Strumenti innovativi per il monitoraggio di precipitazioni intense nelle aree urbane

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1 Strumenti innovativi per il monitoraggio di precipitazioni intense nelle aree urbane Luca 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

2 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 (*) 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.» Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre 2015

3 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

4 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

5 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 Roberto, N., Adirosi, E., Baldini, L., Casella, D., Dietrich, S., Gatlin, P., Panegrossi, G., Petracca, M., Sanò, P., and Tokay, A.: Multi-sensor analysis of convective activity in Central Italy during the HyMeX SOP 1.1, Atmos. Meas. Tech. Discuss., 8, , doi: /amtd , Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre 2015

6 Radar e sensori fulminazione Ice crystals Graupel 0 C Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre 2015

7 Roma 15 ottobre 2012 Radar CNR ISAC Polar55C Rete di Fulminazione LINET 16:00 UTC 17:30 UTC 19:10 UTC 11 strokes(entro 120 Km dal radar in 5 minuti). 227 strokes 37 strokes. MSG IR + Linet Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre

8 Relazione tra graupel e fulminazione 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 Zhat 40 dbz Zhat 50 dbz Zhat 55 dbz 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) Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre

9 Relazione tra graupel e fulminazione +Strokes per 5 min 9

10 Relazione tra graupel e pioggia al suolo Reflettività (Z), strokes, misure al suolo da disdrometro(14 km dal Polar 55C)

11 Relazione tra graupel e fulminazione Date a b R Relazioni teoriche tra IWC colonnare e densità di flash Petersen et al Formentonet al

12 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 satelliti geostazionari(geo) o orbitanti(leo). I metodi che utilizzano i sensori PMW sono risultati più affidabili rispetto a quelli basatisulvis e IR per la stimadellaprecipitazione I satellititrmm (1997-April 8, 2015) e GPM core observatory (in orbitadal 27 Febbraio 2014) utilizzano anche radar alle frequenze Ku e Ka per la stima della precipitazione. L orbitadel satellite TRMM era limitataa 35 N, mentreilgpm arrivafinoa 65 e può essere utilizzato per le precipitazione nelle aree mediterranee e Europee

13 GPM rete radar nazionale GPM 2014/11/06 22:10 National radar Mosaic 2014/11/06 22:10

14 GPM e rete radar nazionale GPM 2014/11/16 16:30 National radar Mosaic 2014/11/16 16:30

15 Passaggi GPM su Roma 2 Dicembre 2015

16 Passaggi GPM su Roma 2 Dicembre Dicembre 2015

17 Uso di satelliti in costellazione Constellation microwave sensor channel coverage Chann el SSMIS V/H V 31/ V/H V/H 89/ V/H 150/ / H H MHS AMSU-A MetOp A AMSR V/H V/H 18.7 V/H 23.8 V/H 36.5 V/H 89.0 V/H GMI V/H V/H V Mean Spatial Resolution (km) V/H 89.0 V/H ATMS Chann el / V/H /91 150/ V SSMIS MHS AMSU-A AMSR GMI ATMS F16/F17/F18 NOAA 18 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

18 Liguria-Piemonte 9-13/10/2014 Alluvione Genova Max. intensità 120 mm/h Accumulo 560 mm in 36 hours October 9 20,000 strokes in 6 hours!!! LINET strokes in 24 hours 12:26 UTC Airmass RGB from MSG SEVIRI, and Geopotential Height at 500 hpa (green line), and CAPE (J/kg) from ECMWF analysis Obrober UTC RGB microphysics with ECWMF 10-m surface wind at 1200 UTC CDRD (H01) Istantaneous Precipitation from SSMIS and 15 min LINET strokes

19 Liguria-Piemonte 9-13/10/ October 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 F16 X X Coverageby PMW radiometersover Genoa area SSMIS MHS F17 X X F18 X X 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

20 Liguria-Piemonte 9-13/10/2014 Confronto con radar e pluviometri 9-11 ottobre

21 Liguria-Piemonte 9-13/10/2014 Confronto con radar e pluviometri 13 ottobre

22 Catania: 5 Novembre 2014 LINET Strokes Nov. 5 linetview.nowcast.de Alluvione di Catania causata da una piccola cella convettiva un 15 km diametro sviluppatasi a seguito di un «medicane»

23 Catania: 5 Novembre /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 F16 X SSMIS F17 X X F18 X X MetOp-A X X MHS MetOp-B X X NOAA18 X X X NOAA19 X X ATMS Suomi NPP X ALL 15 passaggidisponibilida SSMIS, MHS, ATMS over Sicily. In evidenzai 5 relative alla convenzione su Catania

24 Catania: 5 Novembre 2014 Radar RHI(Z) Monte Lauro radar (53 gradi azimut) Dipartimento Protezione Civile

25 Signalsof 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 radiobase di reti cellulari per la stima di precipitazione Applicazioni recentemente proposte riguardano la ricezione di TV satellitare F. Cuccoli, L. Baldini, L. Facheris, S. Gori, E. Gorgucci, Tomographyappliedto radiobasenetwork for realtime estimationof the rainfallrate fields, AtmosphericResearch, Volume 119, January2013, Pages62-69, ISSN ,

26 Concetto tomografia a microonde K-R relationships Tx-Rx network True 2D field of the specific object to be measured Tomographic processing Estimated 2D field of the specific object D. Giuli, A. Toccafondi, G. Biffi Gentili, and A. Freni, 1991: Tomographic Reconstruction of Rainfall Fields through Microwave Attenuation Measurements. J. Appl. Meteor., 30, doi:

27 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 Rainrate (mm h -1 ) Attenuazione specifica (db km -1 ) 3. Ricostruzione attenuazione su link tra radio-base 4. Ricostruzione campo precipitazione con tecniche tomografiche

28 Stime di precipitazione da reti di cellulari TIM (2/3 links) TIM ( < 1/3 links) Links: 89 - RB Stations: 47 Links: 34 - RB Stations: 21

29 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%

30 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%

31 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 gestitida utenzaeterogeneaconnessivia internet. (es: apparecchi collegati a smartphone modificati) Progettimiratialleprecipitazionihannoavutoper lo piùfinalitàdidattica. Sonoinesploratele potenzialitàdi datiraccoltivolontariamenteda moltitudinidi utenti( The Rainfall Project blog, Lyndon Green School ( )). 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, 'Crowdsourcingfor climateand atmosphericsciences: currentstatus and future potential' International Journal of Climatology, vol 35, no. 11, pp , /joc.421 Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre 2015

32 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 crowdsourcingè ancora inesplorato Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre 2015