Measuring Precipitation

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It describes the main precipitation measurements tools (by Matteo Tancon under my supervision)

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Measuring Precipitation

  1. 1. Misure di Precipitazione Matteo Tancon Università degli Studi di TrentoMatteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 1 / 20
  2. 2. Le precipitazioniPer precipitazione si intende l’acqua che abbandona l’atmosfera e cade alsuolo.Si può distinguere in: liquida (pioggia, rugiada) Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 2 / 20
  3. 3. Le precipitazioniPer precipitazione si intende l’acqua che abbandona l’atmosfera e cade alsuolo.Si può distinguere in: liquida (pioggia, rugiada) solida (neve, grandine, brina) Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 2 / 20
  4. 4. Perchè misurare le precipitazioni Prevenire disagi dovuti a piene ed alluvioniMatteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 3 / 20
  5. 5. Perchè misurare le precipitazioni Prevenire disagi dovuti a piene ed alluvioni Costruire modelli idrologiciMatteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 3 / 20
  6. 6. Perchè misurare le precipitazioni Prevenire disagi dovuti a piene ed alluvioni Costruire modelli idrologici Definire il clima di una certa zonaMatteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 3 / 20
  7. 7. Perchè misurare le precipitazioni Prevenire disagi dovuti a piene ed alluvioni Costruire modelli idrologici Definire il clima di una certa zona Fare i bilanci di massa ed energia in una certa zonaMatteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 3 / 20
  8. 8. Cosa misurare Quantità di precipitazione (in mm di acqua per m2 ), corrisponde quindi a un volumeMatteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 4 / 20
  9. 9. Cosa misurare Quantità di precipitazione (in mm di acqua per m2 ), corrisponde quindi a un volume Intensità di precipitazione (è la quantità di precipitazione per unità di tempo), rappresenta perciò una portata d’acquaMatteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 4 / 20
  10. 10. Misura delle precipitazioniPrincipi fisici per misurare la precipitazione catching instrument. Misurano il peso o il volume di pioggia. Non catching instrument. Sfruttano proprietà delle onde elettromagnetiche oppure effettuano misure di impatto. Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 5 / 20
  11. 11. Catching Instruments Misure di livelloL’acqua viene raccolta in un tubo di diametro noto, attraverso la misuradell’altezza del livello dell’acqua nel tubo si ricava direttamente il volumedell’acqua raccolta. La determinazione del livello è effettuata tramitemisure di conduttività, misure di distanza acustiche o da un galleggiante. Illivello si può misurare con qualsiasi risoluzione temporale desiderata. Larisoluzione delle misure è in genere tra 0.01 mm e 0.1 mm in un minuto,che comporta una risoluzione di intensità tra 0.6 e 6 mm/h. Quando ilcontenitore è pieno l’acqua può essere sifonata, garantendo lacontinuazione della misura senza interventi di tipo manuale. A causa delprocesso di sifonamento la misura si può interrompere per circa 1 min e idati mancanti vengono ricavati per interpolazione. Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 6 / 20
  12. 12. Catching InstrumentsPluviometri a bascula Una bilancia a bracci uguali con L’intensità di precipitazione viene due contenitori in metallo o in misurata contando i ribaltamenti plastica misura l’acqua entrata. ogni 10 secondi e mediando poi su Quando un contenitore è pieno il un intervallo più lungo (1 min per suo centro di massa è esterno al buone precisioni). fulcro e la bilancia si inclina, scarica l’acqua raccolta e porta l’altro contenitore nella posizione di raccolta. L’uscita dell’acqua costituisce la chiusura di un contatto (interruttore di lettura), il rovesciamento della bilancia produce un impulso elettrico che costituisce il segnale di output che deve essere registrato da un data-logger o da un convertitore analogico-digitale.Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 7 / 20
  13. 13. Catching Instruments Pluviometri a basculaPossibili errori incertezza del peso dell’acqua nella bascula quando il suo movimento è gia iniziato (diminuisce se aumenta l’intensità) il non perfetto equilibrio della bilancia lentezza dello scarico dovuto all’inerzia della bilancia la perdita d’acqua durante il movimento di scaricamento della bascula per ragioni meccaniche tempi di risposta lunghi per basse intensità (anche fino a 5 min) Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 8 / 20
  14. 14. Catching Instruments Pluviometri a basculaCorrezioniLa sottostima ad elevate intensità di precipitazione può arrivare al 15%.Sono necessarie quindi delle correzioni che possono essere: software che implementano sui dati una correzione che dipende dall’intensità di precipitazione, migliora l’incertezza del 2% in condizioni di laboratorio. extra impulsi che vengono aggiunti alle misure in proporzione all’intensità compensazione meccanica attraverso l’utilizzo di deflettori che rovesciano la bascula prima che questa sia totalmente piena.É necessario calibrare lo strumento in laboratorio facendo passare un flussonoto costante nel tempo attraverso lo strumento.Questi strumenti presentano una risoluzione che va da 0.1 a 1 mm diprecipitazione, corrispondenti a 6-60 mm/h di intensità di precipitazione. Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 9 / 20
  15. 15. Catching Instruments Misure di pesoPluviometri a pesoLa precipitazione viene raccolta e continuamente pesata. Questo tipo dimisure non utilizza nessuna parte meccanica in movimento nel meccanismodi pesata, ci sono solamente delle deformazioni elastiche. Perciò il degradomeccanico e il conseguente bi- sogno di manutenzione vienesignificativamente ridotto. L’intensità di precipitazione viene calcolataattraverso la differenza di 2 o più misure consecutive di peso. Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 10 / 20
  16. 16. Catching Instruments Misure di peso viene minimizzato l’errore di sottostima dovuto all’evaporazione il meccanismo di pesata è sensibile alla temperatura la misura è influenzata dal vento che può indurre dei falsi segnali di precipitazione attraverso pressioni indotte l’impatto delle gocce genera un rumore nella misura che deve essere filtrato tempi di risposta nell’ordine della decina di secondiGli strumenti che misurano il peso hanno mostrato in laboratorio unincertezza nelle misure (a flusso costante) del 5% per intensità superiori a 2mm/h e del 2% per intensità superiori a 10 mm/h. La risoluzione dellemisure va da 0,001 a 0,1 mm che corrispondono a 0.06 - 6 mm/h diintensità. Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 11 / 20
  17. 17. Catching Instruments Misure di precipitazione solidaSono stati confrontati i pluviometri a bascula con i pluviometri chemisurano il peso.Pluviometri a basculaLa neve (o grandine) deve essere sciolta per poter essere misurata, tutto lostrumento deve quindi essere riscaldato, con conseguente perdita di acquaper evaporazione. Le nevicate più deboli non vengono registrate e i tempidi risposta sono elevati.Pluviometri a pesoLa neve viene pesata senza essere sciolta, solo il bordo del collettore vieneriscaldato per evitare accumuli. La perdita per evaporazione è quasi nulla ei tempi di risposta sono piuttosto bassi. Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 12 / 20
  18. 18. Catching Instruments Misure di precipitazione solidaConclusioni i pluviometri a bascula misurano circa il 20% della precipitazione in meno rispetto alle misure di peso il vento può indurre errori fino al 10% a causa del basso peso specifico della neve il ritardo di risposta degli strumenti a bascula dovuto all’evaporazione è dell’ordine dei 10 min Differenza delle parti riscaldate tra un misuratore di peso (a sinistra) e un pluviometro a bascula. Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 13 / 20
  19. 19. Non catching instrumentsQuesti strumenti sono usati principalmente per osservazioni in tempo realedelle grandezze meteorologiche. Richiedono poca manutenzione delleapparecchiature e pochi controlli periodici. Alcuni strumenti distinguono iltipo di precipitazione (liquida o solida).Molti di questi strumenti fornisconodei dati di output che contengono parametri diagnostici utili per il controllodella qualità dei dati. Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 14 / 20
  20. 20. Non catching instrumentsDisdrometri otticiQuesti strumenti utilizzano uno o 2 raggi sottili di luce laser per rilevare leparticelle che lo attraversano. Ogni particella che attravarsa il fascio riducel’in- tensità della luce trasmessa in modo proporzionale al suo diametro.L’intensità di precipitazione può essere calcolata direttamente attraversol’integrazione sul volume delle particelle rilevate e su un periodo di tempoche va da 15 sec a 1 min. La risoluzione delle misure di intensità è ingenere di 0.001-0.005 mm/h. Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 15 / 20
  21. 21. Non catching instrumentsErrori del disdrometro ottico gocce coincidenti, rilevate come una goccia più larga ⇒ sovrastima del volume precipitato; si applica una correzione statistica gocce che colpiscono il bordo del diffusore della luce, vengono interpretate come piccole particelle che in certi casi non vengono rilevate Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 16 / 20
  22. 22. Non catching instrumentsDidrometri a impattoUna membrana plastica o metallica agisce da superficie di misura sensibileall’impatto delle singole particelle di precipitazione. Il movimentomeccanico della membrana genera onde elastiche sul piatto del sensore esul sensore piezoelettrico: gli stress meccanici sono convertiti in segnalielettrici proporzionali alla dimensione delle particelle. Altri sistemi rilevanol’ampiezza e analizzano lo spettro delle frequenze generato dalle particelleche colpiscono la membrana determinando il numero a le dimensioni dellegocce. Il segnale di output è in genere convertito in precipitazionecumulata. L’integrazione di questo parametro permette di ricavarel’intensità . Tecniche di filtrazione si usano per pulire il segnale dai segnalinon provenienti dalle gocce di pioggia. Non sono in grado di misuraregocce di diametro inferiore a 0.3 mm, inoltre i fiocchi di neve chepresentano bassa densità possono non essere rilevati. Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 17 / 20
  23. 23. Non catching instrumentsDisdrometri radar a microondePiccoli radar si possono utilizzare per determinare lo spettro del segnale dibackscatter dovuto alla caduta delle particelle. Il principio difunzionamento è basato sulla misura della velocità di caduta delle gocce eal loro backscattering volumetrico. É noto che la velocità di caduta dellegocce è determinata dalle loro dimensioni e il range di velocità va da 1.5 a9 mm/s . Lo spettro è influenzato dall’effetto Doppler associato allavelocità di caduta delle particelle. L’intensità del segnale di backscatter èda mettere in relazione con il numero di particelle e del loro contenutod’acqua. Si ricava la Drop Size Distribution dallo spettro e calcola lapioggia cumulata su un tempo medio che va tipicamente tra 1 min e 10min. La risoluzione dell’intensità di precipitazione è dell’ordine di 0.1 mm. Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 18 / 20
  24. 24. Non catching instrumentsErrori dei radar a microonde variabilità verticale della natura della precipitazione (acqua-ghiaccio) variazioni dell indice di rifrazione atmosferico le gocce rilevate a quote elevate potrebbero non raggiungere il suoloSi possono utilizzare frequenze diverse, frequenze elevate consentono unarisoluzione spaziale maggiore. Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 19 / 20
  25. 25. Non catching instrumentsSensori ottico capacitiviI sensori ottici sono normalmente utilizzati per avere misure dello scatteringat- mosferico. Se viene aggiunto un sensore di pioggia essi forniscono laprecipitazione cumulata e l’intensità, misurando lo scattering dovuto alpassaggio delle gocce di pioggia attraverso un volume noto. Alcuni sensoriottici sono in grado di determinare il tipo di precipitazione, inoltrecombinando un algoritmo interno e misure di temperatura fornisconoinformazioni meteorologiche. Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 20 / 20

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