- 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
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
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
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.
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)
e di imputazione dei dati mancanti (Jona Lasinio, Orasi, 2002
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.
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.
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