabilità desiderata, che in genere è pari all 80% o al 90%, pertanto, nel rimanente 20% e 10% dei casi, rispettivamente, la quantità di pioggia è inferiore. Per risalire alla posizione corretta lungo la serie ordinata di dati, basta moltiplicare il numero totale di casi (n=anni) per il valore di probabilità prescelta, 0,5 (mediana o cinquantesimo percentile), 0,2 (ventesimo percentile), 0,1 (decimo percentile), 0,05 (quinto percentile). Allo stesso scopo, sempre dopo avere ordinato i valori della serie in ordine decrescente, può essere applicata la formula di Hazen Fa=100 (2n-1)/2N dove Fa è la probabilità (%) di superare un determinato valore di pioggia, n è il numero d ordine per valori decrescenti della piovosità del periodo, N è il numero totale di anni considerati. Trovati i valori di Fa, può essere predisposta una rappresentazione grafica per rendere più immediata l interpretazione dei dati, ponendo in ascissa la variabile probabilità (Fa) e in ordinata la variabile pioggia ed interpolare i punti con una curva 13