a cura di M. Crespi, P. Giaretta, M. Monai - ARPA Veneto
Tratto da "Confronto fra misure di precipitazione in remoto e a terra" - Dipartimento per l'Agrometeorologia, Centro Sperimentale per l'Idrologia e la Meteorologia; Teolo (Padova), 1991
1. Introduzione
La misura dell'intensità di precipitazione su un'ampia area è uno dei prodotti di maggior interesse di un sistema radar meteorologico. Tale misura, in particolari situazioni meteorologiche, o in determinati ambiti territoriali, può essere soggetta ad errori anche notevoli. In queste situazioni si rivela utile un'interconnessione tra la misura in remote sensing e quella in situ. Il primo passo per la calibrazione del radar meteorologico è la comparazione tra la stima di pioggia fornita dal radar e la corrispondente quantità di precipitazione misurata dal pluviometro.
2. Riflettività e intensità di precipitazione
La rilevazione della precipitazione atmosferica a mezzo di osservazioni radar avviene secondo le seguenti modalità: un impulso elettromagnetico di opportuna lunghezza d'onda, altamente focalizzato, viene emesso nella direzione della precipitazione da rilevare; l'interazione di tale impulso con le meteore costituenti la precipitazione provoca la diffusione verso il radar di una seppur piccola frazione dell'energia trasportata dall'impulso (eco). L'entità di tale frazione è legata al valore di una particolare grandezza caratterizzante la precipitazione che genera l'eco: la riflettività.
Il radar meteorologico della Regione Veneto - Dipartimento per l'Agrometeorologia
La riflettività (Z) non dipende direttamente dall'intensità di precipitazione (R) bensì dal numero di meteore presenti, dalla distribuzione D dei loro diametri e dallo stato fisico dell'acqua che le compone; a diversi valori di R possono dunque corrispondere medesimi valori per Z. In effetti la trasformazione Z->R non è immediata, poichè tramite un'osservazione di tipo remote sensing è difficile ottenere informazioni sullo stato fisico in cui si trova l'acqua componente le meteore o sulla distribuzione D dei loro diametri.
Esiste una relazione empirica tra l'intensità di precipitazione (R) in una porzione di atmosfera indagata dal radar ed il corrispondente valore di riflettività (Z), ossia la capacità di riflettere l'impulso radar, che viene a caratterizzare la stessa porzione di atmosfera. Tale relazione, presentata nella formula
Z = aR^b
risulta definita dopo aver assegnato valori opportuni ai due parametri a e b. La loro scelta è funzione del tipo di precipitazione misurata con particolare riferimento alle dimensioni delle meteore ed allo stato liquido-ghiacciato dell'acqua che lo compone. Soprattutto il parametro a risente delle variazioni delle suddette caratteristiche. Valori tipici di a e b, relativi a diversi tipi di precipitazione, sono riportati nella seguente tabella.
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Tipo di precipitazione
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a
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b
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Pioviggine
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50
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1.6
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Pioggia
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200
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1.6
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Rovescio
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800
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1.6
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Neve asciutta
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800
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1.6
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Neve bagnata
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430
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2.0
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Valori dei parametri a e b della relazione Z=aR^b
Le unità di misura di Z e R sono rispettivamente mm^6 m^3 (dB) e mm/h.
Un'altra importante osservazione è che il radar analizza la precipitazione al di sopra del suolo (anche molte centinaia di metri specie per lunghi range); di conseguenza i valori dedotti per R non sono necessariamente buoni indicatori dei valori di intensità di precipitazione al suolo Rs.
Il passaggio da Z a Rs è dunque complesso. Un test tipico per giudicare l'attendibilità di R ottenuta tramite una particolare coppia di coefficienti a e b è il calcolo degli "assessment factors (AF)" : vengono definiti come il rapporto tra le quantità di precipitazione caduta su di un'area comprendente il pluviometro durante un intervallo temporale, e valutate a partire dai dati radar, e le misure fornite dal pluviometro stesso.
Uno studio statisticamente significativo degli AF deve essere eseguito su di un grande numero di eventi di precipitazione, basandosi su dati radar e dati pluviometrici archiviati. Per le varie stazioni pluviometriche si potrà studiare l'andamento degli AF in relazione ai diversi tipi di condizioni meteorologiche che danno origine alla precipitazione (cui si possono far corrispondere diverse distribuzioni D) e diversi stati liquido/ghiacciato delle meteore.
Il principio su cui è basata la misura dell'intensità di precipitazione da parte di un sistema radar è quello di stabilire una relazione tra l'intensità dell'eco dell'impulso elettromagnetico inviato dal radar e la densità di meteore presente nell'atmosfera.
3. Errori nella stima delle precipitazioni tramite radar
La porzione dell'atmosfera interessata dalle misure radar si trova ad una certa altezza dal suolo. E' naturale quindi che l'intensità di precipitazione stimata dal radar possa differire dall'intensità di precipitazione presente al suolo. Proprio quest'ultima grandezza è di particolare interesse nella maggior parte delle applicazioni. Diversi fenomeni possono generare una differenziazione tra l'intensità di precipitazione (R) presente al livello atmosferico coperto dal fascio radar e l'intensità di precipitazione al suolo (Rs). Per stimare correttamente Rs è quindi necessaria un'opportuna correzione dei dati radar.
Nel seguito verranno esaminati i principali fattori di errore nella stima dell'intensità di precipitazione da parte del radar meteorologico.
1) Precipitazioni presenti al di sotto del fascio radar: questi fenomeni causano una sottostima di Rs, poichè le precipitazioni non passano attraverso il fascio radar e quindi non possono venire rilevate.
2) Evaporazione al di sotto del fascio radar: fenomeno opposto al precedente; è causato dalla presenza di masse d'aria particolarmente secche che le meteore incontrano durante la loro caduta. Le precipitazioni sono quindi soggette ad evaporazione e la loro intensità diminuisce al calare della quota. Per queste condizioni il radar sovrastima Rs.
3) Effetti orografici di innalzamento di Rs: l'aria umida in moto attraverso una catena montuosa è costretta a risalire un pendio trasversale alla direzione del moto; il sollevamento forzato può dar luogo a fenomeni di condensazione e di precipitazione, che se avvengono al di sotto del fascio radar non possono venire rilevati: anche in queste condizioni il radar meteorologico sottostima l'intensità di precipitazione al suolo (Rs).
4) Propagazione anomala: nel caso di condizioni atmosferiche caratterizzate da una certa stabilità si verifica frequentemente il fenomeno dell'inversione termica; la distribuzione della temperatura dell'aria in funzione dell'altezza è tale da determinare valori termici in aumento fino ad una certa quota; successivamente la temperatura diminuisce. Tale andamento verticale di temperatura, cui è associato un accumulo di umidità al di sotto dell'inversione, determina una particolare distribuzione del valore dell'indice di rifrazione atmosferico. Il fascio radar, di conseguenza, subisce una propagazione non rettilinea (cosiddetta anomala), venendo deviato verso il terreno. In tal caso il radar registra echi dovuti a riflessioni sul terreno e non a precipitazioni. L'interpretazione errata di tali echi porterebbe a ritenere presente precipitazioni in aree non interessate dal fenomeno.
5) Instabilità nel funzionamento del sistema radar: può causare variazioni nel tempo dell'intensità dell'impulso radar. Ad esempio, l'instabilità dell'apparato di amplificazione del segnale può portare a stime diverse dell'intensità dell'eco ricevuta. A parità di condizioni meteorologiche si potrebbero notare stime di riflettività leggermente fluttuanti al variare del tempo. E' dunque importante valutare in tempo reale quali sono le differenze tra le stime dell'intensità di precipitazione ottenute dal radar e la quantità di pioggia effettivamente caduta al livello del suolo. Ciò per poter correggere in tempo reale le misure radar. Il complesso di procedure di correzione in tempo reale è denominato "calibrazione del radar".
La stima dell'intensità di precipitazione al suolo è data dai pluviometri: in quest'ottica la rete di pluviometri diventa uno strumento indispensabile per la calibrazione del radar. In effetti un sistema integrato pluviometri-radar meteorologico offre migliorie rispetto alla sola rete a terra. Il radar analizza le intensità di precipitazione associate a superfici di territorio quadrate (pixel) con lati contigui di lunghezza di 1 km e 2 km, in dipendenza della modalità d'uso con cui viene utilizzato: la distribuzione spaziale di Rs viene dunque stimata con una risoluzione enormemente superiore a quella possibile usando i pluviometri.
4. Acquisizione e presentazione dei dati radar
Il radar della Regione Veneto è un sistema con diverse modalità di funzionamento; per quanto attiene la misura di intensità di precipitazione può operare in modalità normale e doppler. I dati primari forniti dal radar dopo uno scan dell'atmosfera costituiscono il cosiddetto "volume polare". I valori di riflettività o le altre grandezze sono misurati utilizzando un insieme continuo di alzi e rivoluzioni dell'antenna.
In modalità normale il volume polare riporta dati di riflettività, mentre in modalità doppler vengono raccolte informazioni di riflettività, turbolenza e componente radiale della velocità del vento rispetto al radar. Quest'ultima grandezza viene calcolata in base alla variazione in frequenza tra l'impulso emesso dal radar e l'eco corrispondente; da ciò si può desumere la velocità delle meteore che generano l'eco e conseguentemente la velocità del vento.
I volumi polari vengono inviati dal radar ad un calcolatore; sullo stesso computer è attivo un pacchetto software che controlla il radar in remoto e gestisce i dati rilevati. Questo software attiva una procedura di conversione dei volumi polari in volumi rettangolari. Si tratta di una riorganizzazione dei dati di un volume polare, corrispondente a diversi alzi dell'antenna, in un volume cartesiano relativo a diversi livelli dell'atmosfera.
Tali livelli vengono denominati CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator); ogni CAPPI è suddiviso in una serie di pixel quadrati ai quali è attribuito un valore di riflettività. Ad una particolare superficie di territorio può essere abbinata, quindi, un'intensità di precipitazione desunta dal valore di riflettività. I volumi rettangolari raccolti sono composti da 11 CAPPI di diversa altezza, a partire dalla quota di 500 metri al di sopra del radar, con incrementi di 1 km per i CAPPI successivi. La dimensione di un CAPPI è di 120 km x 120 km e 240 km x 240 km, rispetivamente per le modalità doppler e normale. La dimensione dei pixel in modalità normale è di 2 km x 2 km, in modalità doppler 1 km x 1 km.
Nel caso di precipitazioni che avvengono lontano dal radar è consigliabile privilegiare dati provenienti da CAPPI diversi da quello più basso poichè il fascio radar può risultare schermato dai rilievi alpini e prealpini: l'occlusione del fascio radar porta a una sottovalutazione dell'intensità di precipitazione.