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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)
Modelli numerici per la simulazioneModelli numerici per la simulazionedella struttura del manto nevosodella struttura del manto nevoso
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
Modelli numerici per la simulazioneModelli numerici per la simulazionedella struttura del manto nevosodella struttura del manto nevoso
• 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
ESPERIMENTO MASMEX 2003 – Cherz (BL)
Il luogo scelto per l’esperimentosul Monte Cherz nel Bacino delCordevole
ESPERIMENTO MASMEX 2003 – Cherz (BL)
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
ESPERIMENTO MASMEX 2003 – Cherz (BL)
La stazione meteorologica dell’Università degli Studi di Brescia
Radiometro netto
Sensori ditemperatura a - 67 cm - 51 cm - 32 cm - -5 cm
Termoigrometro
ESPERIMENTO MASMEX 2003 – Cherz (BL)
Il box contenente iradiometri operanti allediverse frequenze diproprietà dell’IFAC-CNRdi Firenze
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
ESPERIMENTO MASMEX 2003 – Cherz (BL)
Per descriverne loscioglimento, il mantonevoso nel modelloPDSM viene diviso in 2strati (uno superiore, dicirca 10 cm ed unoinferiore, fino al terreno)secondo lo schema:
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
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strato
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Precipitazioni UNIBS Precipitazioni cumulate
Piogge Pordoi cumulate Precipitazioni cumulate Arabba
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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
UniversitUniversitàà degli Studi di Brescia degli Studi di Brescia –– Facolt Facoltàà di Ingegneria di IngegneriaDipartimento di Ingegneria CivileDipartimento di Ingegneria Civile