Radar Hydrology and Flash Flood Event Analysis

Una piena improvvisa è una piena che segue l’evento precipitativo che la ha causata entro un breve periodo di tempo. Il termine “improvvisa o flash” riflette una risposta rapida, con il picco di piena che si verifica nella rete di drenaggio nel volgere di alcuni minuti fino a poche ore dopo l’inizio dell’evento di pioggia. Questo fatto lascia intendere quanto poco tempo ci sia per l’allerta [Creutin and Borga, 2003; Borga et al., 2008]. Questo tipo di bacini rispondo rapidamente ad una precipitazione intensa a causa di pendii ripidi e superfici impermeabili, terreni saturi, o a per fattori determinati dall’uomo (vedi per esempio l’urbanizzazione) o a causa di alterazioni del drenaggio naturale del terreno dovuto ad incendi. Gli eventi scatenanti le piene improvvise sono generalmente precipitazioni che portano all’eccesso di drenaggio, ma questo tipo di piene possono anche essere scatenate dal rilascio improvviso di acqua trattenuta da impedimenti naturali (per esempio formati da ghiaccio e roccia, fango e detriti di legno) o di tipo artificiale come dighe e argini. Questa tesi si concentra su eventi di piena improvvisa associati a precipitazioni intense. L’Europa ha conosciuto diverse inondazioni catastrofiche negli ultimi decenni. I dati relativi un certo numero di queste inondazioni che si sono verificate nel corso degli ultimi 15 anni sono riportati da Marchi et al. (2010). Dall’analisi di questi dati e di queste fonti risulta che: Una piena improvvisa si può verificare in qualsivoglia regione idroclimatica dell’Europa, anche se tre regioni sembrano essere caratterizzate da una grande incidenza di di piene improvvise: l’area Mediterranea, quella Alpino-Mediterranea, e quella Continentale; Una gran quantità di pioggia accumulata è una condizione necessaria ma non sufficiente al verificarsi di una piena improvvisa, dal momento che l’idrologia controlla in modo decisivo l’innesco della piena improvvisa. Senza un’analisi di tipo idrologico, risulta impossibile valutare la probabilità che una data precipitazione scateni una piena, in praticolare in termini di una soglia oltre la quale si verifica la piena; La pericolosià delle piene improvvise è collegata sia alla risposta del fiume (la piena) che alla risposta del terreno (fenomeni di tipo franoso ed erosivo). L’intensa erosione ed il trasporto solido associati a questi fenomeni estremi si aggiungono alla pericolosità ed influenzano in modo significativo la qualità dei terreni, delle acque e degli ecosistemi. La duplice conseguenza delle osservazioni appena fatte è che la previsione di piene improvvise: Dipende in modo determinante dalle previsioni delle precipitazioni che si sviluppano alla meso-scala, con una attenzione specifica ai processi che frenano la circolazione del sistema di precipitazione; Richiedone modelli idrologici che lavorino in tempo reale, con una particolare attenzione ai processi du generazione del deflusso a vasta scala. Anche se raramente sono tutti utilizzati contemporaneamente, i requisiti tecnici per un sistema di previsione idrometeorologica per le piene improvvise comprendono: Un modello numerico di previsione (NWP2), in grado di fornire previsioni quantitative di pioggia a corto raggio (QPF3); Un sistema di rilevamento in remoto per la pioggia (radar, satellite), per il monitoriraggio dei fenomeni temporaleschi e la possibilie inizializzazione e condizionamento del modello NWP, e Un modello di previsione idrologico-idraulico, in grado di prevedere la risposta del corso d’acqua all’input pioggia. Tali requisiti sono simili a quelli più comuni utilizzati per la previsione delle alluvioni dei sistemi fluviali. Tuttavia, alcuni elementi caratterizzano la previsione delle piene improvvise rispetto alla previsione delle alluvioni e ne sottolineano la grande incertezza. Questi sono: Il breve periodo durante il quale questi processi si sviluppano, che implica sia l’integrazione di un sistema di previsione di tipo meteorologico e idrologico, che la difficoltà nell’utilizzo di procedure di assimilazione di dati basate sull’osservazione in tempo reale delle portate al fine di ridurre l’incertezza nelle previsioni idrologiche; La necessità di fornire previsioni a scala locale, il che significa da una parte che la pioggia deve essere monitorata e prevista su una vasta scala spazio-temporale, all’altra che ciascun tributario del bacino monitorato può essere considerato come un bersaglio potenziale per un allarme di piena. La stima di fenomeni precipitativi estremi tramite l’utilizzo del radar meteorologico alla appropriata scala spazio-temporale è una pietra miliare dell’analisi e della previsione delle piene improvvise. Una grande branca della ricerca in questo campo ha favorito un notevolmente migliorato, negli ultimi due decenni, delle tecnologie radar e degli algoritmi per la stima di pioggia. Questo lavoro ha dimostrato che anche utilizzando sistemi radar convenzionali si possono ottenere stime di precipitaziona a livello del suolo, a condizione che vengono adottate una serie di precauzioni, in particolare: L’ubicazione dello strumento e del suo protocollo di scansione devono essere attentamente selezionati ed analizzati; La qualità dello strumento deve essere sottoposta a controlli ordinari; L’elaborazione del segnale deve tener conto della fisica dello strumento così come delle proprietà atmosferiche e dei bersagli di terra. Un controllo a valle del trattamento delle precipitazioni radar può essere fatto tramite misurazioni da pluviometro a livello del suolo utilizzando una varietà di metodi. Quando si sono prese queste precauzioni, diversi studi hanno dimostrato che le stime di precipitazione basate su radar meteorologico sono affidabili e possono essere utilizzate come input di modelli afflussodeflusso per la modellazione e la previsione delle piene [Borga et al., 2000; Delrieu et al., 2005; Borga et al., 2002]. A fronte di questi risultati molto positivi non devono però essere nascosti alcuni punti deboli: La maggior parte di questi risultati non hanno mai la possibilità di essere coerentemente convalidati su un numero significativo di eventi di piena improvvisa. L’utilizzo di esperimenti specifici o di una banca dati limitata di dati radar è insufficiente a testare la combinazione complessa degli algoritmi utilizzati, specialmente se si è interessati ad intensità di pioggia elevata. Un numero molto limitato di risultati positivi è stato tradotto in applicazioni idrologiche operative. Questa tesi si propone di esaminare l’uso del radar meteorologico ai fini della comprensione dei meccanismi idrometeorologici che portano alla formazione di piene improvvise, e quindi alla loro previsione. L’organizzazione del lavoro di tesi è la seguente. Il Capitolo 1 fornisce una revisione della letteratura sul tema della stima di precipitazione tramite radar meteorologico per le precipitazioni che causano la formazione di piene improvvise. Il Capitolo 2 descrive una serie di procedure per la stima delle precipitazioni al suolo durante gli eventi di piena improvvisa in bacini montani. Una metrica per l’analisi spaziale del campo di pioggia viene proposta nel Capitolo 3, nel contesto dell’analisi di una serie di piene improvvise verificatesi in Romania. Questa metrica è utilizzata per l’analisi di due eventi di piena, accaduti rispettivamente nel 2003 nelle Alpi Italiane friulane e nella parte ovest della Slovenia (Capitolo 5). Le conclusioni principali del lavoro di tesi sono riportate nel Capitolo 6.