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Relazione Finale I° Anno

Climagri - Cambiamenti Climatici e Agricoltura

sottoprogetto 3: Siccità, desertificazione e gestione delle risorse idriche

lINEA DI RICERCA 3.5: "Stima statistica descrittiva di alcuni casi sperimentali di incremento artificiale delle precipitazioni"

Responsabile della ricerca: Prof.ssa Francesca Gallo

Collaboratori : Prof.ssa Giovanna Jona Lasinio , Dott. ssa Arianna Orasi

Ente: Università di Roma "LA SAPIENZA"

  1. Sommario delle attività

Il primo anno di attività ha visto impegnato il gruppo di ricerca nell'acquisizione delle informazioni necessarie a comprendere il protocollo dell'incremento artificiale delle precipitazioni e, più in particolare, la "storia" del "Progetto Pioggia", che ha riguardato alcune regioni del Sud Italia a partire dal 1988. L'acquisizione di questo iniziale background è stato effettuato attraverso un'approfondita ricerca bibliografica relativa allo stato attuale della letteratura scientifica sull'argomento inseminazione artificiale delle nuvole e "Progetto Pioggia" (vd. Allegato 1).

Successivamente l'attenzione si è spostata su alcuni casi sperimentali di inseminazione artificiale delle nuvole effettuati in Puglia tra il 1992 al 1994. L'approccio di modifica del tempo che è stato utilizzato in Puglia è basato sul cosiddetto schema del processo relativo alla pioggia fredda ed è stato attuato mediante semina delle nuvole con ioduro d'argento: Agi. Gli esperimenti del "Progetto Pioggia" sono stati condotti operando in maniera casuale su due distinte aree geografiche pugliesi (aree bersaglio di Canosa e Bari) dentro le quali é stato possibile raccogliere dati dalle stazioni de:

- il Servizio meteo A.M.;

- il Servizio idrografico del ministero dei LL.PP.; (Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale - SIMN)

- la Rete agro meteorologica nazionale;

- Una densa rete di stazioni ad alta risoluzione spazio-temporale installata dall'UCEA nel 1992 (Rete Controllo Progetto Pioggia).

La disomogeneità delle diverse fonti e l'enorme mole di dati ha richiesto un grande sforzo per poter acquisire in maniera coerente tutte le informazioni disponibili relative all'intero progetto. Allo stato attuale è stata creata una base dati contenente le misure relative alle precipitazioni, ai dati meteorologici là dove disponibili, ai radiosondaggi e alle immagini radar, di cui si riporta il dettaglio nell'Allegato 2 e Allegato 5.

Nel corso della creazione della base dati si è proceduto:

1)    A riportare tutte le informazioni provenienti dalle diverse fonti a disposizione secondo un'unica struttura coerente e confrontabile;

2)    all'acquisizione da supporto cartaceo dei dati pluviometrici provenienti dagli Annali Idrologici e al loro controllo di qualità; si sottolinea come questa parte del lavoro abbia allungato di molto i tempi di creazione della base dati stessa;

3)    ad analizzare la presenza di dati mancanti (si veda Allegato 3) per capire l'effettiva disponibilità dei dati ai fini dell'elaborazione;

4)    ad effettuare la conversione delle immagini radar da formato pcx a jpg per rendere possibile l'elaborazione effettiva delle immagini stesse;

5)    ad effettuare una prima analisi esplorativa dei dati di precipitazione e di altre variabili meteorologiche a disposizione, mettendoli in relazione con le osservazioni radar. Quest'ultimo insieme di dati tuttavia è da considerarsi ad un livello qualitativo assai inferiore rispetto ai dati pluviometrici. Infatti abbiamo a nostra disposizione solamente le immagini elaborate a partire dalle rilevazioni radar nelle quali i valori di riflettività sono riportati secondo una scala colorata che ne riproduce la suddivisione in sette classi di valori. Questo tipo di rappresentazione fa sì che non sia applicabile ai dati radar nessuna delle metodologie di calibrazione[1] con dati a terra note in letteratura.

Di seguito si illustra il dettaglio di quanto fatto relativamente ai diversi obbiettivi prefissati per il primo anno.

2. Dettaglio delle attività svolte

2.1 Acquisizione dei dati delle serie spaziali e temporali del Progetto Pioggia.

Si è provveduto ad acquisire i valori di pioggia giornalieri (espressi in millimetri) dal 1951 al 1994 dagli Annali  Idrologici del Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale (su supporto cartaceo dal 1971 al 1994)  per 34 delle stazioni disponibili e appartenenti alla rete dell'ex Ministero dei Lavori Pubblici.

Quindi si è provveduto ad acquisire i valori delle precipitazioni, della direzione del vento, della velocità del vento, della pressione e delle temperature minima e massima per 14 stazioni, nove delle quali appartengono alla rete dell'Aeronautica Militare mentre le restanti cinque appartengono alla Rete Agrometeorologica Nazionale (si veda Allegato 2 per il dettaglio). La cadenza temporale di rilevazione di queste variabili varia da stazione a stazione e varia anche a seconda del tipo di variabile considerata; si rimanda ancora all'allegato 2 per ulteriori dettagli.

Infine altri dati relativi alle precipitazioni sono stati acquisiti dalle 80 stazioni installate ad hoc dall'UCEA (Ufficio Centrale di Ecologia Agraria) per la fase di valutazione del Progetto. Queste stazioni benché non tutte perfettamente funzionanti hanno consentito di registrare il dato di pioggia ogni 10 minuti su una densa rete di pluviometri posizionati ad una distanza di 10 km l'uno dall'altro.

Al fine di rendere l'informazione fruibile nel modo più semplice possibile, tutti i dati a nostra disposizione sono stati raccolti in file Excel.

Su questi dati è stato effettuato un controllo dei dati mancanti e della coerenza dei valori al fine di valutarne la qualità e quindi la robustezza in senso statistico per le elaborazioni programmate. L'uso dei flag di validazione dei dati in ogni file ha consentito di riportare accanto al dato anche l'indicazione della correttezza o meno dello stesso. Nell'allegato 3 è riportata una descrizione dettagliata dei valori mancanti.

2.2 Acquisizione dei dati relativi ai radiosondaggi e al radar

I dati dei radiosondaggi sono stati acquisiti dalla sola stazione di Brindisi relativamente distante dalle aree bersaglio di Canosa e Bari. Pertanto tali sondaggi sono risultati pressoché inutili in questa fase della ricerca ai fini di uno studio statistico che si sviluppi sull'intero territorio interessato dal progetto. Questi tuttavia risultano disponibili in formato elettronico (ASCII) qualora fosse necessario farvi riferimento.

Per quanto concerne i dati radar sono disponibili le immagini, convertite in formato jpg, relative ai soli giorni di semina. Per il Progetto Pioggia è stato utilizzato un radar meteorologico capace di rilevare una precipitazione di 0.1 mm/h ad una distanza di 200 km. L'antenna radar ruota automaticamente di 180° ogni 20 secondi. Ciò che viene restituito sono:

1)    le mappe video della riflettività radar generate da punti di valori DBZ per un'estensione di 4 km2 a 7 colori. La scelta del colore viene determinata dal campo di valori DBZ in cui viene a cadere il punto.

2)    Una mappa della sommità delle nuvole, con colori differenti, che mostra la presenza di nuvole a diverse altezze (espresse in migliaia di piedi).

 

Tutte le immagini vengono fornite in tempo reale ogni 5 minuti. Il radar è stato posizionato a Palese, quindi Bari risulta compresa nell'area sottesa da un raggio di 10 km intorno al radar, zona nella quale lo strumento è cieco.

L'apparecchiatura radar è stata introdotta per acquisire i dati per l'avvio della semina e per affiancare ulteriori informazioni, nella fase di controllo dei risultati dell'esperimento, ai dati di precipitazione già raccolti dagli 80 termopluviografi installati a terra nel 1992 dall'UCEA. A nostro avviso è di fondamentale importanza ottenere un collegamento chiaramente interpretabile delle immagini radar e dei dati pluviometrici raccolti dalle stazioni a terra. Al momento questo non è ancora attuabile, infatti le immagini radar in nostro possesso non ci permettono di fornire una lettura chiara e univoca del risultato delle campagne di inseminazione effettuate, dato che non sono accompagnate dai dati grezzi di riflettività che hanno permesso di crearle. Come già accennato al punto 5) del sommario, è necessario sviluppare un'apposita metodologia che ci permetta di sfruttare al meglio le informazioni riportate nelle immagini a nostra disposizione. In letteratura sono disponibili diversi esempi di applicazione che studiano il modo per legare i dati di precipitazione registrati dai pluviometri a terra e i dati di riflettività che provengono dai radar, tuttavia questi studi prevedono l'uso di dati di riflettività non aggregati, come invece è il nostro caso. Ricordiamo infatti che nelle immagini ai fini della rappresentazione viene utilizzata una scala di 7 colori corrispondente ad altrettante classi di valori di riflettività; da queste possiamo riuscire a risalire al solo valore centrale della classe ottenendo quindi in complesso sette valori di riflettività. Il dato aggregato in questo modo fa sì che si perda informazione sugli eventi di entità più piccola e sulla variabilità complessiva del fenomeno osservato.

Un possibile utilizzo di questi valori di riflettività è stato proposto in un'applicazione su tre eventi di semina dal Gen. A. Nania[2] dell'Aeronautica Militare, che insieme alla società Tecnagro ha collaborato durante quegli anni all'esperimento. In essa vi si analizza quanto registrato in mare dal radar limitando l'analisi ad alcuni giorni del 1994 in cui si è effettuata la semina. Da un lato vengono scelte come zone controllo (Controllo) quelle in cui non si è effettuata la semina e come zone di studio (Bersaglio) quelle nelle quali si è provveduto ad inseminare le nuvole. Più precisamente vi si propone la seguente procedura:

·         Le immagini radar delle piogge totali  (Total Rain ) relative  alla durata della semina più   3 ore , vengono  convertite in un formato  PBM  ASCII  con una  grigliato  528 x 480 e pixels  di  0.5 x 0.5 km2  (la lunghezza dell'impulso  radar è   500 m ) ;

·         Dai punti estremi della pista di semina nell'area Bersaglio  vengono tracciate due linee rette parallele (secondo l'effettiva direzione di provenienza del vento misurato in volo)  e  prolungate fino ai margini dell'immagine radar delimitando, pertanto , un' area canale  sottovento  al Bersaglio.

·         Dentro questo canale   il computer   seleziona e conta i pixels con identica quantità di pioggia totale - secondo la scala cromatica adottata dal radar - e quindi calcola:

o       le aree parziali  ( km2 ) e le relative quantità di pioggia  (mm) risultanti dalla somma dei pixels aventi identico colore  ;

o       la pioggia totale ( mm ) raccolta nell'  area canale sottovento  ;

o       le aree totali  ( km2 ) interessate dalla pioggia .

·         Mantenendo costante la direzione del vento , una identica  procedura viene

o       ripetuta per l'area  canale sottovento al  Controllo;

·         La distribuzione degli echi radar nella immagine originale 

o       viene poi confrontata con le aree totali sommate dal  computer.

·         Viene , infine , condotta l' analisi ed il confronto quantitativo delle aree e delle

o       quantità di pioggia relative alle aree Bersaglio e Controllo.

 

A questo punto nell'analisi condotta dal Gen. Nania, come già detto, l'attenzione viene focalizzata su quanto accade in mare pur sapendo che il Progetto Pioggia non prevedeva un esito fortuito sul mare. D'altronde, non è ancora dimostrabile un rapporto diretto fra inseminazione e incremento delle piogge registrate a terra. La metodologia adottata dal Gen. Nania, sebbene interessante e metodologicamente "corretta", non consente di attribuire una misura di errore alle misure del radar avendo assunto l'ipotesi che questo riproduca sempre esattamente gli eventi di pioggia e la relativa variabilità. Tuttavia questo non è sempre accettabile poiché come descritto nella letteratura relativa[3] spesso il dato radar tende a sottostimare o sovrastimare, a seconda delle condizioni meteorologiche, la quantità di pioggia effettiva, rendendo quindi necessario implementare una procedura di "correzione" (calibrazione) che ne verifichi e "migliori" l'affidabilità.

E' importante sottolineare come da un punto di vista statistico, la situazione ottimale sarebbe quella in cui sia possibile lavorare sul dato grezzo di riflettività e non sul dato già classificato e in cui sia inoltre possibile verificare quanto accade anche in giorni in cui la semina non viene effettuata nonostante le condizioni previste per realizzarla si verifichino, ciò permetterebbe di avere un termine di paragone più corretto per il supposto incremento della pioggia.

Il nostro intento per lo sviluppo futuro della ricerca, attendendoci alle ipotesi iniziali del Progetto , è quello di implementare un metodo che permetta con un certo grado di approssimazione di legare le osservazioni radar con le osservazioni a terra relative alla quantità di pioggia, inserendo inoltre le ulteriori informazioni provenienti da alcune variabili meteorologiche là dove disponibili (direzione e velocità del vento a terra, temperatura massima e minima, pressione atmosferica). Non sono disponibili informazioni sufficienti e sistematiche sui venti in quota.

Nell'Allegato 5 è riportato il prospetto delle immagini radar acquisite e convertite in formato jpg. E' da notare che mentre le immagini radar hanno una cadenza temporale di 5 minuti, quella dei dati di pioggia rilevati dalla rete UCEA (o C.P.P. Controllo Progetto Pioggia) è di 10 minuti, sarà quindi necessario mettere in linea le due tipologie di informazioni ai fini dell'analisi congiunta che ci si propone di sviluppare nel prosieguo delle attività del progetto.

2.3 Selezione degli insiemi di dati da analizzare, definizione della base dati ed analisi svolte.

Una volta acquisiti i dati si è proceduto ad individuare l'insieme da estrapolare per effettuare una prima analisi esplorativa. Tale insieme è costituito dai giorni in cui è stata effettivamente effettuata la semina. Per ciascuno di questi giorni si è provveduto ad individuare il numero di voli effettuati, la zone bersaglio, le piste di semina per ciascun volo e la durata della semina per ciascun volo (vd. Allegato 6). Per ciascuna operazione di semina si è scelto poi di considerare l'ora d'inizio della stessa stabilendo una finestra di tre ore (durata della semina più tre ore) nella quale considerare la quantità di pioggia osservata, la direzione e la velocità del vento registrate. Questa scelta è giustificata dalla struttura fisica del fenomeno pioggia; infatti, in teoria, assumendo una goccia in una nube con dimensione iniziale uguale a un micro millimetro essa assumerà dimensioni di un millimetro dopo circa tre ore. E' da notare come questa nostra scelta differisca da quanto fatto nella prima fase di valutazione del progetto nella quale si era scelta una finestra temporale di ventiquattro ore. L'uso di un intero giorno a scopo di verifica però impedisce un uso corretto di molte delle informazioni disponibili essendo questo un intervallo troppo ampio per cogliere la variabilità (quasi istantanea) di molte delle variabili necessarie allo studio.

Attraverso queste considerazioni si è provveduto alla costruzione della base dati su cui iniziare a effettuare le prime analisi di tipo esplorativo.

Per quanto concerne l'individuazione di valori anomali si è verificato come i valori incoerenti, perché troppo elevati, troppo bassi o negativi, fossero tutti accompagnati da un flag di validazione che ne indicava la non attendibilità. Si è quindi provveduto ad eliminare questi valori (sia di pioggia che di direzione e velocità del vento) e ad assimilarli quindi all'insieme dei dati mancanti.

Per quanto concerne la definizione della robustezza degli indicatori scelti ci si è prevalentemente basati su quanto riportato nella letteratura in materia e sulla ricognizione dei dati mancanti; da ciò si evince come, benché l'insieme dei dati a nostra disposizione sia afflitto da un grave problema di presenza di dati mancanti, l'intero data set sia sufficiente a fornire un'indicazione sui risultati raggiunti dal Progetto Pioggia. Tuttavia è opportuno specificare che da un punto di vista statistico non ci troviamo in una situazione ottimale, sia, come già detto, per la presenza di numerosi dati mancanti sia per lo scarso numero di operazioni di semina effettuate durante i tre anni di sperimentazione.

Riguardo all'uso delle informazioni ausiliarie di tipo meteorologico, da una prima analisi è apparso chiaro come sia necessario considerare congiuntamente velocità e direzione del vento. Attraverso una prima lettura congiunta delle due variabili si è cercato di stabilire se le condizioni di vento registrate durante la semina si fossero poi mantenute durante il periodo della stessa, al fine di comprendere se è effettivamente possibile confermare l'ipotesi che più volte una nube inseminata abbia potuto scaricare il suo contenuto di pioggia in mare. Dopo una prima esplorazione puramente descrittiva dei valori osservati, appare chiaro come la variabilità di queste due quantità sia elevatissima anche in una finestra temporale assai ridotta. Nell'Allegato 4 sono riportati alcuni grafici a titolo puramente esplicativo. In essi si riporta l'andamento giornaliero della direzione e della velocità del vento, tali grafici mostrano come prendendo in considerazione ad esempio il solo primo aprile 1992, la direzione e soprattutto la velocità del vento cambino in maniera sostanziale da stazione a stazione[4]. Anche la variabilità temporale durante le 24 ore è assai elevata e ciò si evince misurando la stessa con opportune misure di variabilità bivariate (ovvero che tengono conto della variabilità congiunta delle due grandezze).

3. Alcune analisi

Al fine di definire un possibile protocollo di analisi esplorativa dell'intera base dati si è proceduto ad applicare una particolare tecnica esplorativa (Jona Lasinio, 2001)[5] e di imputazione dei dati mancanti (Jona Lasinio, Orasi, 2002[6] vd. Allegato 7) al solo mese di dicembre 1994 per le 14 stazioni della rete dell'Ex ministero dei Lavori Pubblici nelle quali sono disponibili oltre ai dati pluviometrici anche le variabili meteorologiche (pressione atmosferica, direzione del vento, velocità del vento e temperature minima e massima giornaliera). I risultati di tale analisi sono riportati per esteso in un lavoro in via di pubblicazione (Allegato 7). Da questo lavoro è scaturito come il comportamento spaziale della direzione del vento sia, nel periodo considerato, sostanzialmente omogeneo sull'intero territorio trattato, mentre le altre variabili, inclusa la pioggia, mostrano una più marcata variabilità a livello spaziale. Dal punto di vista temporale, la direzione del vento se vista su scala giornaliera di nuovo presenta un comportamento omogeneo per l'intero mese; la velocità del vento invece muta considerevolmente durante lo stesso periodo così come le altre variabili. La maggiore omogeneità riscontrata nel mese di dicembre, sembra essere una caratteristica dei mesi invernali, confermando l'intuizione che sia presente una forte stagionalità per tutte le variabili trattate. Lo studio effettuato aveva principalmente lo scopo di stabilire la correlazione spazio-temporale tra tutte queste grandezze. Ciò che è emerso è che effettivamente questa è presente e non è trascurabile. Ciò conferma la nostra intuizione di come sia necessario procedere alla valutazione dei risultati ottenuti nel Progetto Pioggia, tenendo conto di tutte le variabili disponibili e non solo della precipitazione registrata dai pluviometri a terra.

 

 

Conclusioni

 

Una prima osservazione da fare allo stato attuale del lavoro è che si potrebbe ottenere una valutazione ottimale dell'esperimento qualora non ci fosse una grande discrepanza tra i dati che abbiamo detto essere necessari e quelli che effettivamente sono a nostra disposizione e se questi ultimi (soprattutto le immagini radar) inoltre si riferissero anche ai giorni nei quali la semina non è stata effettuata. Ciò permetterebbe una verifica del tipo caso-controllo assai più accurata. Non essendo questo possibile si procederà nei prossimi anni di ricerca ad una verifica dei casi sperimentali di stimolazione artificiale delle precipitazioni che possiamo definire sub-ottimale e basata sui soli giorni di semina, secondo le direzioni delineate precedentemente.


[1] valutazione della correlazione tra due insiemi di dati distinti e di qualità diversa (cfr. ad esempio G. Raspa, M.Tucci, R. Bruno Reconstruction of rainfall fields by combining  ground rain gauges data with radar maps using external drift method (1997) Geostatistics Wollongong V.2)

[2] Nania A. 2001, Conclusive remarks from the Italian rain enhancement project, in Bartolelli M. Le modificazioni artificiali della fase atmosferica del ciclo naturale dell'acqua, Tecnagro, Roma

[3] si veda ad esempio Brown P., Diggle P., Lord M. and Young P. Space-time calibration of radar-rainfall data. Applied Statistics, 50, 2001, pp. 221-242

[4] I grafici sono costruiti in coordinate polari al fine di rappresentare la direzione del vento correttamente (questa è espressa in gradi), l'area colorata rappresenta l'intensità media del vento registrata in ciascuna stazione durante le 24 ore.

[5] Jona-Lasinio G., Modelling and exploring multivariate spatial variation: a test procedure for isotropy of multivariate spatial data,, Journal of Multivariate Analysis 77, 295-317 (2001)

[6] Jona-Lasinio G., Orasi A. Modeling and exploring multivariate space-time variation: a geostatistical approach. In Statistical Monitoring for Environmental Engineering: Models and Applications to the Province of Bergamo Edited by Roberto Colombi and Alessandro Fassò, Bergamo University Press, Edizioni Sestante, Bergamo, in press (2003).

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