Measuring Precipitation

Misure di Precipitazione

Matteo Tancon

Università degli Studi di Trento

Matteo Tancon (UniTN) Misure di Precipitazione 1 / 20

Le precipitazioni

Per precipitazione si intende l’acqua che abbandona l’atmosfera e cade al
suolo.
Si può distinguere in:
liquida (pioggia, rugiada)


Le precipitazioni

Per precipitazione si intende l’acqua che abbandona l’atmosfera e cade al
suolo.
Si può distinguere in:
liquida (pioggia, rugiada)
solida (neve, grandine, brina)


Perchè misurare le precipitazioni

Prevenire disagi dovuti a piene ed alluvioni



Costruire modelli idrologici



Deﬁnire il clima di una certa zona



Deﬁnire il clima di una certa zona
Fare i bilanci di massa ed energia in una certa zona


Cosa misurare

Quantità di precipitazione (in mm di acqua per m2 ), corrisponde
quindi a un volume


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’acqua


Misura delle precipitazioni

Principi 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.


Catching Instruments
Misure di livello

L’acqua viene raccolta in un tubo di diametro noto, attraverso la misura
dell’altezza del livello dell’acqua nel tubo si ricava direttamente il volume
dell’acqua raccolta. La determinazione del livello è eﬀettuata tramite
misure di conduttività, misure di distanza acustiche o da un galleggiante. Il
livello si può misurare con qualsiasi risoluzione temporale desiderata. La
risoluzione 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 il
contenitore è pieno l’acqua può essere sifonata, garantendo la
continuazione della misura senza interventi di tipo manuale. A causa del
processo di sifonamento la misura si può interrompere per circa 1 min e i
dati mancanti vengono ricavati per interpolazione.


Pluviometri 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.



Possibili 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)



Correzioni
La 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 ﬂusso
noto costante nel tempo attraverso lo strumento.

Questi strumenti presentano una risoluzione che va da 0.1 a 1 mm di
precipitazione, corrispondenti a 6-60 mm/h di intensità di precipitazione.

Misure di peso

Pluviometri a peso
La precipitazione viene raccolta e continuamente pesata. Questo tipo di
misure non utilizza nessuna parte meccanica in movimento nel meccanismo
di pesata, ci sono solamente delle deformazioni elastiche. Perciò il degrado
meccanico e il conseguente bi- sogno di manutenzione viene
signiﬁcativamente ridotto. L’intensità di precipitazione viene calcolata
attraverso la diﬀerenza di 2 o più misure consecutive di peso.


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 secondi
Gli strumenti che misurano il peso hanno mostrato in laboratorio un
incertezza nelle misure (a flusso costante) del 5% per intensità superiori a 2
mm/h e del 2% per intensità superiori a 10 mm/h. La risoluzione delle
misure va da 0,001 a 0,1 mm che corrispondono a 0.06 - 6 mm/h di
intensità.


Misure di precipitazione solida

Sono stati confrontati i pluviometri a bascula con i pluviometri che
misurano il peso.
La neve (o grandine) deve essere sciolta per poter essere misurata, tutto lo
strumento deve quindi essere riscaldato, con conseguente perdita di acqua
per evaporazione. Le nevicate più deboli non vengono registrate e i tempi
di risposta sono elevati.

Pluviometri a peso
La neve viene pesata senza essere sciolta, solo il bordo del collettore viene
riscaldato per evitare accumuli. La perdita per evaporazione è quasi nulla e
i tempi di risposta sono piuttosto bassi.


Misure di precipitazione solida

Conclusioni
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.


Non catching instruments

Questi strumenti sono usati principalmente per osservazioni in tempo reale
delle grandezze meteorologiche. Richiedono poca manutenzione delle
apparecchiature e pochi controlli periodici. Alcuni strumenti distinguono il
tipo di precipitazione (liquida o solida).Molti di questi strumenti forniscono
dei dati di output che contengono parametri diagnostici utili per il controllo
della qualità dei dati.



Disdrometri ottici
Questi strumenti utilizzano uno o 2 raggi sottili di luce laser per rilevare le
particelle che lo attraversano. Ogni particella che attravarsa il fascio riduce
l’in- tensità della luce trasmessa in modo proporzionale al suo diametro.
L’intensità di precipitazione può essere calcolata direttamente attraverso
l’integrazione sul volume delle particelle rilevate e su un periodo di tempo
che va da 15 sec a 1 min. La risoluzione delle misure di intensità è in
genere di 0.001-0.005 mm/h.



Errori 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



Didrometri a impatto
Una membrana plastica o metallica agisce da superficie di misura sensibile
all’impatto delle singole particelle di precipitazione. Il movimento
meccanico della membrana genera onde elastiche sul piatto del sensore e
sul sensore piezoelettrico: gli stress meccanici sono convertiti in segnali
elettrici proporzionali alla dimensione delle particelle. Altri sistemi rilevano
l’ampiezza e analizzano lo spettro delle frequenze generato dalle particelle
che colpiscono la membrana determinando il numero a le dimensioni delle
gocce. Il segnale di output è in genere convertito in precipitazione
cumulata. L’integrazione di questo parametro permette di ricavare
l’intensità . Tecniche di filtrazione si usano per pulire il segnale dai segnali
non provenienti dalle gocce di pioggia. Non sono in grado di misurare
gocce di diametro inferiore a 0.3 mm, inoltre i fiocchi di neve che
presentano bassa densità possono non essere rilevati.



Disdrometri radar a microonde
Piccoli radar si possono utilizzare per determinare lo spettro del segnale di
backscatter dovuto alla caduta delle particelle. Il principio di
funzionamento è basato sulla misura della velocità di caduta delle gocce e
al loro backscattering volumetrico. É noto che la velocità di caduta delle
gocce è determinata dalle loro dimensioni e il range di velocità va da 1.5 a
9 mm/s . Lo spettro è inﬂuenzato dall’eﬀetto Doppler associato alla
velocità di caduta delle particelle. L’intensità del segnale di backscatter è
da mettere in relazione con il numero di particelle e del loro contenuto
d’acqua. Si ricava la Drop Size Distribution dallo spettro e calcola la
pioggia cumulata su un tempo medio che va tipicamente tra 1 min e 10
min. La risoluzione dell’intensità di precipitazione è dell’ordine di 0.1 mm.



Errori 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 suolo

Si possono utilizzare frequenze diverse, frequenze elevate consentono una
risoluzione spaziale maggiore.



Sensori ottico capacitivi
I sensori ottici sono normalmente utilizzati per avere misure dello scattering
atmosferico. Se viene aggiunto un sensore di pioggia essi forniscono la
precipitazione cumulata e l’intensità, misurando lo scattering dovuto al
passaggio delle gocce di pioggia attraverso un volume noto. Alcuni sensori
ottici sono in grado di determinare il tipo di precipitazione, inoltre
combinando un algoritmo interno e misure di temperatura forniscono
informazioni meteorologiche.


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