interpolazione meteo

HydroloGIS s.r.l. - Via Siemens, 19 – 39100 Bolzano www.hydrologis.com

ydroloGIS nvironmental ngineering

INTERPOLAZIONE DATI METEO

UniTN - CUDAMRiccardo RigonStefano Endrizzi

HydroloGISSilvia FranceschiAndrea Antonello

ydroloGIS nvironmental ngineeringHydroloGIS s.r.l. - Via Siemens, 19 – 39100 Bolzano

Il modello sviluppato per il progetto è un modello in grado di

funzionare in continuo le cui caratteristiche principali sono:

dal punto di vista dello SVILUPPO

segue gli standard OpenMI

COMPONENTI DEL SISTEMA DI MODELLI






è sviluppato per componenti








dal punto di vista SCIENTIFICO/MODELLISTICO









segue la logica hillslope-link










risolve il bilancio di massa e di energia per ogni hillslope











fornisce la portata in “ogni punto” del bacino











fornisce la portata in “ogni punto” del bacino

tratta anche le componenti artificiali del bilancio idrico



I modelli sviluppati per il progetto NewAge sono compatibili

con il sistema OpenMI. Questo significa che:

sono sviluppati seguendo uno standard definito e pubblico






lo standard OpenMI è stato creato per facilitare la

connessione di modelli ambientali








i modelli sviluppati possono essere integrati e sostituiti con

altri modelli che seguono lo stesso standard (Sobek, HEC-

Ras)










Ras)

sono sviluppati per componenti “indipendenti”










Ras)

sono sviluppati per componenti “indipendenti”

si ottengono risultati ad ogni istante temporale



Le componenti del sistema di modelli sono:

Modelli di interpolazione dei dati meteorologici





h.jami per l'interpolazione di temperature, pressione, umidità

relativa e velocità del vento, nonché per il calcolo

dell'escursione termica giornaliera e mensile

h.kriging per l'interpolazione delle piogge









Modelli collegati al bilancio di energia










h.eicalculator










h.eicalculator

h.energybalance



Modelli per la valutazione del deflusso




h.adige

h.saintgeo




h.adige

h.saintgeo

Modelli accessori




h.adige

h.saintgeo

Modelli accessori

visualizzazione dati

connessione al DB

input/output

connessione tra modelli




INTERPOLAZIONEDATI METEO

h.jami

h.kriging



CALCOLO INDICEENERGETICO

h.aspect

h.slope

h.nablah.pit h.netnumbering





LIVELLO 0





BILANCIO DI ENERGIA

LIVELLO 0



BILANCIO DI ENERGIA

PRECIPITAZIONENEVOSA

NEVE AL SUOLO (SWE)

PIOGGIANETTA

SCIOGLIMENTOCONGELAMENTO





BILANCIO DI ENERGIA

BILANCIO DI MASSADEFLUSSO

LIVELLO 0

LIVELLO 1





BILANCIO DI ENERGIA


PROPAGAZIONE

LIVELLO 0

LIVELLO 1

LIVELLO 2


MODELLIACCESSORI




BILANCIO DI ENERGIA


PROPAGAZIONE

LIVELLO 0

LIVELLO 1

LIVELLO 2


MODELLIACCESSORI




BILANCIO DI ENERGIA


PROPAGAZIONE

LIVELLO 0

LIVELLO 2


I modelli lavorano su una struttura HILLSLOPE-LINK dove:

hillslopes sono i sottobacini, ovvero le unità idrologiche di

base in cui è stato diviso l'intero bacino dell'Adige, esse sono

considerate con comportamento idrologico omogeneo

STRUTTURA DEI DATI: RETE-BACINI






links sono i tratti di rete compresi tra un nodo e l'altro ovvero i

tratti di rete di competenza di ogni hillslope







links sono i tratti di rete compresi tra un nodo e l'altro ovvero i

tratti di rete di competenza di ogni hillslope

gli hillslopes hanno area massima di 3 km2, in media hanno

dimensioni di 1-2 km2 e sono stati calcolati con gli strumenti

integrati in JGrass



Al solo fine del bilancio di energia ogni hillslope viene anche

suddiviso in fasce altimetriche e bande energetiche.


FASCIA 1





FASCIA 2





FASCIA 5


Ogni fascia altimetrica viene divisa in un certo numero di

intervalli nei quali l'indice energetico può essere considerato

costante. Questi intervalli sono detti bande energetiche.

Per ogni banda energetica viene calcolato un valore dell'indice

energetico mensile.



Ogni fascia altimetrica viene divisa in un certo numero di

intervalli nei quali l'indice energetico può essere considerato

costante. Questi intervalli sono detti bande energetiche.

Per ogni banda energetica viene calcolato un valore dell'indice

energetico mensile.

Le bande energetiche sono un concetto astratto basato su

calcoli geometrici e di radiazione, non sono di immediata

visualizzazione.



La suddivisione in fasce altimetriche e bande energetiche

permette di valutare l'indice energetico relativo e quindi

procedere con il calcolo del bilancio di energia.

INDICE ENERGETICO: h.eicalculator


La suddivisione in fasce altimetriche e bande energetiche

permette di valutare l'indice energetico relativo e quindi

procedere con il calcolo del bilancio di energia.

Questa suddivisione è già presente nel DB per il bacino

chiuso a Bolzano, con una suddivisione in 5 fasce altimetriche

e 5 bande energetiche, è possibile rifare i calcoli sul resto del

bacino anche variando il numero di fasce altimetriche e bande

energetiche con il comando h.eicalculator.



L'indice energetico è il rapporto tra l'energia radiante

incidente ad onde corte (energia solare) in condizioni di cielo

sereno ed energia radiante incidente in condizioni di cielo

sereno, nel medesimo punto, ignorando la topografia.


EI= solarRadsolarRad piano


L'indice energetico è il rapporto tra l'energia radiante

incidente ad onde corte (energia solare) in condizioni di cielo

sereno ed energia radiante incidente in condizioni di cielo

sereno, nel medesimo punto, ignorando la topografia.


EI= solarRadsolarRad piano

Il termine al denominatore considera una topografia

pianeggiante e quindi trascura gli effetti sulla radiazione di

pendenza, esposizione e delle ombre.


Per ogni fascia altimetrica in cui è suddiviso il bacino le

condizioni al contorno delle equazioni del bilancio di massa e

di energia sono le stesse ad eccezione del calcolo della

radiazione netta. Le condizioni al contorno per il flusso

radiativo sono le stesse su porzioni di fasce altimetriche

caratterizzate dallo stesso input radiativo



Per ogni fascia altimetrica in cui è suddiviso il bacino le

condizioni al contorno delle equazioni del bilancio di massa e

di energia sono le stesse ad eccezione del calcolo della

radiazione netta. Le condizioni al contorno per il flusso

radiativo sono le stesse su porzioni di fasce altimetriche

caratterizzate dallo stesso input radiativo

la singola banda energetica può essere considerata cella

elementare di calcolo



La radiazione solare incidente su terreno piano:


solarRad=solarConst⋅cos


La radiazione solare incidente su terreno piano:


solarRad=solarConst⋅cos

Dove:

solarConst = correzione della distanza terra – sole

è funzione del giorno dell'anno e della

latitudine

alpha = angolo di altezza solare


La radiazione solare incidente con morfologia naturale:


solarRad=solarConst⋅funct ,slope ,aspect


La radiazione solare incidente con morfologia naturale:


solarRad=solarConst⋅funct ,slope ,aspect

Dove:

slope = pendenza locale del pixel

aspect = orientamento del pixel

Se il pixel è in ombra o di notte la radiazione solare

incidente è posta uguale a zero.


La nostra scelta finora è stata quella di usare:

5 fasce altimetriche

5 bande energetiche

In pratica ogni versante viene suddiviso in 25 parti ritenute

omogenee dal punto di vista meteorologico.




INPUT



DATI DI INPUT:

le mappe devono essere state preventivamente calcolate in JGrass

controllare l'unità di misura delle mappe: slope e aspect sono

richiesti in radianti

la mappa della curvatura è quella che si ottiene con il comando

h.nabla

la mappa degli ID dei bacini deve contenere il campo NETNUM:

conviene rasterizzare lo shape dei bacini inserendo come valore il

contenuto dell'attributo NETNUM


INDICE ENERGETICO: v.to.rast



È necessario salvare il layer dei bacini come shapefile se lo si prende dal DB.Selezionare il piano nella Vista Piani e poi dal tasto destro del mouse → Esporta.



Il risultato è a tutti gli effetti una mappa raster di JGrass.



OUTPUT



DATI DI OUTPUT:

l'output non sono mappe ma file salvati nel percorso specificato

i files di output possono essere caricati direttamente sul DB nelle

apposite tabelle

i files di output contengono i dati di suddivisione in fasce altimetriche

e bande energetiche ed in particolare:

altimetry: contiene per ogni fascia altimetrica le quote dei baricentri e

la larghezza della fascia

energy: contiene per ogni fascia e banda il valore di indice

energetico

area: contiene l'area di per fascia/banda


Lo stesso comando si può eseguire anche da Console e lo

script relativo è questo dove si possono personalizzare i nomi

della mappe in input e il percorso di salvataggio dei risultati.



L'interpolazione dei dati meteo è diversa in funzione del tipo di

dato. In particolare sono stati sviluppati due moduli:

h.kriging: per l'interpolazione con tecniche geostatistiche dei

dati di pioggia



L'interpolazione dei dati meteo è diversa in funzione del tipo di

dato. In particolare sono stati sviluppati due moduli:

h.kriging: per l'interpolazione con tecniche geostatistiche dei

dati di pioggia

h.jami: per l'interpolazione degli altri dati meteo che dipendono

principalmente dalla quota della stazione. L'interpolazione

viene fatta in questo caso facendo una media pesata delle

misure delle stazioni che hanno quota immediatamente

superiore ed inferiore alla quota del baricentro della fascia

altimetrica.



Il metodo di interpolazione geostatistica kriging si basa sulla

correlazione che intercorre tra misure della stessa quantità in

punti diversi. Il semivariogramma è una metodologia

geostatistica impiegata pe valutare l'autocorrelazione spaziale

dei dati osservati in punti georiferiti.

INTERPOLAZIONE PIOGGE: h.kriging


Il metodo di interpolazione geostatistica kriging si basa sulla

correlazione che intercorre tra misure della stessa quantità in

punti diversi. Il semivariogramma è una metodologia

geostatistica impiegata pe valutare l'autocorrelazione spaziale

dei dati osservati in punti georiferiti.

L'algoritmo in JGrass prevede l'inserimento del variogramma

su cui basare l'interpolazione.

Risulta quindi necessario creare preventivamente il

variogramma sperimentale ed interpolarlo con un opportuno

modello che sarà poi l'input del kriging.




stazioni di misura intervallo temporale piogge misurate

punti dove interpolare(bacini)




calcolo variogrammasperimentaleh.variogram






scelta modellodi variogramma






scelta modellodi variogramma

interpolazioneh.kriging



Per quanto riguarda gli input...

sono necessari gli shapefile di stazioni di misura e punti dove

interpolare (possono essere punti o poligoni → si interpola nel

baricentro)



Per quanto riguarda gli input del kriging...



baricentro), i dati si scaricano automaticamente con il

DATAMASTER

è indispensabile definire un periodo di tempo ed un intervallo

temporale



Per quanto riguarda gli input del kriging...



baricentro), i dati si scaricano automaticamente con il

DATAMASTER

è indispensabile definire un periodo di tempo ed un intervallo

temporale

devono essere scaricati i dati di pioggia dal DB attraverso il

DATAMASTER



Per quanto riguarda gli input per la creazione del

variogramma:

sono necessari gli shapefile delle stazioni di misura

deve essere selezionato un istante di pioggia ritenuto

significativo per la creazione del variogramma

la procedura dovrebbe essere ripetuta molte volte e

considerato il variogramma più probabile o il medio




FILE CON LE PIOGGE MISURATE DA

UTILIZZARE PER IL CALCOLO



SHAPEFILE CON LE STAZIONI DI MISURA

DELLA PIOGGIA



FILE CONTENENTE IL SEMIVARIOGRAMMA

SPERIMENTALE


Allo stesso modo da Console...



Il modulo h.variogram produce un file di output contenente il

semivariogramma sperimentale dei dati. Sono anche aggiunti

due indici, l'indice di Moran e l'indice di Gaery.


0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2


È ora necessario interpolare il semivariogramma sperimentale

con un modello definito.



Dove:

h : l'ampiezza dell'intervallo di distanza

a : range

c : sill



Le grandezze che caratterizzano il semivariogramma sono:

nugget, sill e range.



I diversi modelli di variogramma se graficati hanno questi

andamenti:


NUGGET

SFERICOGAUSSIANO

ESPONENZIALE


È ora necessario interpolare il semivariogramma sperimentale

con un modello definito.


0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Modello Gaussiano

nugget = 0.05

sill = 0.6

range = 50000


Dato il semivariogramma “rappresentativo” è possibile

eseguire il kriging su tutti gli istanti temporali di riferimento.




DEFINIZIONE DEL PERIODO DI

SIMULAZIONE



CAMPI DEGLI SHAPEFILE

CONTENENTI GLI ID



NUMERO MASSIMO E MINIMO DI PUNTI PER

L'INTERPOLAZIONE



MODELLO DEL VARIOGRAMMA:1. sferico2. esponenziale3. gaussiano4. sillian



RAGGIO DI RICERCA DELLE STAZIONI



DATI SPAZIALI E MISURE IN INPUT



DATI INTERPOLATI IN OUTPUT



L'output del comando h.kriging è un file contenente per ogni

istante temporale il valore di pioggia interpolata nei diversi

punti. Ogni punto di interpolazione è contraddistinto dall'ID

specificato come dato di input al modello.



L'output del comando h.kriging è un file contenente per ogni

istante temporale il valore di pioggia interpolata nei diversi

punti. Ogni punto di interpolazione è contraddistinto dall'ID

specificato come dato di input al modello.

I dati in questo modo non sono visualizzabili spazialmente,

per visualizzarli è necessario associare il dato ai punti di

interpolazione. Questa procedura viene fatta con il comando

v.addattribute.



Questo comando aggiunge un campo allo shapefile in input

contenente le posizioni, con il valore letto nel file dei dati,

relativo allo stesso ID.






Il formato dei dati è del tipo:

id1 valore1 id2 valore1 id3 valore1.... idn valore1


....

id1 valoren id2 valoren id3 valoren.... idn valoren






Il formato dei dati è del tipo:



....

id1 valoren id2 valoren id3 valoren.... idn valoren

Il comando può essere eseguito su un intervallo di tempo e

crea uno shapefile per ogni istante temporale.



INTERVALLO TEMPORALE DI ESECUZIONE DEL COMANDO



CAMPO DI ASSOCIAZIONE TRA DATI SPAZIALI E VALORI DA ASSEGNARE



DATI DI INPUT



CARTELLA CON GLI SHAPEFILE CREATI



Se si utilizza la Console...


INTERPOLAZIONE METEO: h.jami

Just An Other Meteo Interpolator, questo interpolatore non è

un interpolatore geostatistico, ma lavora considerando sia la

componente spaziale che altimetrica dei dati.



Just An Other Meteo Interpolator, questo interpolatore non è

un interpolatore geostatistico, ma lavora considerando sia la

componente spaziale che altimetrica dei dati.

Si può utilizzare per l'interpolazione di tutte le variabili

meteorologiche che hanno una forte variabilità con la quota

come temperatura, pressione, umidità relativa e velocità del

vento.

Fa riferimento ad una suddivisione del bacino in fasce

altimetriche.



I meccanismi di interpolazione sono diversi a seconda della

tipologia di dato che si sta trattando e si può scegliere tra:

temperatura

pressione

umidità relativa

velocità del vento

escursione termica giornaliera

escursione termica mensile



È stata sviluppata una metodologia per assegnare in modo

dinamico le stazioni di pertinenza ad ogni bacino.





Per ogni istante temporale vengono assegnate ad ogni

versante le stazioni con dati validi che si trovano all'interno

del bacino o in un buffer di dimensioni variabili da 10 ad un

massimo di 80 km dal bacino.





Per ogni istante temporale vengono assegnate ad ogni

versante le stazioni con dati validi che si trovano all'interno del

bacino o in un buffer di dimensioni variabili da 10 ad un

massimo di 80 km dal bacino.

L'assegnazione delle stazioni ai bacini viene fatta in modo che

ci siano al massimo un numero di n stazioni valide per il

bacino per ogni fascia altimetrica.

n è un valore fissato dall'utente.



In questo modo è possibile rappresentare la variabilità delle

grandezze meteo all'interno del bacino anche se di piccole

dimensioni.



In questo modo è possibile rappresentare la variabilità delle

grandezze meteo all'interno del bacino anche se di piccole

dimensioni.

La metodologia per l'assegnazione dinamica delle stazioni ai

bacini permette di avere sempre una buona quantità di dati a

disposizione per il calcolo, sono comunque previsti i casi in cui

sono disponibili i dati solo per una o due stazioni,

indipendentemente dalla quota.



L'output del h.jami analogamente al kriging è un file di testo

con i dati per ogni bacino per ogni fascia altimetrica. Questi

dati possono essere associati ai bacini per una

rappresentazione spaziale utilizzando la stessa metodologia

del kriging.



DEFINIZIONE DEL PERIODO DI SIMULAZIONE



TIPO DI DATO DA INTERPOLARE



PARAMETRI PER L'ASSEGNAZIONE DINAMICA STAZIONI-BACINI


INTERPOLAZIONE PIOGGE: h.jami

CAMPI DEGLI SHAPEFILE DA CONSIDERARE

PER I BACINI USARE IL NETNUM!!



FILE DI INPUT: GEOMETRIE E DATI DA INTERPOLARE



FILE DI OUTPUT CON I DATI INTERPOLATI PER BACINO PER FASCIA ALTIMETRICA


BILANCIO DI ENERGIA: h.energybalance

I dati di input al bilancio di energia sono:

dati meteo per fascia altimetrica

pioggia nel baricentro dei bacini

dati riguardanti l'indice energetico



DEFINIZIONE DEL PERIODO DI SIMULAZIONE



CAMPO DI CONNESSIONE TRA DATI E GEOMETRIE



SHAPEFILE DEI BACINI SU CUI FARE L'ANALISI



DATI METEO IN INTERPOLATI



FILE DI OUTPUT DEL MODELLO



Il risultato di h.energybalance non è un risultato grafico ma un

file di testo dove ci sono tutte le grandezze riferite agli ID

analogamente a quanto avviene per i programmi di

interpolazione.

Nel risultato generale che è quello che viene poi passato al

modello di generazione del deflusso sono salvate diverse

variabili mediate sui bacini.



Le variabili presenti nel file di ouput sono:

pioggia netta

radiazione netta

radiazione netta ad onda corta

temperatura

umidità relativa

velocità del vento

pressione

SWE



Questi attributi possono essere assegnati agli shapefile e

graficati analogamente a quanto visto per i dati meteo.

È possibile comunque visualizzare dei grafici dell'andamento

delle quantità più significative in un bacino selezionato se si

esegue da Console e si richiede l'output grafico.




VISUALIZZAZIONE DEI GRAFICI

interpolazione meteo

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