Utilizzo dei dati meteo-climatici come indispensabile base informativa per lo sviluppo di modelli gestionali delle risorse idriche sotterranee

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1 Utilizzo dei dati meteo-climatici come indispensabile base informativa per lo sviluppo di modelli gestionali delle risorse idriche sotterranee Dr. Raffaele Salerno Direzione Centro Epson Meteo Convegno La gestione sostenibile delle risorse idriche sotterranee: approcci metodologici e strumenti operativi 17 novembre 2016 Sala Assembleare c/o Amiacque, via Rimini, 34/36 Milano Incontro con il Sindaco di Milano 1

2 Programma Centro Epson Meteo: chi siamo Il ciclo idrologico Le acque e le acque sotterranee I pluviometri e la misura della precipitazione Misure da radar e satelliti Integrazione dei dati Applicazione sul territorio Conclusione 2

3 Il Centro Epson Meteo: chi siamo Nata nel 1995, è la struttura italiana privata più accreditata nel settore della meteorologia e climatologia. Opera con un sistema previsionale basato su tecniche di multi-model ensemble, nel proprio Centro di Calcolo. Dispone di una piattaforma applicativa specializzata per la integrazione, l elaborazione, l archiviazione e la rappresentazione di dati meteo climatici e marini. Impiega un team di meteorologi certificati, formati secondo le direttive WMO. Dispone di una Sala Operativa in grado di operare con continuità h24. 3

4 Il Centro Epson Meteo: chi siamo Settori applicativi world-wide: Agricoltura, Turismo, Assicurazioni, Energia, Media (TV, Internet), Trasporti stradali, ferroviari e marittimi (sistemi per navi e centrali operative delle Compagnie marittime, applicazioni per offshore e onshore), Aviazione Civile (Divisione dedicata GAWS - Global Aviation Weather Services, certificata ENAC/EASA per l attività ANSP-Met), progetti di ricerca e sviluppo, e ogni altro settore di applicazione della meteorologia, della climatologia e della circolazione marina legato alle attività industriali e civili. 4

5 Il ciclo idrologico 5

6 Il ciclo idrologico: le trasformazioni Il sole, che attiva il ciclo dell'acqua, riscalda l'acqua del mare. Parte di essa evapora nell'aria. L'evaporazione avviene anche dalle acque dolci dei laghi e dei fiumi. Sul continente, l'evapotraspirazione, che è l'acqua traspirata dagli esseri viventi (soprattutto dai vegetali) apporta vapore all'aria. Una piccola quantità d'acqua nell'atmosfera proviene dalla sublimazione, che è il passaggio allo stato di vapore direttamente dallo stato solido. Le correnti d'aria ascensionali sollevano il vapore in alto nell'atmosfera dove la temperatura più bassa ne provoca la condensazione in goccioline microscopiche che formano le nuvole.i venti trasportano le nubi per il mondo, e le particelle delle nubi collidono, si accrescono, e cadono dal cielo come precipitazione. Qualche precipitazione cade come neve e può accumularsi come calotte glaciali o ghiacciai. La neve, nei climi più caldi, si scioglie con l'arrivo della primavera, e l'acqua di fusione fluisce per ruscellamento dalla fusione delle nevi. 6

7 Il ciclo idrologico: le trasformazioni Mentre una gran parte delle precipitazioni cade nei mari, una parte cade sulle terre emerse dove, a causa della gravità, fluisce come ruscellamento superficiale. Parte del ruscellamento superficiale raggiunge i fiumi e si muove come flusso incanalato verso il mare, mentre parte di esso si accumula come acqua dolce nei laghi e nei fiumi. Non tutto il ruscellamento score in corpi idrici superficiali. Molto se ne infiltra nel terreno (infiltrazione). Parte dell'acqua si infiltra in profondità nel terreno ed alimenta gli acquiferi (rocce saturate con acqua mobile che affiora in sorgenti o estraibile con pozzi o gallerie) che immagazzinano enormi quantità di acqua dolce sotterranea per lunghi periodi di tempo. Parte dell'acqua sotterranea sta vicino alla superficie terrestre e può filtrare di nuovo entro corpi idrici superficiali (e nel mare), mentre parte trova vie d'uscita nella superficie della terra ed emerge come sorgenti d'acqua dolce. Nel tempo, tuttavia, quest'acqua continua a muoversi, e parte rientra nel mare dove il ciclo ricomincia 7

8 Il ciclo idrologico: composizione Immagazzinamento dell'acqua nei mari Evaporazione Evapotraspirazione Sublimazione Acqua nell'atmosfera Condensazione Precipitazione Immagazzinamento nel ghiaccio e nella neve Ruscellamento da fusione delle nevi verso i corsi d'acqua Ruscellamento superficiale Flusso incanalato Immagazzinamento d'acqua dolce Infiltrazione Immagazzinamento d'acqua sotterranea Portata d'acqua sotterranea Sorgenti 8

9 La precipitazione La precipitazione è l'acqua rilasciata dalle nuvole sotto forma di pioggia, pioggia gelata, neve, o grandine. E il modo principale in cui l'acqua presente nell atmosfera ritorna sulla Terra. La maggior parte delle precipitazioni sono piogge. Come si formano le gocce di pioggia? Le nuvole che passano in cielo contengono vapore acqueo o goccioline troppo piccole per cadere come precipitazione, ma grandi abbastanza per formare delle nuvole visibili. L'acqua evapora e condensa continuamente nel cielo. La maggior parte dell'acqua condensata nelle nuvole non cade per via delle correnti ascensionali che sostengono le nubi. Perché la precipitazione si verifichi, bisogna che prima si condensino le goccioline d'acqua e poi che queste si uniscano per formare gocce più grandi e pesanti a sufficienza per cadere come precipitazione. Ci vogliono milioni di goccioline di una nuvola per formare una goccia di pioggia. 9

10 L acqua dolce Una parte del ciclo idrologico essenziale per tutte le forme di vita sulla Terra è l'acqua dolce superficiale. Le acque superficiali includono fiumi, laghi, serbatoi artificiali, e zone umide di acqua dolce. La quantità di acqua nei fiumi e nei laghi cambia continuamente a causa delle immissioni e delle emissioni. Le immissioni provengono dalle precipitazioni, dal ruscellamento, dal flusso sotterraneo, e dai tributari. Le emissioni dai laghi e dai fiumi comprendono l'evaporazione e il contributo diretto verso l'acqua sotterranea. L'acqua sotterranea esiste a causa del movimento dell'acqua superficiale verso gli acquiferi sotterranei. L'acqua dolce è relativamente scarsa sulla Terra. Solo il tre per cento circa di tutta l'acqua sulla Terra è dolce, ed i laghi e gli stagni rappresentano solo lo 0,29% dell'acqua dolce terrestre. Il venti per cento di tutta l'acqua dolce superficiale si trova in un solo lago, il lago Baikal in Asia. Un altro venti per cento è conservato nel Grandi Laghi (Huron, Michigan, Superiore) degli Stati Uniti. I fiumi contengono solo lo 0,006% dell'acqua dolce superficiale mondiale. 10

11 Le acque sotterranee Dappertutto nel mondo, parte dell'acqua che precipita come pioggia o neve s'infiltra nel sottosuolo. L'entità di questa parte dipende da numerosi fattori. Parte dell'acqua che s'infiltra rimane negli strati superficiali del suolo (deflusso ipodermico), da dove può filtrare verso un canale del sistema di drenaggio. Parte s'infiltra più profondamente (deflusso sotterraneo), ricaricando di acqua sotterranea gli acquiferi. L'acqua può percorrere lunghe distanze o rimanere in un acquifero per lungo tempo prima di ritornare in superficie o filtrare verso un'altra massa d'acqua, come un fiume o il mare. 11

12 Le acque sotterranee Quando la precipitazione s'infiltra nel suolo, forma una zona satura ed una zona non satura, sovrapposte, normalmente con la zona satura in basso. Nella zona non satura c'è dell'acqua presente nei pori della roccia e del suolo, ma non li riempie completamente. La parte più alta della zona non satura è la zona del suolo, che presenta delle cavità intorno alle radici delle piante e delle fessure del terreno, lungo le quali si può facilmente infiltrare l'acqua piovana. L'acqua nella zona del suolo è utilizzata dalla vegetazione e da questa viene in parte trasformata in traspirazione. Nella zona satura, l'acqua occupa completamente gli spazi (pori e fratture) nella roccia e nel suolo. Da questa zona, che in pratica è un acquifero, l'acqua può essere estratta con i pozzi. 12

13 Le acque sotterranee Parte delle precipitazioni che cadono sul terreno vi s'infiltrano e diventano acqua sotterranea. Una volta nel terreno, parte di quest'acqua si muove in prossimità della superficie ed emerge presto come deflusso superficiale verso i corsi d'acqua, ma, a causa della gravità, la maggior parte di essa continua a scendere in profondità nel sottosuolo. Direzione e velocità dell'acqua sotterranea dipendono dalle varie caratteristiche dell'acquifero e dei livelli che lo delimitano (strati di roccia poco permeabile in cui l'acqua penetra con difficoltà). La mobilità dell'acqua sotterranea dipende dalla permeabilità e dalla porosità dell'acquifero. In una roccia di elevata permeabilità, l'acqua può percorrere decine o centinaia di metri in qualche giorno. Se l'acqua raggiunge un acquifero profondo, può impiegare migliaia di anni per ritornare in superficie, o restare "confinata" a grandi profondità 13

14 Misura della precipitazione La precipitazione viene tradizionalmente misurata con il pluviometro e numerosi pluviometri distribuiti sul territorio, connessi ad una centrale di raccolta dati, danno origine ad una rete di misura. A partire dalla fine degli anni 80 è cominciata la diffusione dei radar meteorologici caratterizzati da microonde tra 1 e 10 cm ed in grado di interagire con le gocce di pioggia. Un radar meteorologico è perciò uno strumento di telerilevamento attivo in grado di stimare la precipitazione in atto su vaste aree (pioggia, neve, grandine), con portate che variano dai 30 km ai 250 km a seconda della potenza e della lunghezza d onda utilizzate (banda K,X,C,S). In Italia e in numerosi paesi europei vengono utilizzati per lo più radar in banda C (5 6 cm) con portate di misura fino a circa 200 km, una risoluzione spaziale di misura tipica di 1 km ed in grado di fornire mappe istantanee di precipitazione ad intervalli di 5 15 minuti. La stima della precipitazione è fatta in maniera indiretta attraverso la misura del segnale di ritorno, o riflettività, derivante dall interazione dell impulso elettromagnetico emesso con le gocce di pioggia. Dalla misura della riflettività radar è possibile ottenere attraverso relazioni empiriche, una stima approssimata della precipitazione

15 Misura della precipitazione La possibilità applicativa del radar è ancora più realistica quando si dispone di una rete di radar che permette la cosiddetta mosaicatura delle Immagini. Questa potenzialità è sicuramente superiore, come copertura spazio temporale, a qualsiasi rete pluviometrica in tempo reale. Per contro in zone orograficamente complesse gli impulsi emessi dal radar possono non raggiungere tutti gli strati di una nube precipitante e l attendibilità della stima della precipitazione fatta con radar diminuisce. Inoltre ci sono altri casi nei quali la precipitazione viene sottostimata

16 Misura della precipitazione Le misure di nubi e precipitazioni con strumentazione al suolo non forniscono in generale la copertura adeguata per molte applicazioni, in quanto sono rade in regioni montagnose o remote e sono quasi del tutto assenti sugli oceani. Le osservazioni da satellite diventano pertanto di fondamentale importanza per ottenere misure continue e globali. Misure delle caratteristiche microfisiche delle nubi e delle precipitazioni da esse prodotte a partire da osservazioni satellitari sono possibili mediante radiometria nel visibile e nell infrarosso, più direttamente mediante radiometria in microonde e con grande accuratezza tramite misure radar. Con il satellite geostazionario della serie Meteosat e con il lancio di nuovi satelliti operativi in orbita bassa avanzati, si è cominciato a disporre di osservazioni di qualità nettamente superiore a quella precedente. Vanno però ancora sviluppati algoritmi per lo sfruttamento ottimale di queste nuove potenzialità. Inoltre, è necessario ottimizzare questi algoritmi per le regioni di interesse. Infine, è necessario procedere alla calibrazione e validazione dei prodotti ottenibili con la combinazione delle varie misure satellitari

17 Applicazione sul territorio - Determinazione delle precipitazioni (e di eventuali altri parametri) sull area di interesse; - Costruzione di un reticolo di dati sul territorio - Costruzione della serie storica su tutti i punti del reticolo sulla base di TUTTI i dati disponibili - Rilascio dei dati e aggiornamento periodico

18 Applicazione Integrazione tra dato radar satellitare e dati al suolo

19 Distribuzione Pluviometri

20 Rete idrografica

21 Applicazione Integrazione tra dato radar satellitare e dati al suolo

22 Conclusioni I dati meteo-climatici sono fondamentali per descrivere il ciclo idrologico Precipitazioni, temperature. Solo l integrazione tra dati di remote sensing e dati al suolo consente di ottenere valori molto accurati da utilizzare per i modelli gestionali delle risorse idriche

23 Centro Epson Meteo Divisione Servizi a Valore Aggiunto Via A. Falck 16, Sesto S. Giovanni (MI) raffaele.salerno@meteo.expert Meteo Operations Italia Via Frova 34 Cinisello Balsamo (MI) Tel Incontro con il Sindaco di Milano 23