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Marra, Francesco (2013) Procedura integrata di analisi e correzione delle osservazioni radar per la stima di precipitazioni intense in ambiente alpino. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

The availability of weather radar precipitation estimations is increasing the knowledge of rainfall systems on spatial and temporal scales that cannot be reached by rain gauge networks; consequently the approach to hydrological and geomorphological modeling is changing from concentrated catchment scale modeling - the only available for operational purposes when rainfal is estimated with rain gauges - to spatially distributed modeling. The use of weather radar in hydrology responds to the need for a description of rainfall spatial distribution integrated over the desired time scale and available on operational areas, a problem that will never be solved using only rain gauges. Nevertheless we have to mention that weather radar based measurements suffer from several sources of uncertainty. Microphysical assumptions are needed to convert reflected power measurements into rain rate and a number of errors, depending both on the instrument and on the rainfall system, decrease raw measurements quality. Despite the scientific and technological development of the last decades, radar quantitative precipitation estimation is still a scientific challenge and new elaboration procedures are needed for operational purposes (Panziera et al., 2011).
The objective of the present research is to improve radar quantitative precipitation estimations for intense rainfall events in alpine regions and, in this way, fill the uncertainties concerning hydro-geological and debris-flows risk evaluation and forecasting that depend on the reliability of radar measurements (Berne e Krajewski, 2012; Chen et al., 2013). Heavy hydrometeorological events are often the most interesting for radar hydrometeorology because i) they are difficult to capture with other instruments (Borga et al., 2000, 2008).
The work is organized into three themes: i) development of a re-analysis procedure for intense events, ii) characterization of the rainfall fields and analysis of rain gauge sampling for the same events and iii) improvement of the real-time elaboration routine. The study area is Trentino-Alto Adige that it is characterized by alpine topography and climatology where intense summer storms often lead to flash floods and debris flows.
The elaboration procedure is focused on intense events re-analyses. The correction chain takes into account the effects of multiple uncertainties and uses physical-based algorithms for the correction of the effects due to i) wet radome attenuation (Marra et al., 2010), ii) beam blockage (Delrieu e Creutin, 1995), iii) attenuation (Delrieu et al., 1997, 1999a,b, 2000; Serrar et al., 2000) and iv) vertical profile of reflectivity (Andrieu e Creutin, 1995a,b). We re-analyzed 7 storm events and we quantified the quality of rainfall estimations by means of statistical indicators. We quantified the effect of the procedure and the contribution of every correction algorithm to the overall performance. Attenuation contributes with more than 50% in the improvement of intense rainfall estimations; nevertheless none of the other corrections can be neglected. The drawback of this algorithm is that it is still not reliable for real-time applications.
Debris flows represent an important hydrogeological risk for mountainous regions; several causes contribute in triggering debris flows but strong short storms are one of the most important for this region (Caine, 1980; Guzzetti et al., 2008). We studied the rainfall fields of some storm events that triggered debris flows and measured their dimensional scales and the height distribution. We also quantified the local severity of the precipitation fields over the debris-flows triggering areas and we analyzed the rain gauge sampling of such events. In this way we show that rain gauges sistematically underestimate rainfall severity over the triggering points; this is caused by two main problems: i) the average inter-distance between raingauges is larger than the typical event scale; ii) rain gauges are usually located at altitudes lower than the orographic enhanced precipitation peaks.
We improved the real-time elaboration procedure using the knowledge obtained during re-analysis and we implemented the wet radome attenuation correction algorithm. We quantified the performance of the operational procedure revealing important uncertainties in the estimation of convective rainfall. We developed a new algorithm that distinguishes stratiform and convective precipitation and applies the appropriate procedure. We quantified the performance of the new operational product over a 4 months study period obtaining statistical indicators showing that the new procedure performs better than the present one both for stratiform and convective events. An automatic real-time correction for attenuation represents an open challenge. In presence of intense hydrometeorological events the availability of real-time reliable radar quantitative precipitation estimations will improve the hydro-geologic risk prevenction and mitigation techniques.

Abstract (italiano)

L'avvento delle stime radar di precipitazione ha permesso, negli ultimi decenni, di estendere la conoscenza dei processi di pioggia a scale spaziali e temporali altrimenti inaccessibili sulla sola scorta delle misure da reti di pluviometri; l'approccio alla modellazione dei sistemi idrologici e geomorfici è modificato in profondità e la nozione di modellazione spazialmente distribuita sta sostituendo quella di modellazione concentrata a scala di bacino, la sola realmente disponibile nelle situazioni operative allorché l'afflusso meteorico è stimato sulla base di strumenti puntuali al suolo. L'utilizzazione del radar meteorologico risponde, in idrologia, alla necessità di rendere disponibile una descrizione della distribuzione spaziale della precipitazione che sia integrata su intervalli temporali di risoluzione adeguati agli scopi prefissati e disponibile sulle ampie scale spaziali necessarie per le utilizzazioni operative-un problema destinato a rimanere irrisolto sulla base delle misure ottenute dalle tradizionali reti di pluviometri. È tuttavia necessario riconoscere che le stime radar di pioggia sono affette da numerose sorgenti di incertezza. Assunzioni di tipo microfisico sono necessarie per la conversione della potenza riflessa in intensità di precipitazione e numerosi errori, dipendenti sia dallo strumento che dall'evento osservato, concorrono a deperire la qualità delle misure grezze. Nonostante i progressi scientifici e tecnologici degli ultimi decenni, la stima quantitativa di precipitazione da radar è un campo di ricerca aperto, e nuove procedure di elaborazione sono necessarie sia per scopi di ricerca che per applicazioni operative in tempo reale (Panziera et al., 2011).
Lo scopo di questa ricerca è il miglioramento delle stime quantitative di precipitazione da radar meteorologico per eventi idrometeorologici intensi in ambiente alpino, e colmare, in tal modo, le incertezze relative alla valutazione e alla previsione del rischio idro-geologico e dell'innesco di colate detritiche che sono collegate alla scarsa attendibilità delle misure radar (Berne e Krajewski, 2012; Chen et al., 2013). Gli eventi più intensi dal punto di vista idrometeorologico sono spesso anche i più interessanti per la radar-idrometeorologia dal momento che il loro monitoraggio è difficilmente conseguibile tramite altri strumenti (Borga et al., 2000, 2008).
Il lavoro è organizzato su tre temi: i) lo sviluppo di una procedura di ri-analisi radar per eventi intensi, ii) la ricostruzione dei campi di precipitazione e l'analisi del campionamento pluviometrico dei medesimi eventi e iii) il miglioramento della catena di elaborazione in tempo reale. Lo studio si concentra sulla regione del Trentino-Alto Adige, caratterizzata da topografia e climatologia tipicamente alpine e dove in estate sono frequenti nubifragi molto intensi che possono dar luogo a piene improvvise e colate detritiche.
La procedura di elaborazione e correzione delle misure radar è orientata, in particolare, alla ri-analisi di eventi intensi. La catena di correzione è strutturata in modo da tener conto degli effetti di errori multipli e utilizza algoritmi di correzione fisicamente basati in grado di correggere gli effetti dovuti a i) attenuazione da radome bagnato (Marra et al., 2010), ii) occlusione parziale del fascio (Delrieu e Creutin, 1995), iii) attenuazione del segnale (Delrieu et al., 1997, 1999a,b, 2000; Serrar et al., 2000) e iv) eterogeneità del profilo verticale (Andrieu e Creutin, 1995a,b). Abbiamo ri-analizzato 7 eventi significativi e quantificato la qualità delle stime tramite confronti con le misure al suolo per mezzo di appositi indicatori statistici. Abbiamo, infine, stimato l'effetto della procedura di elaborazione e valutato il contributo delle singole correzioni alla performance complessiva. Per eventi convettivi intensi la correzione per attenuazione contribuisce per oltre il 50% al miglioramento della stima; nonostante ciò nessuna delle altre correzioni si rivela trascurabile. Attualmente, però, l'algoritmo di correzione per attenuazione non è automatizzabile in modo stabile, di conseguenza non è utilizzabile in tempo reale.
Le colate detritiche rappresentano una delle principali sorgenti di pericolosità idrogeologica del territorio montano. Il loro accadimento è condizionato da numerosi fattori, fra cui uno dei più importanti è rappresentato, nel territorio in esame, dal verificarsi di precipitazioni brevi ed intese (Caine, 1980; Guzzetti et al., 2008). Abbiamo studiato i campi di precipitazione relativi ad eventi durante i quali sono state innescate colate detritiche e quantificato le scale di variazione dimensionale e la distribuzione in quota della precipitazione. Abbiamo, quindi, stimato la severità locale dei campi di precipitazione in corrispondenza dei bacini di innesco e abbiamo così potuto analizzare il campionamento pluviometrico di tali eventi. Abbiamo così potuto rilevare come l'uso della rete pluviometrica porti ad una sottostima sistematica della severità della precipitazione sui punti di colata, principalmente a causa di due fattori: i) la distanza media tra le stazioni è maggiore della scala dimensionale tipica degli eventi; ii) le stazioni si trovano mediamente a quote inferiori rispetto ai picchi di precipitazione arricchiti dall'orografia.
Abbiamo infine applicato le conoscenze acquisite in fase di ri-analisi al miglioramento della procedura di elaborazione in tempo reale implementando l'algoritmo di correzione per radome bagnato e quantificando le performance della catena di elaborazione attualmente operativa; abbiamo, così, rilevato incertezze nella misura di eventi convettivi. Abbiamo sviluppato un algoritmo in grado di distinguere in tempo reale tra precipitazione stratiforme e convettiva e di utilizzare la procedura più appropriata. Il nuovo prodotto operativo è stato validato tramite confronto con le misure al suolo per un periodo di studio di 4 mesi ottenendo indicatori statistici migliori rispetto al prodotto operativo attuale sia per precipitazione stratiforme che convettiva. Lo sviluppo di una procedura di correzione per attenuazione automatizzabile e sfruttabile in tempo reale resta, però, un problema aperto. In presenza di fenomeni idrometeorologici intensi, infatti, la possibilità di avere a disposizione stime di precipitazione quantitativamente attendibili alla risoluzione di lavoro del radar darebbe un nuovo impulso alle tecniche di monitoraggio delle aree a rischio e alla prevenzione del rischio idro-geologico.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Borga, Marco
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 25 > Scuole 25 > TERRITORIO, AMBIENTE, RISORSE E SALUTE > IDRONOMIA AMBIENTALE
Data di deposito della tesi:28 Gennaio 2013
Anno di Pubblicazione:28 Gennaio 2013
Parole chiave (italiano / inglese):weather radar, correction algorithm, wet radome, attenuation, beam blockage, VPR, hydrology, debris-flow triggering, radar meteorologico, radome bagnato, attenuazione, occlusione, PVR, algoritmi di correzione, idrologia, innesco colate detritiche
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 07 - Scienze agrarie e veterinarie > AGR/08 Idraulica agraria e sistemazioni idraulico-forestali
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento Territorio e Sistemi Agro-Forestali
Codice ID:5620
Depositato il:15 Ott 2013 12:06
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Bibliografia

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