Universit degli Studi di Brescia Ð Facolt di Ingegneria ... · Simulazioni con il Modello PDSM-200 0 200 400 600 800 1000

Monitoraggio a microonde eMonitoraggio a microonde esimulazione della dinamica delsimulazione della dinamica del

manto nevosomanto nevosoRelatore:Relatore:

Prof. Prof. IngIng. Roberto . Roberto RanziRanzi

Laureando:Laureando:Gian Luca Gian Luca GhirardiGhirardiMatricola n. 020390Matricola n. 020390

UniversitUniversitàà degli Studi di Brescia degli Studi di Brescia –– Facolt Facoltàà di Ingegneria di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria CivileDipartimento di Ingegneria Civile

CollaborazioniCollaborazioni

Questa ricerca è stata parzialmente finanziata dall’ASI(Agenzia Spaziale Italiana) e realizzata in collaborazionecon:

• ARPAV Veneto (Centro Valanghe di Arabba (BL))

• IFAC CNR di Firenze

• Università degli Studi di Brescia – Dipartimentodi Ingegneria Civile

PresuppostiPresupposti

!Alternanza, negli ultimi anni, di inverni ed estatiricchi di precipitazioni con inverni poveri di neveed estati siccitose caratterizzate da elevatetemperature

•Eventi valanghivi catastrofici

•Periodi prolungati di magre primaverili edestive

Presupposti

! Rarità di bacini idrografici dotati distrumentazioni automatiche sufficientementedense in grado di produrre misure dettagliatedelle variabili meteorologiche governanti loscambio termico fra neve e ambiente(attualmente le stazioni pluviometriche hannodensità di diffusione di 1/50 ÷ 1/100 km2, quellenivometeorologiche raramente superano gli1/500 km2 )

PresuppostiPresupposti

•Difficoltà nello stimare le disponibilitàidriche dei bacini montani di alcunecentinaia di km2 di superficie•Difficoltà di disporre in tempi rapidi dimisure estensive di altezza e densità delmanto nevoso e delle variabilimeteorologiche che ne determinanol’evoluzione nel tempo

•Stime dell’equivalente in acqua medioareale affette da notevoli incertezze

Obiettivi della ricercaObiettivi della ricerca

• Riduzione del numero di misure al suolonecessarie per la definizione della stratigrafiadel manto nevoso

• Ottenere, a parità di misure nivometriche effettuate, una maggiore affidabilità dell’equivalente in acqua medio areale• Definizione delle caratteristiche del manto nevoso di zone particolarmente difficili da monitorare in modo diretto (in loco)

Modelli numerici per la simulazioneModelli numerici per la simulazionedella struttura del manto nevosodella struttura del manto nevoso

Obiettivi:! Creare misure preventive per minimizzare idanni delle valanghe

! Simulare le principali caratteristiche del mantonevoso

! Studiare la sensibilità del manto nevoso aicambiamenti climatici (Martin et al. , 1994)

! Effettuare ricerche in campo idrologico (Braun etal. , 1994)


I Centri Valanghe, Centri studi della neve e gliUffici di Meteorologia dei vari Paesi utilizzanodiversi modelli numerici di previsione.

• Francia, Grenoble: CEN (Centre d’études de la neige)

Sistema automatico basato su tre modelli matematiciindipendenti denominati, rispettivamente: SAFRAN, CROCUS E MÉPRAL’insieme di questi modelli è stato chiamato “catena” SCM

Luoghi di applicazione del sistema SCME’ stata presa in considerazioneper l’applicazione dei modelliun’area vasta circa 500 Km2 conlocalità situate a quote compresefra i 600 m.s.l.m. ed i 3600m.s.l.m.

Monti Pirenei, traFrancia e Spagna(15 località) (b)

Alpi Francesi(23 località) (a)

Il Modello Numerico CROCUSIl Modello Numerico CROCUS

Caratteristiche principali:

• Calcola l’evoluzione dell’energia ed il metamorfismo del manto nevoso

• Simula l’evoluzione di altezza, temperatura, densità, contenuto in acqua liquida e la stratificazione del manto nevoso

• Utilizza, come dati in ingresso, unicamente osservazioni meteo giornaliere, ottenute da modelli meteorologici numerici e da stazioni di rilevamento fisse

• Peculiarità: capacità di simulare il metamorfismo della neve sia negli strati superficiali che in quelli profondi

SAFRAN

PARAMETRI METEOROLOGICI ORARI

CROCUS

Profili finali del manto nevoso

MÉPRA

Modellimeteorologici

Osservazionimeteorologiche

Osservazioni sullostato della neve

Osservazioni automatiche(satelliti, ecc.)

• Tipi di condizioni atmosferiche• Climatologia• Osservazioni caratteristiche

Profili iniziali del manto nevoso

Rischi finali

Schema di flusso dati della Schema di flusso dati della ““catenacatena”” SCM SCM

Esempio di applicazione del modello CROCUS

Confronto fra 10 anni(1981-1991) dimisurazioni di altezzadella neve misurate esimulate nellastazione sciistica diTignes nel massicciomontuoso dellaVanoise in Francia


• Svizzera, Davos: Istituto Federale per la Ricerca su Neve e Valanghe

Modello numerico SNOWPACK

Caratteristiche principali:

• Utilizza i dati meteorologici provenienti da numerose stazioni nivometeorologiche

• Traccia le proprietà micro-strutturali del manto nevoso utilizzando il gradiente di temperatura ed i processi di metamorfosi della neve

Il Modello Numerico SNOWPACKIl Modello Numerico SNOWPACK• Risolve numericamente le equazioni differenziali alle derivate parziali che governano massa, energia e conservazione della quantità di moto all’interno del manto nevoso utilizzando il metodo degli elementi finiti

• Peculiarità: utilizza un sistema di coordinate a formulazione “Lagrangiana” che, a differenza della formulazione“Euleriana”, nel tracciare i vari strati del manto nevoso, permette discontinuità nella densità degli strati (in pratica, un elemento finito può avere una densità diversa da un elemento adiacente)

Riesce a simulare tutta la complessità del mantonevoso naturale, strumento indispensabile per laprevisione del pericolo di valanghe

ESPERIMENTO MASMEX 2003 – Cherz (BL)

• Esperimento condotto sull’altipiano del Monte Cherz nei pressi di Arabba (BL)

• Obiettivo: studio del ciclo di scioglimento della neve e simulazione della dinamica del manto nevoso basandosi sulla combinazione di misure di tele-rilevamento a microonde con dati a terra e micrometeorologici

! Strumentazione utilizzata:

• Stazione meteorologica del Centro Valanghe di Arabba

• Stazione meteorologica dell’Università degli Studi di Brescia

• Radiometro a microonde multi-frequenza dell’IFAC-CNR di Firenze


Il luogo scelto per l’esperimentosul Monte Cherz nel Bacino delCordevole


Anemometro (Velocità del vento)

Anemoscopio (Direzione del vento)

Albedometro (Albedo)

Pannello solare per la ricarica dellebatterie di alimentazione della stazione

La strumentazione del Centro Valanghe di Arabba


La stazione meteorologica dell’Università degli Studi di Brescia

Radiometro netto

Sensori ditemperatura a - 67 cm - 51 cm - 32 cm - -5 cm

Termoigrometro


Il box contenente iradiometri operanti allediverse frequenze diproprietà dell’IFAC-CNRdi Firenze


Pannello di contrasto per evidenziare la rugosità della neve

ESPERIMENTO MASMEX 2003 – Cherz (BL)Il modello fisicamente basato e distribuito difusione del manto nevoso PDSM

• Sviluppato da Prof. Ranzi (1990) e da Ranzi e Rosso (1991, 1992,1994)L’equazione del bilancio energetico che descrive l’energia disponibileper la fusione della neve (Hm) è la seguente:

Hi + Hm = Hsn + Hln + Hs + Hl + Hg + Hp

dove:

Hi = grado di cambiamento nell’energia interna accumulata nella neveHsn = radiazione netta ad onda lungaHln = radiazione netta ad onda cortaHs = convezione dell’aria (energia sensibile)Hl = vapore di condensazione (energia latente)Hg = conduzione al suoloHp = calore di avvezione di precipitazione


Per descriverne loscioglimento, il mantonevoso nel modelloPDSM viene diviso in 2strati (uno superiore, dicirca 10 cm ed unoinferiore, fino al terreno)secondo lo schema:


Rilievi con sonda IFAC Rilievi con Snow Fork


Esempio di scheda nivometrica con riportato il profilo del manto nevoso

Data eora

Altezzaneve (cm)

Equivalentein acquacalcolato

Densitàmedia del

mantonevoso

Equivalentein acqua diun singolo

strato

Densitàmisurata diun singolo

strato



130

150

170

190

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230

250

270

290

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2/03

10/0

2/03

17/0

2/03

24/0

2/03

03/0

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10/0

3/03

17/0

3/03

24/0

3/03

31/0

3/03

07/0

4/03

14/0

4/03

21/0

4/03

28/0

4/03

05/0

5/03

12/0

5/03

19/0

5/03

Data

Tem

per

atu

ra d

i b

rill

an

za [

K].

Tv 6.8 GHz Th 6.8 GHz Tv 19 GHz Th 19 GHz Tv 37 Ghz Th 37 GHz

Misurazioni a microonde


Misurazioni a microonde

-10

-5

0

5

10

15

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25

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03/0

2/0

3

10/0

2/0

3

17/0

2/0

3

24/0

2/0

3

03/0

3/0

3

10/0

3/0

3

17/0

3/0

3

24/0

3/0

3

31/0

3/0

3

07/0

4/0

3

14/0

4/0

3

21/0

4/0

3

28/0

4/0

3

05/0

5/0

3

12/0

5/0

3

19/0

5/0

3

Data

Tem

peratu

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oC

]

Tir T 20 T 40

-20

-15

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-5

0

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5/20

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19/0

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03

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8/20

03

07/0

9/20

03

02/1

0/20

03

Data

Tem

per

atu

ra a

ria

[°C

]

Temperatura ARPAV Temperatura UNIBS


Misurazioni nivometeorologiche

0

10

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40

50

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90

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30/1

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002

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1/2

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18/0

2/2

003

15/0

3/2

003

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5/2

003

29/0

5/2

003

23/0

6/2

003

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7/2

003

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8/2

003

06/0

9/2

003

01/1

0/2

003

Data

Um

idit

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%]

Umidità ARPAV Umidità aria UNIBS





0358

10131518202325283033353840

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3/20

03

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03

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08/0

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03

02/0

7/20

03

26/0

7/20

03

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9/20

03

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03

Data

Pre

cip

ita

zio

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[mm

]

0

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300

450

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Pre

cip

ita

zio

ni

cum

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te [

mm

]

Precipitazioni UNIBS Precipitazioni cumulate

Piogge Pordoi cumulate Precipitazioni cumulate Arabba



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0

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200

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09/05/2003

24/05/2003

08/06/2003

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08/07/2003

23/07/2003

Data

Ra

dia

zio

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ett

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W/m

2]

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0

50

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22/05/2003

Data

Flu

sso t

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UN

I B

S)

[W/m

2]




Simulazioni con il Modello PDSM

0

200

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1/20

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01/0

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03

31/0

5/20

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03

30/0

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03

29/0

8/20

03

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9/20

03

Date

Ra

dia

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[W

/m2]

0.0

0.2

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edo

[-]

Rad riflessa ALBEDO Albedo medio in 24 h



-200

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12/05/20

03

22/05/20

03

Data

Ra

dia

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ne

ne

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(W

/m2)

Radiazione netta (UNI BS)

Rnet Simulata

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1/2/03 11/2/03 21/2/03 3/3/03 13/3/03 23/3/03 2/4/03 12/4/03 22/4/03 2/5/03 12/5/03 22/5/03

Date

Wate

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(mm

)

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Wequi Weq measured Snowfall





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0

1/3/03 8/3/03 15/3/03 22/3/03 29/3/03 Date

Sn

ow

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(°C

)

Tspck Upper 0.1 m layer Lower layer T0.1 T0.1 ARPAV T Lower ARPAV



0

1

2

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1/2/

03

6/2/

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LWC Upper 0.1 m layer LWC lower layer LWC upper layer LWC lower layer Snow depth



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0.1

0.2

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1-1 11-1 21-1 31-1 10-2 20-2 2-3 12-3 22-3 1-4 11-4 21-4 1-5 11-5 21-5

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Snowfall

Hn simulated

Hn measured

Rainfall-Sublimation

ConclusioniConclusioni

• Le stazioni nivometeorologiche sono una base insostituibile per la raccolta dei dati, ma a causa della loro rarità di diffusione non si hanno informazioni sufficienti sulle zone maggiormente a rischio di valanghe

• I dati sul profilo del manto nevoso, il contenuto in acqua, la densità degli strati superiore ed inferiore, temperature dei vari strati e l’equivalente in acqua sono essenziali per la valutazione della stabilità della neve e per il calcolo delle disponibilità idriche dei bacini nivologici

• L’Esperimento MASMEX 2003 costituisce una conferma dell’utilità di un approccio combinato al monitoraggio del manto nevoso e delsuo metamorfismo utilizzando rilievi in siti, simulazioni con un modello idrologico e con monitoraggio a microonde

ConclusioniConclusioni

• L’analisi dei risultati ottenuti ha rilevato un’alta sensibilità dei sensori a microonde nell’individuare i cicli disgelo della neve evidenziando come la temperatura di brillanza dipenda, soprattutto, dalla temperatura della neve e risulti proporzionale al contenuto in acqua

• Va segnalata l’importante apporto dato dai dati micrometeorologici che aggiungono preziose informazioni e permettono di verificare la validità delle simulazioni numeriche e delle misure a microonde

• L’Esperimento MASMEX 2003 ha confermato l’affidabilità deimodelli matematici, in particolare del modello PDSM, dimostrandocome essi, con le giuste calibrazioni dei parametri principali, sianouno strumento fondamentale per le previsioni sull’evoluzione delmanto nevoso e per la valutazione delle possibili modifiche dei regimiidrometrici e sulla producibilità idroelettrica dei serbatoi montani

Monitoraggio a microonde eMonitoraggio a microonde esimulazione della dinamica delsimulazione della dinamica del

manto nevosomanto nevosoRelatore:Relatore:

Prof. Prof. IngIng. Roberto . Roberto RanziRanzi

Laureando:Laureando:Gian Luca Gian Luca GhirardiGhirardiMatricola n. 020390Matricola n. 020390

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