Strumenti innovativi per il monitoraggio di precipitazioni ...€¦ · Roma 15 ottobre 2012 “Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" -Milano, 30 novembre 2015

Strumenti innovativi per il monitoraggio di

precipitazioni intense nelle aree urbaneLuca 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

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

“Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre 2015

(*) 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.»

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


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


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-sensoranalysis of convective activity in Central Italy during the HyMeX SOP 1.1, Atmos. Meas. Tech. Discuss., 8, 9241-9287, doi:10.5194/amtd-8-9241-2015, 2015.

Graupel

Ice crystals

0°C

Radar e sensori fulminazione


Roma 15 ottobre 2012

7“Meteo Expo2015: un servizio meteorologico pubblico su misura" - Milano, 30 novembre 2015

Radar

CNR ISAC Polar 55C

Rete di

Fulminazione LINET

MSG IR + Linet

37 strokes.

16:00 UTC 17:30 UTC

• 11 strokes (entro 120 Km

dal radar in 5 minuti).

19:10 UTC

227 strokes

Relazione tra graupel e fulminazione

8

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

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)

Zh at 40

dBZ

Zh at 50

dBZ

Zh at 55

dBZ



9

+ Strokes per 5 min

Reflettività (Z), strokes, misure al suolo da disdrometro (14 km dal Polar 55C)

Relazione tra graupel e pioggia al suolo

11


Formenton et al. 2013

Petersen et al. 2005Date a b R2

2012-10-15 5.77×106 2.71×107 0.856

2012-10-12 1.23×106 1.03×107 0.824

2012-09-13 1.63 ×106 2.86×106 0.506

Relazioni teoriche tra IWC

colonnare e densità di flash

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 satellitigeostazionari (GEO) o orbitanti (LEO).

• I metodi che utilizzano i sensori PMW sono risultati più affidabili rispetto a quellibasati sul VIS e IR per la stima della precipitazione

• I satelliti TRMM (1997- April 8, 2015) e GPM core observatory (in orbita dal 27 Febbraio 2014) utilizzano anche radar alle frequenze Ku e Ka per la stima dellaprecipitazione.

• L’orbita del satellite TRMM era limitata a 35°N, mentre il GPM arriva fino a 65 ° e può essere utilizzato per le precipitazione nelle aree mediterranee e Europee

National radar Mosaic

2014/11/06 22:10

GPM

2014/11/06 22:10

GPM rete radar nazionale

National radar Mosaic

2014/11/16 16:30GPM

2014/11/16 16:30

GPM e rete radar nazionale

Passaggi GPM su Roma

2 Dicembre 2015

Passaggi GPM su Roma

2 Dicembre 2015

1 Dicembre 2015

F16/F17/F18

MetOp A

NOAA 18

Uso di satelliti in costellazioneConstellation microwave sensor channel coverage

Mean Spatial Resolution (km)

Channel

6 GHz

10 GHz

19 GHz

23 GHz

31/36 GHz

50-60 GHz

89/91

GHz

150/166

GHz

183/190 GHz

SSMIS 19.35

V/H

22.23

5 V

37.0 V/H 50.3-

63.28

V/H

91.65

V/H

150 H 183.31H

MHS 89 157 183.311

190.311

AMSU-A 23.8 31.4 50.2-

58

89

AMSR-2 6.92

5

V/H

10.65

V/H

18.7

V/H

23.8

V/H

36.5

V/H

89.0

V/H

GMI 10.65

V/H

18.70

V/H

23.80

V

36.50 V/H 89.0

V/H

165.5

V/H

183.31 V

ATMS 23.8 31.4 50.3-

57.29

87-91 164-

167

183.31

Channel

6 GHz

10 GHz

19 GHz

23 GHz

31/36 GHz

50-60 GHz

89/91 GHz

150/166

GHz

183 GHz

SSMIS 59 59 36 22 14 14 14

MHS 17 17 17

AMSU-A 48 48 48 48

AMSR-2 56 38 21 24 12 5

GMI 26 15 12 11 6 6 6

ATMS 74 74 32 16 16 16

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

Alluvione Genova

Max. intensità 120 mm/h

Accumulo 560 mm in 36 hours

Airmass RGB from MSG SEVIRI, and

Geopotential Height at 500 hPa

(green line), and CAPE (J/kg) from

ECMWF analysis Obrober 9 1200 UTC

RGB microphysics with

ECWMF 10-m surface wind

at 1200 UTC

LINET strokes in 24 hours

October 9

20,000 strokes

in 6 hours!!!

12:26 UTC

CDRD (H01)

Istantaneous

Precipitation

from SSMIS

and 15 min

LINET strokes

Liguria-Piemonte 9-13/10/2014

Liguria-Piemonte 9-13/10/201411 October 2014 – 23 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

SSMIS

F16 X X

F17 X X

F18 X X

MHS

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

Coverage by PMW

radiometers over

Genoa area

Liguria-Piemonte 9-13/10/2014

Confronto con radar e pluviometri 9-11 ottobre

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

Catania: 5 Novembre 2014

Alluvione di Catania causata da una

piccola cella convettiva un 15 km

diametro sviluppatasi a seguito di

un «medicane»

LINET Strokes Nov. 5

linetview.nowcast.de

2014/11/05

00:00-04:00 04:00-08:00 08:00-12:00 12:00-16:00 16:00-20:00 20:00-24:00

SSMIS

F16 X

F17 X X

F18 X X

MHS

MetOp-A X X

MetOp-B X X

NOAA18 X X X

NOAA19 X X

ATMS Suomi NPP X

ALL

15 passaggi disponibili da SSMIS,

MHS, ATMS over Sicily.

In evidenza I 5 relative alla

convenzione su Catania



Radar RHI(Z) Monte Lauro radar

(53 gradi azimut)

Dipartimento Protezione Civile

Signals of 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 radio-

base di reti cellulari per la stima di precipitazione

• Applicazioni recentemente proposte riguardano la

ricezione di TV satellitareF. Cuccoli, L. Baldini, L. Facheris, S. Gori, E. Gorgucci, Tomography applied to radiobase network for real time estimation of the rainfall rate

fields, Atmospheric Research, Volume 119, January 2013, Pages 62-69, ISSN 0169-8095,

http://dx.doi.org/10.1016/j.atmosres.2011.06.024.

Tx-Rx network True 2D field of the specific “object” to be measured

Estimated 2D field of the specific “object”

Concetto tomografia a microonde

Tomographic processing

K-R relationships

D. Giuli, A. Toccafondi, G. Biffi Gentili, and A. Freni, 1991: Tomographic Reconstruction of Rainfall Fields through Microwave Attenuation

Measurements. J. Appl. Meteor., 30, 1323–1340. doi: http://dx.doi.org/10.1175/1520-0450(1991)030<1323:TRORFT>2.0.CO;2

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

• Rain rate (mm h-1)

• Attenuazione specifica (dB km-1)

3. Ricostruzione attenuazione su link tra

radio-base

4. Ricostruzione campo precipitazione

con tecniche tomografiche

TIM ( < 1/3 links)

Links: 89 - RB Stations: 47

Links: 34 - RB Stations: 21

TIM (2/3 links)


TIM (2/3 Links)

Averaged BF width: 900 m

10 SBF + 69 DBF

residual link error : 2.9%

2D relative error = 2.2%


TIM ( < 1/3 Links)

Averaged BF width: 900 m

6 SBF + 25 DBF

residual link error : 1.9%

2D relative error = 2.5%


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

gestiti da utenza eterogenea connessi via internet. (es: http://ispex-eu.org/milan/ uso di

apparecchi collegati a smartphone modificati)

• Progetti mirati alle precipitazioni hanno avuto per lo più finalità didattica. Sono inesplorate le

potenzialità di dati raccolti volontariamente da moltitudini di utenti (‘The Rainfall Project’

blog, Lyndon Green School (http://lgjseco.blogspot.co.uk/ )).

• 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,

'Crowdsourcing for climate and atmospheric sciences: current status and future potential' International Journal

of Climatology, vol 35, no. 11, pp. 3185–3203., 10.1002/joc.421


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 crowdsourcing è ancora inesplorato


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