Radar estimation of precipitation space-time variability in mountainous basins.

The thesis concerns different arguments of research, but strictly related between them. All the activities of research were carried out simultaneously during the period of study. The aim is to provide a more accurate rainfall estimation in mountainous areas, improving the capability to detect intense events leading to flash floods Another object is to investigate the role of rainfall spatial variability in flash flood triggering. Flash floods are caused by heavy precipitation over small area (usually not bigger than 500 km2), and have a timescale that normally does not exceed 12 hours. What makes flash flood very dangerous is their sudden nature. They cause great damages to the human activities. In order to reduce their effects and to get a real-time system monitoring, it is necessary to have an instrument that allows to have a spatial resolution of the data, that the conventional weather stations network not guarantees. For these reasons in recent decades had a strong diffusion the meteorological radar; this tool allows to locate the precipitation and to calculate the intensity of rain in real- time, with a resolution that no other instruments might reach. The meteorological forecasters use this instrument to provide short-time forecasts, named nowcasting (1-3 hours). For such short interval time the mathematical models are useless, and the only instruments that support the forecasters are the data from satellite and the rain maps from the radar. Radar data are unfortunately affected by several sources of error; between them the main important are the occlusion, the ground clutter, the attenuation, the vertical variation of the reflectivity. By using double-polarimetric radar operating at low wavelenght (X-band radar) is possible to reduce the effects of these errors, acquiring more accurate data than the ones provided by the traditional tool. A part of this work of thesis aims to assess if the eventual introduction of this new technology (double polarimetric radar operating at low wavelengths) in the Alpine area might ensure more accurate rain estimation. This instrument were tested during the summer of 2007 in Folgaria, and it was used in different conditions to monitorate the events over several hydrological basins. On the same area are available the data collected by two C-band radar, one managed by the Provincia Autonoma of Trento, and the other one by the Veneto Region. The aim of the study is to evaluate the advantages/disadvantages of these different technologies, and finally to set if by using this X-band polarimetric radar, would be possible to get a better description of the rainfall patterns, and to improve the predictability of flood events. The meteorological precipitations detected in real-time works as input for the hydrological models, that operate a simplification of the real processes to obtain a discharge hydrograph for different closing sections. The accuracy of the input data allows to improve the flood predictability and to reduce the catastrophic impacts that these event have on human activities. Within the present work the efforts have been focused in understanding the dynamics underlying the generation of a flood hydrograph; systematic studies were carried out to describe the accuracy of rainfall volumes at basin scale and the effect of spatial variability within the basin. The analysis focused on the flash flood event that affected the Weisseritz Region (Saxony) in the summer of 2002. Some statistics were applied that allow to put in direct relation the rainfall distribution, the shape of the basin, and their influence on the hydrograms at the closing section. Particularly, in a place with the characteristics of the pre-Alpine area, orography strongly influences the rainfall distribution. The events are mostly concentrated in the basins that are affected by a great increase of the precipitation with the altitude. The meteorological radar often describes only partially the precipitation in the mountain regions, because the beam, along its propagation path, can be occluded by orography. It often happens then, that the weather stations are located in the valleys, where the majority of the population lives, and where it is easier for the person assigned to control their working. For this reason, particularly in the last year of the studies, the efforts have been mainly focused in detecting some methodologies that might allow to estimate correctly the lapse rate of the precipitation (even in places where there are no rainfall measurements i.e. high mountains), and the total volumes of rain. The methodology uses the data collected by the tradition weather network, and allows to calculate rainfall maps for the whole territory The remainder of this dissertation is organised as follows: Chapter 1 → Short description of the main topics selected. Bibliography on the different arguments. Methodology applied to study flash flood events; what has been dome to mitigate the effects of these catastrophic events, and how to improve in understanding their dynamics. Chapter 2 → The meteorological radar. Data acquiring and processing. Most common errors. The double-polarimetric radar. The measure campaign of Folgaria: short description of the basin object of the analysis and events selected. Procedures and algorithms to correct the data. Different algorithms used and comparison. Analysis of the results and some statistics calculated by merging radar data and conventional raingauge network. Significant advantages incoming from this new technology. Chapter 3 → The Hydrological model KLEM. Characteristic of the model and simplifications. An hydrological event in the Weisseritz: short description of the characteristics of the basin and of the flash flood event of the summer of 2002. The application of the hydrological model. The role of rainfall spatial variability in flash flood triggering .Statistics to describe the relationship between the variability catchment scale and the rainfall distribution. Comments and conclusions Chapter 4 → Alto Adige: brief description of the territory and development of a methodology of spatialisation from the rainfall data. Underestimation of snowfall. Calculation of the rain maps. Verification of the results, comparing the estimated rainfall and the flow rates for different closing sections throughout the Province. The introduction of some additional weather stations of Austria, and its effect in achieving a more accurate estimate of the precipitation lapse rate. Possible future developments

La presente attività di ricerca abbraccia tematiche diverse tra loro, ma allo stesso tempo fortemente interconnesse. Esse sono state sviluppate simultaneamente nel corso dell’ attività di ricerca. L’ obiettivo finale è fornire una stima più accurata dei campi di pioggia in un territorio ad orografia complessa come quello pre-alpino, per poter migliorare la capacità previsionale di eventi di piena improvvisi. Si vuole inoltre valutare l’influenza che il movimento dei campi di pioggia ha nel generare l’idrogramma di piena finale, e metterlo in relazione al tipo di bacino e alla sua morfologia. Gli eventi di piena improvvisi (flash flood) si generano quando intense precipitazioni si riversano in un breve lasso temporale su un territorio circoscritto; essi. non superano la durata di 6-12 ore e coinvolgono bacini non superiori ai 500 km2. Data la loro improvvisa formazione essi producono notevoli disagi e danni anche ingenti. Per poter mitigare i loro effetti, e per poter arrivare a monitorare in ogni istante quello che succede sul territorio, è importante avere uno strumento che consenta di ottenere in tempo reale stime di pioggia con una risoluzione spaziale che la tradizionale rete pluviometrica non riesce a garantire. Per questo motivo nel corso degli ultimi decenni ha avuto una forte diffusione il radar meteorologico; questo strumento permette di localizzare e misurare le precipitazioni in tempo reale, consentendo di calcolare mappe di pioggia con una risoluzione spazio-temporale che nessun altro tipo di strumento consente di ottenere. I meteorologi utilizzano il radar meteorologico per formulare previsioni a brevissimo termine (1-3 ore), comunemente definite nowcasting. Per intervalli temporali così limitati difatti i modelli matematici, generalmente utilizzati per formulare le previsioni per i giorni successivi, sono insufficienti, e gli unici strumenti che possano supportare i previsori sono i rilevamenti dati dal satellite e dal radar. Le misure rilevate dai radar sono però soggette a diverse forme di errore che possono alterare la qualità delle misure. Tra questi vale la pena citare l’occlusione, il ground clutter, l’attenuazione e la variazione del profilo di riflettività con la quota. L’impiego di radar a doppia polarizzazione operanti nel campo delle basse lunghezze d’onda (radar in banda X) consente di ridurre l’effetto di questi errori, rispetto al tradizionale radar meteorologico. Parte del lavoro di tesi è volto a valutare se l’introduzione di questi strumenti innovativi (radar a doppia polarizzazione) possa garantire nell’area pre-alpina misure dei campi di pioggia più accurate. A tale scopo ci si avvale delle misure rilevate nel corso dell’estate del 2007 da un radar a doppia polarizzazione installato sull’altipiano di Folgaria (Trento). Su tale area operano, accanto a una fitta rete di pluviometri disseminati alle varie quote, due radar doppler in banda C appartenenti al sistema nazionale (uno gestito dalle Province di Trento e Bolzano, l’altro di proprietà della Regione Veneto). Si vuole pertanto valutare la qualità delle misure associate alle diverse tecnologie, e in pratica testare se un' eventuale introduzione di questi radar (doppio polarimetrici) garantirebbe in territorio montano una migliore descrizione dei fenomeni di precipitazione e una maggiore tutela nei confronti di fenomeni alluvionali improvvisi. Le misure di pioggia vengono rilevate in tempo reale e vengono fornite ai diversi modelli idrologici, che le utilizzano per formulare una previsione dell’idrogramma di piena finale, relativo alle diverse sezioni di chiusura di interesse. Si capisce quindi come la possibilità di disporre di misure quanto più precise e rappresentative permetta di dare come input ai modelli valori più rappresentativi e di conseguire una buona capacità previsionale, migliorando la capacità predittiva di questi eventi catastrofici. All’ interno del percorso di ricerca parte degli sforzi sono stati volti a migliorare le conoscenze di come lavorano questi modelli idrologici, e a comprendere se il movimento dei campi di pioggia durante l’evento abbia una reale influenza sull’andamento dell’idrogramma. Si vuole quindi capire se per un dato bacino è sufficiente avere una stima dei volumi complessivi di precipitazione caduti, oppure è importante conoscere la distribuzione e il movimento dei campi di pioggia per ottenere simulazioni più accurate. All’interno del presente lavoro si è cercato di capire quali dinamiche siano sottese alla generazione di un idrogramma di piena, e si è cercato di sviluppare una metodologia che consenta di valutare per ogni singolo bacino quale influenza abbia la dinamica dell’evento nel generare la piena finale. Si è a tale scopo analizzato un evento specifico (evento di piena del 2002 che ha interessato il bacino del Weisseritz in Sassonia), e sono stati sviluppati alcuni statistici che consentono di metter in relazione la distribuzione dei campi di pioggia e l’effetto che essi producono nella generazione dell’idrogramma dio piena finale. In particolare in un territorio come quello pre-alpino l’orografia influenza fortemente la distribuzione delle precipitazioni. Gli eventi più significativi si concentrano nei bacini in cui la particolare orografia determina un forte incremento delle precipitazioni con la quota, Il radar meteorologico non sempre riesce a descrivere correttamente l’andamento delle precipitazioni nei territori montani, in particolare in quei bacini in cui il fascio risulta occluso. Capita poi sovente che le stazioni meteorologiche siano concentrate nel fondovalle ove risiede la maggior parte della popolazione e dove è più agevole il controllo dal personale qualificato. Per questo motivo, in particolare nell’ultimo anno dell’attività di ricerca, gli sforzi sono stati maggiormente indirizzati a sviluppare altre tecniche che consentano di stimare correttamente i volumi complessivi di pioggia, anche nei punti in cui non sono disponibili misure pluviometriche, e quindi in particolare in alta montagna. Lo studio si propone di partire dai dati di precipitazioni rilevati dalla tradizionale rete pluviometrica . e di sviluppare una metodologia di spazializzazione, che consenta di ottenere delle mappe di pioggia continue e rappresentative per tutto il territorio. La struttura dell’elaborato di tesi si presenta così articolata: Capitolo 1 → Fornisce una breve inquadratura dell’argomento prescelto. Viene fornita una rapida illustrazione dello stato dell’arte, delle metodologie che vengono applicate per studiare eventi di piena improvvisi, di cosa viene fatto per mitigarne gli effetti, e degli studi che vengono condotti per migliorare la comprensione di questo tipo di eventi. Capitolo 2 → Il radar meteorologico. Principi di funzionamento. Principali forme di errore. Il radar doppio polarimetrico. L’esperimento di Folgaria: breve descrizione del bacino monitorato e eventi selezionati. Procedure di correzione applicate ai dati. Confronto tra i diversi algoritmi di calcolo. Analisi dei risultati ottenuti e calcolo di indici statistici, ottenuti confrontando tra loro i dati radar e i dati pluviometrici. Significativi vantaggi che un eventuale introduzione di questo tipo di strumenti consentirebbe di ottenere. Capitolo 3 → Il modello idrologico KLEM. Schema di funzionamento e semplificazioni adottate. Il caso del Weisseritz: breve descrizione del bacino e dell’evento di piena dell’estate del 2002. Applicazione del modello idrologico. Influenza spaziale delle precipitazioni nella generazione dell’idrogramma di piena .Sviluppo di alcuni statistici che permettono di mettere in relazione tra loro l’andamento delle precipitazioni all’interno del bacino, e la morfologia stessa del bacino. Commenti e conclusioni. Capitolo 4 → Alto Adige: breve descrizione del territorio e sviluppo di una metodologia di spazializzazione delle precipitazioni, partendo dai dati pluviometrici. Sottostima delle precipitazioni nevose. Calcolo delle mappe di pioggia. Verifica dei risultati ottenuti, confrontando tra loro le precipitazioni stimate, e le portate misurate, in prossimità delle diverse sezioni di chiusura disseminate nel territorio provinciale. Effetto dell’ introduzione di alcune stazioni meteorologiche austriache, per conseguire una stima più precisa dell’incremento di precipitazione con la quota. Possibili sviluppi futuri.