osservazione della struttura di nubi in presenza … · migliorare la conoscenza sulla formazione e...

OSSERVAZIONE DELLA STRUTTURA DI NUBI OSSERVAZIONE DELLA STRUTTURA DI NUBI

IN PRESENZA DI OROGRAFIAIN PRESENZA DI OROGRAFIA

TRAMITE IL CLOUD PROFILING RADAR TRAMITE IL CLOUD PROFILING RADAR

E CONFRONTO CON RADAR IN BANDA C DEL SIMCE CONFRONTO CON RADAR IN BANDA C DEL SIMC

Seminario ARPA-SIMCSeminario ARPA-SIMC Bologna, 19 Novembre 2009Bologna, 19 Novembre 2009

Argomenti trattatiArgomenti trattati Obiettivi dello studioObiettivi dello studio Radar e bande di frequenzaRadar e bande di frequenza La missione satellitare CloudSat:La missione satellitare CloudSat:

– il Cloud Profiling Radar (CPR)il Cloud Profiling Radar (CPR)

Profili verticali di nube:Profili verticali di nube:– caratteristiche medie in relazione all’orografia caratteristiche medie in relazione all’orografia – osservazione dallo spazio e da terraosservazione dallo spazio e da terra

Casi di studioCasi di studio ConclusioniConclusioni

Bologna, 19 Novembre 2009Bologna, 19 Novembre 2009Seminario ARPA-SIMCSeminario ARPA-SIMC 22/37/37

Obiettivi dello studioObiettivi dello studio

Aspetti meteorologiciAspetti meteorologici::– Formazione della Formazione della

precipitazioneprecipitazione– Modelli di previsioneModelli di previsione– Tecniche di nowcastingTecniche di nowcasting

Aspetti climatologiciAspetti climatologici::– Modelli climaticiModelli climatici– Ciclo idrologicoCiclo idrologico

MIGLIORAREMIGLIORARE la la CONOSCENZACONOSCENZA sulla sulla FORMAZIONEFORMAZIONE e e SVILUPPOSVILUPPO

dei dei SISTEMI NUVOLOSISISTEMI NUVOLOSI


Componenti di un RadarComponenti di un Radar

Antenna RadarBersaglio

Onda elettromagnetica emessa

Segnale retro-diffuso

Trasmettitore Ricevitore

Indicatore

Switch automatico

PPI (Plane Position Indicator)

RHI (Range-Height Indicator)

CAPPI (Constant-Altitude PPI)

HARPI (Height-Azimuth-Range PI)

RTI (Range-Time Indicator)


Radar dallo spazioRadar dallo spazio

Potenza elevata (700 W)Potenza elevata (700 W) Dimensioni (antenna 1.85 m)Dimensioni (antenna 1.85 m) Movimento (7 km/s)Movimento (7 km/s) Diffusione multiplaDiffusione multipla


Bande di frequenza radarBande di frequenza radar

1-21-2 30-1530-15 LL

2-42-4 15-7.5015-7.50 SS

4-84-8 7.50-3.757.50-3.75 CC

8-128-12 3.75-2.403.75-2.40 XX

12-1812-18 2.40-1.672.40-1.67 KKUU

18-2718-27 1.67-1.131.67-1.13 KK

27-4027-40 1.13-0.751.13-0.75 KKAA

40-7540-75 0.75-0.400.75-0.40 VV

75-11075-110 0.40-0.270.40-0.27 WW

Frequenza (GHz) λ (cm) BandaAttenuazione minore Regioni tropicali, precipitazioni intenseProblemi legati alla dimensione antenna

Bande più utilizzate in meteorologia Forte backscatteringMiglior compromessoLa banda più utilizzata alle medie latitudini

Portata minore (50 km)Adatto per piccoli bacini (montani)

Particelle sempre più piccole

Nubi Diffusione RayleighDimensione antenna contenutaBassa potenza di alimentazione


La missione satellitare CloudSat e La missione satellitare CloudSat e la costellazione di EOSla costellazione di EOS

Missione satellitare della NASA

Aprile 2006

Primo satellite che misura direttamente e in maniera globale la struttura verticale dei sistemi nuvolosi.

Orbita attorno alla terra insieme ad altri satelliti su orbite eliosincrone: unico sistema osservante multi-satellitare per lo studio dell’atmosfera.

CO2

Ciclo dell’acqua

Nubi

Aerosol

Gas serrae sostanze inquinanti


Le caratteristiche del CPRLe caratteristiche del CPR

CaratteristicaCaratteristica QuantitàQuantità

Frequenza nominaleFrequenza nominale 94 GHz94 GHz

PRFPRF 4.3 MHz4.3 MHz

Lunghezza ImpulsoLunghezza Impulso 3.3 3.3 µµss

Minima riflettività Minima riflettività individuabileindividuabile

-29 dBZ-29 dBZ

Range dinamicoRange dinamico 70 dB70 dB

Finestra datiFinestra dati 30 Km30 Km

CaratteristicaCaratteristica QuantitàQuantità

Largh. traccia suoloLargh. traccia suolo 1.3 Km1.3 Km

Lungh. traccia suoloLungh. traccia suolo 1.7 Km1.7 Km

N. bin per profiloN. bin per profilo 125125

Spessore binSpessore bin 240 m.240 m.

Dimensioni AntennaDimensioni Antenna 1.85 m.1.85 m.

Angolo inclinazioneAngolo inclinazione 89°89°

Altezza nominaleAltezza nominale 705 Km705 Km

Velocità tangenzialeVelocità tangenziale 7 Km/s7 Km/s


Flusso dei dati acquisiti e Flusso dei dati acquisiti e prodotti CloudSatprodotti CloudSat

ProdottoProdotto DescrizioneDescrizione

1B-CPR1B-CPR Livello 1B CPRLivello 1B CPR

2B-GEOPROF2B-GEOPROF Profilo geometricoProfilo geometrico

2B-CLDCLASS2B-CLDCLASS Classificazione nubiClassificazione nubi

2B-TAU2B-TAU Spessore ottico nubiSpessore ottico nubi

2B-LWC2B-LWC Contenuto di acqua liquida nelle nubiContenuto di acqua liquida nelle nubi

2B-IWC2B-IWC Contenuto di acqua ghiacciata nelle nubiContenuto di acqua ghiacciata nelle nubi

2B-FLXHR2B-FLXHR Flussi radiativi ed energetici in atmosferaFlussi radiativi ed energetici in atmosfera

2B-GEOPROF-LIDAR2B-GEOPROF-LIDAR Profilo geometrico (CPR + Lidar)Profilo geometrico (CPR + Lidar)

2B-CLDCLASS-LIDAR2B-CLDCLASS-LIDAR Classificazione nubi (CPR + Lidar)Classificazione nubi (CPR + Lidar)

3B-PRODUCTS3B-PRODUCTS Prodotti del livello 3BProdotti del livello 3B


Struttura microfisica delle nubi Struttura microfisica delle nubi convettiveconvettive


Struttura microfisica delle nubi Struttura microfisica delle nubi stratiformistratiformi


Bologna, 19 Novembre 2009Bologna, 19 Novembre 2009

CloudSat tracksCloudSat tracks

Seminario ARPA-SIMCSeminario ARPA-SIMC 1212/37/37

AnalisiAnalisi

2 diverse analisi dei profili verticali di 2 diverse analisi dei profili verticali di nube del CPR:nube del CPR:

2.2. Impatto dell’orografia sulla struttura Impatto dell’orografia sulla struttura della nube;della nube;

3.3. Relazione tra l’osservazione da radar Relazione tra l’osservazione da radar satellitare in banda W e radar da terra in satellitare in banda W e radar da terra in banda C.banda C.


Dati utilizzatiDati utilizzati

Tipo di prodottoTipo di prodotto 2B-GEOPROF (Riflettività Radar)2B-GEOPROF (Riflettività Radar)

Intervallo temporaleIntervallo temporale Dal 1/1/2007 al 31/12/2007Dal 1/1/2007 al 31/12/2007

Area geograficaArea geografica Alpi, Appennino settentrionale, Alpi, Appennino settentrionale,

Pianura PadanaPianura Padana

Totale passaggi scaricati Totale passaggi scaricati 237237

Tutti i prodotti CloudSat sono stati prelevati dal sito internet del CIRA Tutti i prodotti CloudSat sono stati prelevati dal sito internet del CIRA (Cooperative Institute for Research in the Atmosphere(Cooperative Institute for Research in the Atmosphere ):):http://cloudsat.cira.colostate.edu/data_dist/OrderData.phphttp://cloudsat.cira.colostate.edu/data_dist/OrderData.php


http://cloudsat.cira.colostate.edu/data_dist/OrderData.php

Estrazione datiEstrazione datiProdotti CloudSat

in formato HDF-EOS

Hierarchical Data Format Earth Observing SystemTutti i dati geo-referenziati

ed associati ai rispettivi istanti di tempo

File in formato ASCII

43.5° - 47.5° Nord 6.3° - 13.3° Est

• Latitudine, Longitudine e Altezza del suolo

• Quota di ciascun bin• Riflettività radar di ciascun bin


Selezione dei passaggiSelezione dei passaggi

Criteri basati sulla presenza di sistemi nuvolosi all’interno di ciascuna scansione

Selezionati: 96 su 237 (campione statistico rappresentativo delle distribuzioni diurne ed annuali)

BIN LUMINOSI: bin con Riflettività radar Z > -22 dB


Distribuzione della riflettività Distribuzione della riflettività in base all’altezza del suoloin base all’altezza del suolo

PianuraCollina Montagna

< 100 m.100-1000 m.

> 1000 m.

1. Riflettività minori quote più basse2. Catene montuose Z maggiore

<Z> = -17dB% maggiore di alti valori per Z sulle montagne

Pianura <σ>= 1.94 dBMontagna <σ>= 2.41 dB

Spinta orografica causata dalle montagne Calcolo eseguito

solo per profili con almeno

4 bin luminosi continui a partire dall’alto


Profili verticali di nube:Profili verticali di nube:convettivi e stratiformiconvettivi e stratiformi

Dist. Stag.Dist. Stag. ConvettiviConvettivi StratiformiStratiformi

GFMGFM 24482448 40104010

AMGAMG 26392639 21292129

LASLAS 20502050 22142214

ONDOND 19131913 21862186

Dist. OrariaDist. Oraria ConvettiviConvettivi StratiformiStratiformi

01:3001:30 42164216 46394639

12:3012:30 48344834 59005900

TOTALETOTALE 90509050 1053910539

ConvettivoConvettivo PianuraPianura CollinaCollina MontagnaMontagna

<Z><Z>

+-<+-<σσ ΖΖ>>

[dB][dB]

-11.74-11.74

4.324.32

-11.59-11.59

4.354.35

-11.32-11.32

4.454.45

PROFILO CONVETTIVO= Profilo con almeno 8 bin luminosi continui cheraggiungono la quota di 600 m. dal suolo

PROFILO STRATIFORME= Profilo i cui bin luminosi continui non raggiungono la quota di 600 m. dal suolo

PROFILO: Profilo verticale di nubecon almeno 4 bin luminosi continui

StratiformeStratiforme PianuraPianura CollinaCollina MontagnaMontagna

<Z><Z>

+-<+-<σσ ΖΖ>>

[dB][dB]

-14.77-14.77

3.053.05

-14.95-14.95

2.952.95

-14.96-14.96

2.932.93

Nessun legame dinamico col terrenoValori crescenti Bologna, 19 Novembre 2009Bologna, 19 Novembre 2009Seminario ARPA-SIMCSeminario ARPA-SIMC 1818/37/37

Profili convettivi mediProfili convettivi medi

Spessore nubi marittime

Crescita limitata in montagna

Massimo Z alla basedelle nubi

Attenuazione


Profili stratiformi mediProfili stratiformi medi

Quota superiore

Riflettività minori

Strato-cumuli sul mare

Cirri e cirrostrati sul terreno

Nuclei di condensazione

Attenuazione


Relazione tra l’osservazione dei profili di nube Relazione tra l’osservazione dei profili di nube dal radar satellitare e dal radar da terradal radar satellitare e dal radar da terra


Radar da terraRadar da terra

Gattatico

San Pietro Capofiume

λ λ (cm)(cm) 5.55.5

Frequenza (GHz)Frequenza (GHz) 5.55.5

PRF (Hz)PRF (Hz) 12001200

Larghezza fascio (°)Larghezza fascio (°) 0.90.9

Lunghezza impulso (Lunghezza impulso (µµs)s) 0.50.5

Diametro antenna (m)Diametro antenna (m) 55

Risoluzione radiale (m)Risoluzione radiale (m) 250250

Numero elevazioniNumero elevazioni 1515

Distanza massima (km)Distanza massima (km) 122.5122.5

Risoluzione temporale (min)Risoluzione temporale (min) 1515


Riduzione dei due dataset alla Riduzione dei due dataset alla stessa grigliastessa griglia

Profilo CloudSat

Nuova griglia

Volume scansionato dal radar al suolo

Direzione di spostamento del CloudSatRadar a terra

Bin

Celle


Risoluzioni spaziali di acquisizioneRisoluzioni spaziali di acquisizione

RADARDA TERRA

CPR

•Risoluzione verticale 240 metri•Lunghezza traccia al suolo 1.7 km•Larghezza traccia al suolo 1.3 km

•Risoluzione radiale 250 metri•Diametro fascio a 100 km 1.6 km

Volumi delle celle radar e dei bin CloudSat equivalenti ma con diversa disposizione nello spazio!!!

Cella radar

Bin CloudSat


Velocità di spostamento di sistemi Velocità di spostamento di sistemi stratiformi e convettivistratiformi e convettivi

∆t=15 min.

Per gli eventi analizzati: ∆t < 6minBologna, 19 Novembre 2009Bologna, 19 Novembre 2009Seminario ARPA-SIMCSeminario ARPA-SIMC 2525/37/37

BANDA C

Interazione radiazione-idrometeore Interazione radiazione-idrometeore per le bande radar esaminateper le bande radar esaminate

BANDA W

Scattering

Assorbimento

Totale Attenuazione


Caso di studio - 30 marzo 2007:Caso di studio - 30 marzo 2007:complementarietàcomplementarietà

SCANSIONE CS 01:28

RICOSTRUZIONE 01:34


Caso di studio (2) - 23 agosto 2007:Caso di studio (2) - 23 agosto 2007:attenuazioneattenuazione

SCANSIONE CS 12:24

RICOSTRUZIONE 12:19


Caso di studio (3) - 31 ottobre 2007:Caso di studio (3) - 31 ottobre 2007:bright bandbright band

SCANSIONE CS 01:33

RICOSTRUZIONE 01:34

BRIGHT BAND


Profili di RE e LWC: 30 marzo 2007Profili di RE e LWC: 30 marzo 2007



Profili di RE e LWC: 3 maggio 2007Profili di RE e LWC: 3 maggio 2007



Profili di RE e LWC: 26 maggio 2007Profili di RE e LWC: 26 maggio 2007


In sintesiIn sintesiPer la prima volta sono stati studiati i profili verticali di Per la prima volta sono stati studiati i profili verticali di nube alle medie latitudini.nube alle medie latitudini.

Sono stati analizzati gli eventi dell’Sono stati analizzati gli eventi dell’anno 2007anno 2007 dell’ dell’area area alpinaalpina e della e della Pianura PadanaPianura Padana..

Questo studio è stato condotto secondo due diversi tipi di Questo studio è stato condotto secondo due diversi tipi di analisi:analisi:

4.4. Caratteristiche medie dei profili verticali di nube in Caratteristiche medie dei profili verticali di nube in relazione alle proprietà morfologiche del terreno;relazione alle proprietà morfologiche del terreno;

5.5. Osservazione combinata dal CPR e dal radar da terra.Osservazione combinata dal CPR e dal radar da terra.


Conclusioni 1Conclusioni 1

La riflettività e la rispettiva deviazione standard assumono i La riflettività e la rispettiva deviazione standard assumono i massimi valori al top delle nubi che sovrastano le catene massimi valori al top delle nubi che sovrastano le catene montuose montuose ENHANCEMENT OROGRAFICOENHANCEMENT OROGRAFICO

Maggiore riflettività delle nubi convettive rispetto a quelle Maggiore riflettività delle nubi convettive rispetto a quelle stratiformistratiformi

Forte sviluppo verticale delle nubi convettive soprattutto sul Forte sviluppo verticale delle nubi convettive soprattutto sul mare (umidità convezione)mare (umidità convezione)

Massimo di riflettività alla base delle nubi stratiformi Massimo di riflettività alla base delle nubi stratiformi marittime (nuclei di condensazione)marittime (nuclei di condensazione)

Diminuzione del segnale sotto ai rispettivi massimi di Diminuzione del segnale sotto ai rispettivi massimi di riflettività (spessore ottico nubi attenuazione; riflettività (spessore ottico nubi attenuazione; zone asciutte)zone asciutte)


Conclusioni 2Conclusioni 2

Sistema di OSSERVAZIONE COMBINATA Sistema di OSSERVAZIONE COMBINATA da radar da terra e dallo spazioda radar da terra e dallo spazio

COMPLEMENTARIETÀ tra le due COMPLEMENTARIETÀ tra le due metodologie di osservazionemetodologie di osservazione

Entrambi distinguono la presenza della Entrambi distinguono la presenza della BRIGHT BANDBRIGHT BAND

Il CPR può osservare bene la precipitazione Il CPR può osservare bene la precipitazione deboledebole


Possibili sviluppi futuriPossibili sviluppi futuri

Dinamica (Intensità e direzione dei flussi)Dinamica (Intensità e direzione dei flussi) Aerosol (Nuclei di condensazione marittima)Aerosol (Nuclei di condensazione marittima) Prodotti CloudSatProdotti CloudSat


RingraziamentiRingraziamenti

Dott.ssa Miria CelanoDott.ssa Miria Celano Dott. Pier Paolo AlberoniDott. Pier Paolo Alberoni


Concetti di Radar-Meteorologia: Concetti di Radar-Meteorologia: misure di precipitazione da radarmisure di precipitazione da radar

1-21-2 30-1530-15 LL

2-42-4 15-7.5015-7.50 SS

4-84-8 7.50-3.757.50-3.75 CC

8-128-12 3.75-2.403.75-2.40 XX

12-1812-18 2.40-1.672.40-1.67 KKUU

18-2718-27 1.67-1.131.67-1.13 KK

27-4027-40 1.13-0.751.13-0.75 KKAA

40-7540-75 0.75-0.400.75-0.40 VV

75-11075-110 0.40-0.270.40-0.27 WW

2r

ZPr ∝

bARZ =Frequenza (GHz) λ (cm) Banda

Fattore di riflettività radar

Intensità della precipitazione

Stima della precipitazioneda radar

Tipo di Tipo di precipitazioneprecipitazione

EquazioneEquazione

StratiformeStratiforme Z=200RZ=200R1.61.6

OrograficaOrografica Z=31RZ=31R1.711.71

ConvettivaConvettiva Z=486RZ=486R1.371.37


Distribuzione della riflettività Distribuzione della riflettività in base alla pendenza del suoloin base alla pendenza del suolo

ParametroParametro BassaBassa MediaMedia AltaAlta

ZZ

ss

PP CC MM

AA

MM

BB

Segnale debole.


Registrazione sul sito del CIRA Registrazione sul sito del CIRA ((http://cloudsat.cira.colostate.edu/data_dist/OrderData.phphttp://cloudsat.cira.colostate.edu/data_dist/OrderData.php))

Scelta dei criteri per la selezione dei Scelta dei criteri per la selezione dei prodotti prodotti

Download dei prodottiDownload dei prodotti

Ordine e download dei prodotti CloudSatOrdine e download dei prodotti CloudSat

Selezione dell’intervallo temporale

Scelta dell’area geografica e dei criteri sui profili

Scelta del tipo di prodotto

Risultati della ricercaDati utilizzati per questo studio

Intervallo temporale Dal 1/1/2007 al 31/12/2007

Area geografica Alpi, Appennino settentrionale, Pianura Padana

Tipo di prodotto 2B-GEOPROF (Riflettività Radar)

Totale passaggi scaricati 237


http://cloudsat.cira.colostate.edu/data_dist/OrderData.php

Distanza non ambiguaDistanza non ambigua

Dist non-amb= ½ PRI c = ½ c / PRF

Pulse Repetition Interval (PRI) = PRF-1

Distanza Ambigua

Rx1 è l’eco del segnale Tx1 per un bersaglio posto alla distanza Range A

Rx2 è l’eco del segnale Tx2 per un bersaglio posto alla distanza Range B

Rx2 è l’eco del segnale Tx1 per un bersaglio posto alla distanza Range C

oppure


Selezione ed estrazione dei profili Selezione ed estrazione dei profili verticali di volume radarverticali di volume radar

RIDURRE I DUE DATASET ALLA STESSA GRIGLIA (CloudSat)• Per i dati CloudSat (CS):3. Trasformazione da coordinate geografiche a terrestri (WGS84) per tutti i profili CS4. Calcolo della distanza tra i profili CS e il radar al suolo5. Selezione delle traiettorie satellitari i cui profili sono distanti meno di 100 km dal

radar• Per i dati del radar al suolo (celle):7. Calcolo dell’altezza e della distanza sulla superficie raggiunta dal fascio radar8. Calcolo delle coordinate geografiche9. Trasformazione da coordinate geografiche a terrestri (WGS84) • Nuova griglia:11.Calcolo della distanza (3D) tra tutte le celle radar e tutti i bin dei profili CS

selezionati12.Selezione dei dati di riflettività (del radar al suolo) le cui celle sono distanti dal bin

(griglia CS) meno di 1 km


Diffusione ed attenuazioneDiffusione ed attenuazione

2

12

2

))(12()1(∑∞

=

−+−=n

nnn ban

a

απσ62

5

4 ii DKλπσ =

λπα a2=

drPkPd rLr 2=

1≈α1<<α

Approssimazione di Rayleigh Approssimazione di Mie

Raggio sfera

Lunghezza d’onda

Diametro particelle

2

12

2

+−=

m

mK

Coefficienti per il campo d’onda diffusa (Bessel, Hankel)

Coefficiente di attenuazione (assorbimento + diffusione)Gas atmosfericiNubiPrecipitazioni


Sviluppo di nubi orograficheSviluppo di nubi orografiche

EspansioneRaffreddamentoCondensazione(nuclei di condensazione)

Coalescenza Precipitazione

Forte spintaorografica fino al

top della nube

Risalita forzata


Caso di studio - 30 marzo 2007:Caso di studio - 30 marzo 2007:complementarietàcomplementarietà

SCANSIONE CS 01:28

RICOSTRUZIONE 01:34


L’equazione RadarL’equazione Radar24/ rPt π

24 r

GAPP tt

πσ =

( ) 424 r

AGAPP ettr π

=

Potenza trasmessa isotropicamente dall’antenna

Potenza retro-diffusa all’antenna

Potenza intercettata dal bersaglio

Sezione d’urto di retro-diffusione

**2 /4 σπσ PPr r=

Potenza retrodiffusa per un singolo bersaglio ( ) 43

22

4 r

GPP itr π

σλ=

Equazione Radar ∑=vol

it

r r

hGPP σ

πθφλ

22

22

)2ln2(12

Sezione d’urto del bersaglio

Guadagno antenna

Sezione d’urto effettiva dell’ antennape AA ρ=

Apertura ed efficienza dell’antenna

Riflettività Radar

Dimensione verticale ed orizzontale del fascio radar Lunghezza dell’impulso

tP alla distanza r:


Sezione d’urtoSezione d’urto

2

12

2

))(12()1(∑∞

=

−+−=n

nnn ban

a

απσ62

5

4 ii DKλπσ =

λπα a2=

1≈α1<<α

Approssimazione di Rayleigh Approssimazione di Mie

Raggio sfera

Lunghezza d’onda

Diametro particelle

2

12

2

+−=

m

mK

Coefficienti per il campo d’onda diffusa (Funzioni di Bessel, Hankel)



Profili di RE e LWC: 8 aprile 2007Profili di RE e LWC: 8 aprile 2007


Profili di Raggio Efficace e Contenuto di Acqua LiquidaProfili di Raggio Efficace e Contenuto di Acqua Liquida


osservazione della struttura di nubi in presenza … · migliorare la conoscenza sulla formazione e...

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