Convezione
Il termine meteorologico convezione atmosferica descrive tipicamente il trasporto verticale di calore (e umidità) da uno strato inferiore più caldo ad uno strato superiore più freddo, mediante sollevamento di aria calda (umida). Quando la convezione è innescata solo in questo modo viene definita convezione "libera". La ben nota convezione pomeridiana che porta alla formazione di temporali nei caldi pomeriggi estivi è un esempio di convezione libera. La radiazione solare riscalda la Terra in modo diverso a seconda della composizione del suolo e dell'inclinazione del sole. Quando la superficie si riscalda, essa cede calore all'aria sovrastante che diviene così meno densa e, di conseguenza, più leggera. Quando l'aria prossima al suolo diviene più leggera di quella circostante, inizia ad innalzarsi. Se le forze di sollevamento sono sufficientemente forti può formarsi una corrente ascensionale che può dare origine ad una cella convettiva.
La convezione non sempre risulta visibile mediante la formazione di nubi. Ma i temporali intensi [1], oggetto di questo studio, sono definiti come convezione profonda, caratterizzata da processi di condensazione e quindi da formazione di nubi. Questi temporali sono di particolare interesse perché danno luogo a fenomeni intensi quali forti rovesci, fulmini, grandine, downburts (forti venti di caduta) ed anche tornado, fenomeni che pongono seri rischi per gli esseri umani, l'ambiente e l'economia. L'ingrediente essenziale per la formazione di temporali intensi è l'aria calda, umida ed instabile che è spinta dalla convezione libera o forzata ad innalzarsi. La convezione forzata è causata da un flusso dinamico convergente [2], da sollevamento orografico o dal passaggio di un fronte. All'interno dei flussi atmosferici, i temporali sviluppano una dinamica specifica e distintiva che è concentrata attorno alle correnti ascensionali. Tuttavia lo sviluppo e l'intensità di un singolo temporale sono fortemente influenzati dalle condizioni ambientali, dalle condizioni atmosferiche e dalla topografia.
I temporali, compresi i fenomeni convettivi intensi, sono generalmente fenomeni a piccola scala e con durata inferiore ad un'ora. I processi convettivi sono ben osservati mediante telerilevamento (satelliti, radar e reti di rilevamento dei fulmini). Le tecniche di telerilevamento, con le loro frequenze di acquisizione temporale e spaziale, consentono un monitoraggio ottimale dei processi convettivi, ma tali dati non sono disponibili per un periodo di 30 anni, la tipica scala temporale di uno studio climatologico. Tuttavia gli archivi di dati stanno diventando sempre più estesi e permettono alcune ricerche sui temporali, come messo in evidenza dal numero crescente di studi sulla convezione intensa (Kaltenboeck e Steinheimer, 2014; Rudolph e Friedrich, 2013; Nisi et al., 2013; Puskeiler et al., 2013; Goudenhoofdt e Delobbe, 2013; Davini et al., 2012; Meyer e Schaffhauser, 2012, e altri).
La produzione di una climatologia dei fenomeni convettivi in regioni ad orografia complessa come le Alpi diventa particolarmente difficile in quanto i radar, principali fonti nel monitoraggio dei fenomeni, sono soggetti in maniera significativa a blocco del fascio a causa dei rilievi. Sebbene alcuni radar siano installati sulle cime delle montagne, la loro visibilità è limitata dall'interazione del fascio con le montagne circostanti. Sulle aree soggette a blocco del fascio o dislocate lontane dal sito radar è probabile che la precipitazione non sia correttamente rilevata. Nel caso di fenomeni convettivi intensi, tuttavia, dato il loro notevole sviluppo verticale, è verosimile che la parte più elevata della corrente convettiva sia rilevata dai radar anche se la parte inferiore è nascosta dai rilievi. I dati forniti dalle reti di rilevamento dei fulmini, invece, non soffrono di tali effetti di mascheramento; per questo motivo sono usati come informazioni complementari nel monitoraggio continuativo dei temporali in aree con ridotta visibilità radar. Le scariche elettriche, tuttavia, non sono vincolate alla corrente convettiva principale ma avvengono anche in aree limitrofe e ciò rende più difficile delineare i contorni del temporale; questo aspetto rende meno affidabile il monitoraggio di temporali esclusivamente mediante l'attività elettrica. L'informazione combinata di entrambe le sorgenti di dati permette di conservare i vantaggi di ciascuna, riducendone al contempo i rispettivi svantaggi.
[1] Descritti in dettaglio, tra gli altri, da Doswell nel 2001.
[2] Una linea di convergenza definisce la confluenza (convergenza) vicino al suolo di masse d'aria. Quando le masse d'aria convergono sono costrette a risalire. Se il tasso di umidità è sufficiente questo fenomeno porta alla formazione di nuvole ed eventualmente di precipitazioni. Durante la stagione estiva spesso i temporali si innescano lungo le linee di convergenza.
Database
Origine dei dati
Per studiare i processi convettivi nell'area interessata dal presente studio, sono stati utilizzati sia i dati dei radar sia i dati dei fulmini. I dati radar sono relativi a tre differenti reti di radar in banda C: il mosaico dei radar austriaci, il mosaico dei radar veneti e il radar di Bolzano. In un mosaico radar i dati di più radar vengono combinati per creare un'unica mappa. Questo processo di mosaicatura può essere realizzato con diverse metodologie. Nella tabella seguente sono elencate le diverse reti radar.
| Rete radar |
Radar |
Lon. (°E) | Lat. (°N) |
| Mosaico Austriaco | Rauchenwarth | 16.536 | 48.074 |
| Feldkirchen | 13.062 | 48.065 | |
| Zirbitzkogel | 14.560 | 47.072 | |
| Patscherkofel | 11.461 | 47.209 | |
| Valluga | 10.213 | 47.158 | |
| Mosaico Veneto | Teolo | 11.674 | 45.363 |
| Concordia Sagittaria | 12.787 | 45.695 | |
| Bolzano | Macaion | 11.209 | 46.493 |
I dati dei fulmini sono stati forniti dall'European Cooperation for Lightning Detection (EUCLID), una collaborazione tra diverse reti di rilevazione nazionali sparse nell'area europea. Si possono trovare maggiori informazioni riguardo a EUCLID nel sito www.euclid.org. Si ringrazia EUCLID ed in particolare l'Austrian Lightning Detection and Information System (ALDIS) e il Centro Sperimentale Italiano Elettrotecnico (CESI SIRF) per aver fornito i dati che hanno permesso di effettuare questo tipo di studio.
Arco temporale dell'analisi
L'analisi copre gli intervalli temporali che vanno da aprile ad ottobre degli anni dal 2009 al 2013. Il periodo aprile-ottobre è considerato stagione convettiva poiché la maggiore parte dei fenomeni convettivi avviene in questi mesi. I dati antecedenti al 2009 non sono stati presi in considerazione a causa della mancanza dei dati del radar di Valluga, situato nei pressi di St. Anton. Poiché il radar di Valluga contribuisce in modo significativo alla visibilità dei radar nell'area oggetto del presente studio, la disponibilità dei dati di questo radar è stato un fattore fondamentale nella scelta dell'arco temporale dell'analisi.
Monitoraggio e tracking dei fenomeni convettivi più intensi
Per rilevare in maniera maggiormente obiettiva i temporali intensi dalle diverse fonti di dati è stato utilizzato un algoritmo automatico. L'Austrian Thunderstorm Nowcasting Tool (A-TNT) è in grado di monitorare l'attività convettiva identificando e seguendo le zone interessate da precipitazioni convettive intense e da fulminazioni in base alle informazioni fornite dai dati dei radar e dei fulmini (l'algoritmo A-TNT realizzato in base ai principi descritti in Mayer et al. 2013). I problemi dovuti alla limitata visibilità dei radar nelle regioni alpine sono stati ridotti grazie alla combinazione di diversi tracking delle celle temporalesche. Inoltre, grazie alla disponibilità dei dati dei fulmini, è stato possibile distinguere i temporali dalle celle convettive di sola precipitazione, poiché si definisce comunemente temporale una cella convettiva che presenta dei fulmini [3]. E' stato creato un database di eventi convettivi per ogni dominio radar che contiene l'evoluzione delle celle convettive, con passi di 5 minuti. La tabella seguente riassume i criteri utilizzati da A-TNT per rilevare le celle dai dati dei fulmini e da quelli dei radar. Si possono trovare maggiori dettagli riguardanti questi criteri in Meyer et al. 2013.
| Tipo di celle |
Rete | Criteri di rilevamento |
| celle rilevate dai fulmini | EUCLID | tempo di accumulo: 6 min raggio di ricerca: 9 km area min. delle celle: 3 km² |
| celle rilevate da radar | Mosaico Austriaco Mosaico Veneto Bolzano |
intensità minima: 38 dBZ (approx. 9 mm/h) area minima delle celle: 5 km² |
[3] Vedere AMS Glossary of Meteorology in http://glossary.ametsoc.org/wiki/Thunderstorm oppure la definizione data dal German Weather Service in http://www.deutscher-wetterdienst.de/lexikon/index.htm?ID=G&DAT=Gewitter.
Climatologia della convezione
Mappe di visibilità
Sebbene si sia prestata molta attenzione per superare le carenze nelle misure radar nelle zone montane, per una corretta interpretazione dei dati è necessario considerare le variazioni della visibilità radar nelle varie aree. E' stata realizzata una mappa di visibilità radar che mostra l'altezza minima calcolata vista dai radar nelle tre aree coperte dai mosaici radar. Gli aggiustamenti radar sono stati forniti dai rispettivi fornitori di dati e le informazioni topografiche sono state derivate dai dati di SRTM-3, che ha una risoluzione di 3 minuti d'arco (tra i 60 e i 90 metri).
Scelta dei temporali
Le celle convettive considerate nell'analisi rispondono ai seguenti requisiti: area minima ≥ 50 km² e durata ≥ 30 minuti. La soglia riguardante le dimensioni può essere superata in qualsiasi momento della vita della cella. I limiti di durata e di dimensioni delle celle sono stati applicati per ridurre al minimo i falsi segnali dovuti a clutter residuo causato alle montagne o ad altri segnali non riconducibili a precipitazioni. Lo svantaggio è che le celle di piccole dimensioni o breve durata, come quelle che tipicamente si formano attorno alle cime dei rilievi, possano essere escluse da questo studio. Inoltre il segnale radar diminuisce con la distanza dal sito, sia per l'allargamento geometrico del fascio, sia per l'attenuazione del fascio nel passaggio attraverso aree di precipitazione; la conseguenza è che viene rilevato un maggior numero di celle nella vicinanza dei radar. La rete di rilevamento dei fulmini non è invece influenzata dalla localizzazione del sito radar e perciò riduce gli effetti dell'attenuazione radar nell'identificazione della nascita di una cella. Per evitare l'errore introdotto dall'attenuazione del segnale radar, sono state prese in considerazione solamente le celle convettive rilevate sia da radar che dalla rete di rilevamento dei fulmini. Questi compromessi sono stati fatti nel tentativo di incrementare, per quanto possibile, la comparabilità delle osservazioni sull'intera area studio. Inoltre i temporali selezionati devono rispettare un'intensità di precipitazione minima di 9 mm/h. La soglia di riflettività è inclusa nell'algoritmo automatico di rilevamento delle celle che identifica l'inizio delle celle convettive dall'intensificarsi della precipitazione.
Composito di Compositi
I dati provenienti dalle tre reti radar si sovrappongono in alcune aree. Le differenti reti radar non sono sincronizzate temporalmente, differiscono nella risoluzione spaziale e nella processazione dei dati effettuata per ottenere un prodotto di precipitazione; perciò sono state usate le analisi delle celle convettive per ottenere un "composito di compositi" al fine di condensare in una singola mappa le informazioni provenienti dalle regioni coperte da più reti radar. Il processo elimina le sovrapposizioni spaziali, selezionando per ciascuna località una appropriata fonte di dati radar. Il composito finale è stato ottenuto partendo dai tre database di Austria, Veneto e Bolzano selezionando il numero massimo di innesco di celle per ciascuna località [4]. Questo criterio è basato sull'assunzione che i radar con la migliore visibilità forniscono il numero massimo di rilevamenti di celle. Questo criterio di selezione è usato in tutte le analisi risultanti.
[4] La mappa di densità composita relativa agli inneschi delle celle rappresenta in questa analisi il numero massimo di inneschi di temporali all'interno di ciascuna area di 10 km × 10 km rilevati nei tre database di dati radar.
Bibliografia:
Charles A. Doswell III, 2001. Severe Convective Storms—An Overview. Meteorological Monographs, 28, 1–26. doi: http://dx.doi.org/10.1175/0065-9401-28.50.1
Davini, P., Bechini, R., Cremonini, R., Cassardo, C., 2012. Radar-based analysis of convective storms over northwestern Italy. Atmosphere, 3, 33–58.
Fabry, F., Cazenave, Q., Basivi, R., 2013. Echo climatology, impact of cities, and initial convection studies: new horizons opened using 17 years of Conterminous US radar composites. AMS 36th Conference on Radar Meteorology, Breckenridge, CO.
Goudenhoofdt, E., Delobbe, L., 2013. Statistical characteristics of convective storms in Belgium derived from volumetric weather radar observations. J. Appl. Meteorol. Climatol. 52, 918–934
Kaltenboeck, R., Steinheimer, M. Radar-based severe storm climatology for Austrian complex orography related to vertical wind shear and atmospheric instability. Atmos. Res., 2014, doi:10.1016/j.atmosres.2014.08.006.
Meyer, V., Schaffhauser, A., 2012. Systematic investigations of intense convective precipitation events in Austria based on radar cell tracking. 7th Europ. Conference on Radar in Meteorology and Hydrology, Toulouse, France.
Meyer V., H. Höller, and H.-D. Betz, 2013. Automated thunderstorm tracking: utilization of three-dimensional lightning and radar data, Atmos. Chem. Phys., 13, 5137-5150, doi:10.5194/acp-13-5137-2013.
Nisi, L., Martius, O., Hering, A., Germann, U., 2013. Hail storms over Switzerland: spatial and temporal characteristics derived from radar-based hail products. 7th European Conference on Severe Storms, Helsinki, Finland.
O'Bannon, T., 1997; Using a "terrain-based" hybrid scan to improve WSR-88D precipitation estimates. Preprints, 28th Int. Conf. on Radar Meteorology, Austin, TX, Amer. Meteor. Soc., 506–507.
Puskeiler, M., Kunz, M., Schmidberger, M., 2013. Modelling of the hail hazard in Germany. 7th European Conference on Severe Storms, Helsinki, Finland.
Rudolph, J., Friedrich, K., 2013. Seasonality of vertical structure in radar-observed precipitation over southern Switzerland. J. Hydrometeorol. 14, 318–330.