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ICE-GENESIS : analisi delle misure a Les Éplatures (Parte 3/3)

28 aprile 2021, 2 Commenti

Nell'ambito del progetto ICE-GENESIS, finanziato dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione Europea in accordo alla convenzione N°824310, nella seconda metà di gennaio si è svolta una campagna di misure aerea e terrestre all'aeroporto di Les Éplatures a La Chaux-De-Fonds, per studiare le precipitazioni sotto forma di neve. In questo terzo e ultimo blog della serie, scopriremo le misure delle nevicate del 27 gennaio 2021

Breve riassunto degli episodi precedenti

Nell'episodio numero 1 di questa serie di blog abbiamo visto gli obiettivi della campagna ICE-GENESIS e la collaborazione con Météo-France. In sintesi, l'obiettivo del progetto ICE GENESIS https://www.ice-genesis.eu/ è quello di migliorare la simulazione dei fenomeni che possono portare alla formazione di ghiaccio sugli aerei. Nell'ambito di questo progetto è stata organizzata a la Chaux-de-Fonds una campagna di misure per studiare la neve utilizzando misure aeree e al suolo, dove sono stati installati vari strumenti, compresi i radar meteorologici. MétéoSuisse, in collaborazione con Météo-France, ha fornito le previsioni per la pianificazione dei voli scientifici, al fine di identificare i periodi di misurazione e le altitudini di volo degli aerei più proficue.

Nell'episodio 2, abbiamo analizzato la situazione sinottica e le previsioni fatte per il volo del 27 gennaio.

In quest'ultimo episodio, spieghiamo alcune delle misure prese durante l'evento nevoso del 27 gennaio per illustrare l'utilità di questi dati nello studio delle precipitazioni nevose.
 

Strumenti utilizzati per questa analisi

Fra tutto l’insieme degli strumenti utilizzati durante la campagna, presenteremo qui i dati raccolti dal cloud radar e dalla Multi-Angle Snowflake Camera (MASC) del Laboratoire de Télédétection Environnementale (LTE) dell'EPFL. Il radar in questione (vedi Fig. 1a) è un profiler, cioè misura solo verticalmente e non ha una parte mobile per scandire l'atmosfera come per esempio i radar che misurano le precipitazioni di MeteoSvizzera.

Come tutti i radar, emette un campo elettromagnetico e misura la potenza retrodiffusa dalla precipitazione. La conversione da potenza ricevuta a riflettività radar avviene tramite l'equazione radar meteorologica. La riflettività radar dipende principalmente dalle dimensioni delle idrometeore (gocce di pioggia o fiocchi di neve) e in misura minore dalla loro concentrazione. Un'alta riflettività radar è quindi sinonimo di precipitazioni intense. Esistono delle relazioni tra la riflettività radar e l'intensità delle precipitazioni che ci permettono di visualizzare i nostri dati radar in mm/h. Tornando al radar di Fig. 1a, è anche un radar Doppler, il che significa che misura la velocità Doppler delle idrometeore. La velocità Doppler è la velocità relativa di movimento delle idrometeore rispetto al radar. Nel caso di un profilatore verticale, questa velocità corrisponde alla loro velocità verticale.
 

Visione ingrandita: Fig. 1: Esempio di strumentazione utilizzata a Les Éplatures. (a) cloud-radar e (b) Multi-Angle Snowflake Camera (MASC).
Fig. 1: Esempio di strumentazione utilizzata a Les Éplatures. (a) cloud-radar e (b) Multi-Angle Snowflake Camera (MASC).

Analisi dei dati

La figura 2 mostra la riflettività radar e la velocità Doppler misurate dal cloud-radar dal 27 al 28 gennaio 2021. Le velocità negative (in blu) corrispondono a uno spostamento relativo verso il radar, in altre parole le idrometeore stanno cadendo. Le velocità positive (in rosso) rappresentano aree di portanza nelle nuvole. In particolare, un sollevamento è stato osservato a 2000 m intorno alle 07:00 UTC del 27 gennaio su uno spessore di circa 300 m. Dopo le 22:00 UTC del 27 gennaio, si vede un'area blu scuro che si estende dal suolo a circa 1700 m di altitudine. Questa rapida transizione dalla bassa all'alta velocità Doppler (da circa 1 m/s a più di 3 m/s in valore assoluto) corrisponde alla fusione dei fiocchi di neve per formare gocce di pioggia. Le gocce di pioggia cadono quasi 10 volte più velocemente dei fiocchi di neve e quindi all'altezza in cui i fiocchi di neve si sciolgono c'è un rapido cambiamento della velocità Doppler. I radar Doppler sono quindi ottimi strumenti per misurare l'altitudine del confine pioggia-neve.
 

Visione ingrandita: Fig. 2: (a) riflettività (Ze) e (b) velocità Doppler (VDopp) misurata dal radar - nuvola dal 27 al 28 gennaio 2021. Le aree grigie tra le 02:20 e le 02:50 UTC e tra le 16:15 e le 19:20 UTC del 27 gennaio corrispondono a un malfunzionamento del radar.
Fig. 2: (a) riflettività (Ze) e (b) velocità Doppler (VDopp) misurata dal radar - nuvola dal 27 al 28 gennaio 2021. Le aree grigie tra le 02:20 e le 02:50 UTC e tra le 16:15 e le 19:20 UTC del 27 gennaio corrispondono a un malfunzionamento del radar.

Nel nostro caso, ha nevicato a Les Éplatures fino alle 22:15 UTC circa, poi il limite della pioggia-neve è salito dal suolo a 1700 m in pochi minuti con il passaggio del fronte caldo. La Fig. 3 mostra che la previsione fatta da COSMO-1E ha previsto questa transizione da neve a pioggia abbastanza bene, anche se il modello l'ha prevista un'ora troppo presto. Possiamo anche vedere che le precipitazioni più intense del 28 tra le 08:00 e le 13:00 UTC, il regime di pioggia del 28 tra le 15:00 e le 23:00 UTC e la fine delle precipitazioni sono state previste abbastanza bene. Queste previsioni sono state particolarmente utili per decidere la tempistica del volo che ha avuto luogo tra le 14:00 e le 17:00 UTC circa del 27 gennaio durante la fase più intensa della nevicata e prima dell'arrivo della pioggia, il che pone le basi di buone premesse per bei confronti tra le misure di neve prese da terra e quelle dall'aereo.

Possiamo quindi concludere che le previsioni ci hanno permesso di prendere le giuste decisioni riguardo all'orario dei voli.
 

Visione ingrandita: Fig. 3: Previsione delle precipitazioni COSMO-1E per il 27 gennaio 2021 alle 03:00 UTC per Les Éplatures. La neve è raffigurata in rosso, la pioggia in blu. Tutti gli orari sono in UTC.
Fig. 3: Previsione delle precipitazioni COSMO-1E per il 27 gennaio 2021 alle 03:00 UTC per Les Éplatures. La neve è raffigurata in rosso, la pioggia in blu. Tutti gli orari sono in UTC.
Source : COSMO-1E @MétéoSuisse

La Fig. 4 mostra delle foto scattate dal MASC. Questo strumento (Fig. 1b) fotografa automaticamente i fiocchi di neve che cadono e misura la loro velocità di caduta. Un algoritmo sviluppato dal LTE permette di classificare questi fiocchi di neve secondo le loro proprietà microfisiche. Questo permette di migliorare le misure e, in definitiva, le previsioni delle nevicate. L'algoritmo in questione ha classificato le immagini della figura 3(a-b) in aggregati, (c) in cristalli di ghiaccio e (d) in gragnuola (graupel). I cristalli di ghiaccio si formano per deposizione di vapore acqueo e la loro forma dipende dalle condizioni di temperatura e umidità. Gli aggregati si formano dalla collisione dei cristalli di ghiaccio fra loro mentre cadono verso il suolo. A volte è possibile identificare singoli cristalli che formano un aggregato. Per esempio, nella foto (4b) possiamo vedere i rami di un cristallo a forma di stella che fa parte di questo aggregato. La gragnuola (Fig. 3d) è un tipo di cristallo di ghiaccio che si ricopre completamente di brina dopo aver attraversato una zona con acqua sopraffusa (acqua liquida sotto 0°C). Il fenomeno del ghiacciamento è la solidificazione di gocce d'acqua sopraffuse che entrano in contatto con una superficie solida. Questa superficie può essere un fiocco di neve o l'ala di un aereo.

Oltre a classificare i fiocchi di neve, l'algoritmo MASC può determinare il grado di ghiacciamento dei fiocchi di neve, un'informazione importante per l'aeronautica. Il ghiaccio che si forma su un aereo può alterare le sue proprietà aerodinamiche e in casi gravi portare a uno stallo.  I dati MASC hanno permesso di determinare che il grado di ghiacciamento era in media intorno a 0,4 durante l'evento (0=nessun ghiacciamento, 1=completamente ghiacciato, gragnuola) con un picco a 0,6 quando la percentuale di gragnuola era significativa. Nelle nostre previsioni avevamo indicato ai piloti una formazione di ghiaccio da moderata a localmente grave. I dati del MASC hanno confermato che le previsioni del ghiaccio erano corrette. Questo ha permesso al velivolo di effettuare misure in condizioni di ghiacciamento e quindi di raccogliere misure preziose per lo studio dell'impatto del ghiaccio sugli aerei, uno degli obiettivi principali della campagna. Inoltre, le previsioni della formazione di ghiaccio hanno permesso ai piloti di prepararsi a queste condizioni e di affrontarle meglio. Infine, le foto del MASC hanno anche confermato la transizione dalla neve alla pioggia intorno alle 22:00 UTC, in accordo con le nostre osservazioni in Fig. 2.
 

Visione ingrandita: Fig. 4: Esempi di foto scattate dal MASC. (a)-(b) aggregati, (c) cristallo planare, (d) graupel.
Fig. 4: Esempi di foto scattate dal MASC. (a)-(b) aggregati, (c) cristallo planare, (d) graupel.

Conclusione

Le misure presentate in questo blog mostrano che le previsioni fatte per il volo del 27 gennaio erano corrette e hanno permesso di pianificare bene il programma di volo. Inoltre, le condizioni di ghiacciamento previste sono state confermate dalle misure.

La combinazione di dati radar, delle misuraze a terra e nelle nuvole durante questa campagna permetterà agli scienziati di meglio comprendere le proprietà microfisiche della neve. I risultati di questa campagna contribuiranno così al miglioramento delle misure e delle previsioni delle nevicate. In particolare per il progetto ICE-GENESIS, questi dati permetteranno una migliore comprensione dell'impatto del ghiaccio e delle nevicate sugli aerei e quindi miglioreranno la sicurezza e le loro prestazioni.
 

Commenti (2)

  1. Dario, 28.04.2021, 23:09

    Davvero molto interessante, soprattutto vedere come i fenomeni vengono trasformati in dati dagli strumenti.

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    Rispondere a Dario

    * Campi obbligatori

    Grazie per il contributo. Ciascun contributo viene controllato dalla redazione prima di essere attivato. La procedura può richiedere del tempo.

    Grazie per la comprensione

    Purtroppo il contributo fornitoci non ha potuto essere trasmesso. Si prega di riprovare più tardi.

    Grazie per la comprensione

  2. Sgaby, 28.04.2021, 19:13

    Gli interessati alla collaborazione in radar meteorologia tra l’EPFL e MeteoSvizzera possono consultare, ad esempio

    https://www.meteoswiss.admin.ch/home/research-and-cooperation/projects.subpage.html/en/data/projects/2020/collaboration-in-radar-meteorology-between-epfl.html

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    Rispondere a Sgaby

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