previsioni probabilistiche entro un orizzonte di tempo e stima del tempo esatto di esondazione

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Previsioni probabilistiche entro un orizzonte di tempo e Previsioni probabilistiche entro un orizzonte di tempo e stima del tempo esatto di esondazione stima del tempo esatto di esondazione Gabriele Coccia Gabriele Coccia (1) (1) , Enrique Ortiz , Enrique Ortiz (1) (1) , Ezio Todini , Ezio Todini (2) (2) (1) (1) Idrologia e Ambiente S.r.l., Napoli, Italia Idrologia e Ambiente S.r.l., Napoli, Italia (2) (2) Dipartimento di Scienze della Terra e Geologico Dipartimento di Scienze della Terra e Geologico - - Ambientali Ambientali Università di Bologna (Italia) Università di Bologna (Italia) Contatti: [email protected] Contatti: [email protected] - - [email protected] [email protected] Probabilità del tempo esatto di esondazione Probabilità di esondazione entro un deter- minato orizzonte di tempo MULTI-TEMPORALE Incertezza predittiva condizionata all’inte- ro set di previsione (da 0 a 36 ore) OBIETTIVO: stimare la probabilità che un’esondazione (superamento di una soglia) avvenga entro un certo oriz- zonte di tempo e la probabilità del tempo esatto in cui si verificherà Negli ultimi anni sono stati sviluppati vari processori statistici in grado di fornire stime accurate dell’incertezza preditti- va basate sulle informazioni date dai modelli di previsione (HUP, BMA, MCP, ...). Questi strumenti forniscono un impor- tante supporto al processo decisionale nella gestione delle emergenze permettendo di stimare quale sia la probabi- lità che ad un certo istante il livello del fiume sia superiore ad una determinata soglia di allarme (probabilità di esonda- zione). I processori d’incertezza sviluppati finora però non sono in grado di rispondere ad alcune domande fondamen- tali in un processo decisionale: Qual è la probabilità che un’esondazione avvenga entro un certo orizzonte di tempo? Qual è la probabilità che l’esondazione avvenga esattamente ad un certo istante di tempo? Impostazione metodologica: L’approccio classico prevede la stima dell’incertezza predittiva basata sulla correlazione tra le previsioni del modello e le osservazioni; in pratica l’incertezza è definita come la distribuzione di probabilità della grandezza osservata condi- zionata alla previsione di uno o più modelli ad un preciso istante. Per poter rispondere alle precedenti domande è necessario, però, conoscere anche le correlazioni tra le previsioni e le osservazioni a diversi orizzonti di tempo. Infatti, la prima domanda chiede la probabilità che l’esondazione avvenga in uno o più passi di tempo all’interno dell’intervallo di previsione e la seconda la probabilità che l’esondazione av- venga esattamente ad un certo istante di tempo e non prima. Recentemente la metodologia alla base del Model Conditional Processor (Todini, 2008; Coccia e Todini, 2011) è sta- ta ampliata per poter determinare anche queste correlazioni, è nata così la versione MULTI-TEMPORALE del MCP. In questo caso l’incertezza predittiva assume la forma di una distribuzione multivariata, in cui ogni variabile rappresen- ta la grandezza osservata ai diversi passi di tempo della previsione, ed è condizionata a tutte le previsioni di uno o più modelli entro l’intero orizzonte di previsione. Questa distribuzione si ottiene applicando il teorema di Bayes ed è definita come il rapporto tra la distribuzione congiunta delle previsioni e delle osservazioni ad ogni passo di tempo e la distribuzione congiunta delle sole previsioni ad ogni istante. PREVISIONE CON T PASSI DI TEMPO E N MODELLI: Incertezza Predittiva Probabilità d’esondazione entro T passi di tempo Probabilità del tempo esatto (T * ) di esondazione Applicazione del MCP nella versione MULTI-TEMPORALE, il fiume Po: La nuova versione del MCP è stata sperimentata sul fiume Po, prendendo in considerazione le stazio- ni di misura di Ponte Spessa, Piacenza, Cremona, Boretto, Borgoforte e Pontelagoscuro. I dati sono stati forniti dalla Protezione Civile della Regione Emilia-Romagna e sono stati generati dal loro sistema di previsione operativo sulla parte emilano-romagnola del fiume Po, che fornisce ogni ora pre- visioni orarie con 36 ore di anticipo. I 9 anni di dati disponibili sono stati suddivisi in due parti rispettivamente per calibrare e validare il pro- cessore. RISULTATI 13/10 22.00 14/10 10.00 14/10 22.00 15/10 10.00 15/10 22.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 Level [m] 13/10 22.00 14/10 10.00 14/10 22.00 15/10 10.00 15/10 22.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 Level [m] 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 P(y i >s) i=1,t 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 f(t) 06/11 02.00 06/11 14.00 07/11 02.00 07/11 14.00 08/11 02.00 08/11 14.00 -3.00 -2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 Level [m] 06/11 02.00 06/11 14.00 07/11 02.00 07/11 14.00 08/11 02.00 08/11 14.00 -3.00 -2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 Level [m] 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 P(y i >s) i=1,t 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 f(t) VERSIONE STANDARD Incertezza predittiva calcolata indipenden- temente per ogni passo di tempo PONTELAGOSCURO PONTE SPESSA BORGOFORTE Nelle figure successive sono riportati i risultati ottenuti su eventi appartenenti al periodo di validazione delle stazioni di Ponte Spessa, Borgoforte e Pontelagoscuro. Rispetto alla versione standard: Netto miglioramento nella stima del valore atteso dell’incertezza predittiva Evidente riduzione della banda d’incertezza Inoltre: Stima della probabilità d’esondazione entro l’intervallo di tempo Stima della probabilità dell’esatto tempo di esondazione 06/11 15.00 07/11 03.00 07/11 15.00 08/11 03.00 08/11 15.00 09/11 03.00 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 Level [m] 06/11 15.00 07/11 03.00 07/11 15.00 08/11 03.00 08/11 15.00 09/11 03.00 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 Level [m] 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 P(y i >s) i=1,t 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 f(t)

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Previsioni probabilistiche entro un orizzonte di tempo e stima del tempo esatto di esondazione

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Page 1: Previsioni probabilistiche entro un orizzonte di tempo e stima del tempo esatto di esondazione

Previsioni probabilistiche entro un orizzonte di tempo e Previsioni probabilistiche entro un orizzonte di tempo e

stima del tempo esatto di esondazionestima del tempo esatto di esondazione

Gabriele CocciaGabriele Coccia(1)(1), Enrique Ortiz, Enrique Ortiz(1)(1)

, Ezio Todini, Ezio Todini(2)(2)

(1)(1)Idrologia e Ambiente S.r.l., Napoli, ItaliaIdrologia e Ambiente S.r.l., Napoli, Italia

(2)(2)Dipartimento di Scienze della Terra e GeologicoDipartimento di Scienze della Terra e Geologico--Ambientali Ambientali –– Università di Bologna (Italia)Università di Bologna (Italia)

Contatti: [email protected] Contatti: [email protected] -- [email protected]@unibo.it

Probabilità del tempo esatto di esondazione

Probabilità di esondazione entro un deter-

minato orizzonte di tempo

MULTI-TEMPORALE

Incertezza predittiva condizionata all’inte-

ro set di previsione (da 0 a 36 ore)

OBIETTIVO: stimare la probabilità che un’esondazione (superamento di una soglia) avvenga entro un certo oriz-zonte di tempo e la probabilità del tempo esatto in cui si verificherà

Negli ultimi anni sono stati sviluppati vari processori statistici in grado di fornire stime accurate dell’incertezza preditti-

va basate sulle informazioni date dai modelli di previsione (HUP, BMA, MCP, ...). Questi strumenti forniscono un impor-

tante supporto al processo decisionale nella gestione delle emergenze permettendo di stimare quale sia la probabi-

lità che ad un certo istante il livello del fiume sia superiore ad una determinata soglia di allarme (probabilità di esonda-

zione). I processori d’incertezza sviluppati finora però non sono in grado di rispondere ad alcune domande fondamen-

tali in un processo decisionale:

Qual è la probabilità che un’esondazione avvenga entro un certo orizzonte di tempo?

Qual è la probabilità che l’esondazione avvenga esattamente ad un certo istante di tempo?

Impostazione metodologica:

L’approccio classico prevede la stima dell’incertezza predittiva basata sulla correlazione tra le previsioni del modello e le osservazioni; in pratica l’incertezza è definita come la distribuzione di probabilità della grandezza osservata condi-zionata alla previsione di uno o più modelli ad un preciso istante.

Per poter rispondere alle precedenti domande è necessario, però, conoscere anche le correlazioni tra le previsioni e le osservazioni a diversi orizzonti di tempo. Infatti, la prima domanda chiede la probabilità che l’esondazione avvenga in uno o più passi di tempo all’interno dell’intervallo di previsione e la seconda la probabilità che l’esondazione av-venga esattamente ad un certo istante di tempo e non prima.

Recentemente la metodologia alla base del Model Conditional Processor (Todini, 2008; Coccia e Todini, 2011) è sta-ta ampliata per poter determinare anche queste correlazioni, è nata così la versione MULTI-TEMPORALE del MCP. In questo caso l’incertezza predittiva assume la forma di una distribuzione multivariata, in cui ogni variabile rappresen-ta la grandezza osservata ai diversi passi di tempo della previsione, ed è condizionata a tutte le previsioni di uno o più modelli entro l’intero orizzonte di previsione. Questa distribuzione si ottiene applicando il teorema di Bayes ed è definita come il rapporto tra la distribuzione congiunta delle previsioni e delle osservazioni ad ogni passo di tempo e la distribuzione congiunta delle sole previsioni ad ogni istante.

PREVISIONE CON T PASSI DI TEMPO E N MODELLI:

Incertezza Predittiva

Probabilità d’esondazione entro T passi di tempo

Probabilità del tempo esatto (T*) di esondazione

Applicazione del MCP nella versione MULTI-TEMPORALE, il fiume Po:

La nuova versione del MCP è stata sperimentata sul fiume Po, prendendo in considerazione le stazio-

ni di misura di Ponte Spessa, Piacenza, Cremona, Boretto, Borgoforte e Pontelagoscuro. I dati

sono stati forniti dalla Protezione Civile della Regione Emilia-Romagna e sono stati generati dal loro

sistema di previsione operativo sulla parte emilano-romagnola del fiume Po, che fornisce ogni ora pre-

visioni orarie con 36 ore di anticipo.

I 9 anni di dati disponibili sono stati suddivisi in due parti rispettivamente per calibrare e validare il pro-cessore.

RISULTATI

13/10 22.00 14/10 10.00 14/10 22.00 15/10 10.00 15/10 22.00

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0.20

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VERSIONE STANDARD

Incertezza predittiva calcolata indipenden-

temente per ogni passo di tempo

PONTELAGOSCURO PONTE SPESSA BORGOFORTE

Nelle figure successive sono riportati i risultati ottenuti su eventi appartenenti al periodo di validazione delle stazioni di Ponte Spessa, Borgoforte e Pontelagoscuro.

Rispetto alla versione standard: Netto miglioramento nella stima del valore atteso dell’incertezza predittiva Evidente riduzione della banda d’incertezza

Inoltre: Stima della probabilità d’esondazione entro l’intervallo di tempo Stima della probabilità dell’esatto tempo di esondazione

06/11 15.00 07/11 03.00 07/11 15.00 08/11 03.00 08/11 15.00 09/11 03.00

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