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Telerilevamento da terra

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Le attività di telerilevamento da terra riguardano l’uso e lo sfruttamento dei radar meteorologici a singola e doppia polarizzazione in banda C ed X per l’osservazione e la previsione a brevissimo termine (nowcasting) dei fenomeni di precipitazione in atto, in particolare quelli convettivi.

Cos’è un radar meteorologico?

Il RADAR meteoteorologico è uno strumento che misura la quantità di idrometeore (pioggia, neve, ghiaccio) presenti nell’atmosfera, il suo principale vantaggio è la possibilità di acquisire dati in tre dimensioni relativi ad aree estese, ad esempio è possibile monitorare un volume fino a 200 km di distanza e 10 km di altezza dal suolo in pochi minuti.

RADAR è l’acronimo di RAdio Detection And RAnging, nacque per scopi militari durante la seconda guerra mondiale, in seguito, a partire dagli anni ’60, fu utilizzato anche in altri campi, tra cui quello della meteorologia.

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Fondamentalmente un radar meteorologico misura la potenza elettromagnetica ricevuta da una nube contenente acqua quando questa è investita da un’onda elettromagnetica trasmessa di caratteristiche (ampiezza, frequenza e polarizzazione) note. La misura della potenza ricevuta, ovvero della riflettività, fornisce un indicazione sull’intensità della precipitazione in atto. Le sorgenti d’errore nel processo di stima della precipitazione sono molteplici, alcune di esse possono essere gestite ed eliminate in maniera relativamente semplice, altre possono essere solo mitigate attraverso l’applicazione di algoritmi particolarmente sofisticati.

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In funzione della frequenza delle onde emesse si hanno diversi tipi di radar: in banda X (circa 10GHz), in banda C (circa 5 GHz) ed in banda S (circa 2 GHz). In Italia ed in Europa la maggior parte dei radar meteorologici opera in banda C, che permette un ottimo rapporto costi/benefici. Per applicazioni locali si sta diffondendo l’utilizzo di radar in banda X, più economici e compatti ma con problematiche legate al notevole assorbimento atmosferico.

La caratteristica dei radar a doppia polarizzazione consiste nella capacità di emettere e ricevere con polarizzazione sia orizzontale che verticale. Ciò consente, tra l’altro, di ottenere informazioni sulla geometria del bersaglio. I vantaggi derivanti dall’utilizzo della doppia polarizzazione risiedono soprattutto nella possibilità di migliorare la qualità dei dati, ovvero compensare più efficacemente alcune delle succitate sorgenti di incertezza, oltre che fornire stime generalmente più efficienti della precipitazione e discriminarne lo stato fisico (pioggia, neve, grandine).

I radar doppler sfruttano lo slittamento in frequenza, detto appunto effetto doppler, del segnale ricevuto rispetto a quello irradiato/emesso per stimare la velocità di spostamento con cui le particelle che costituiscono la nube (gocce e cristalli) si avvicinano o si allontanano dal radar. Questi radar permettono di sapere quindi, oltre all’intensità della precipitazione, la direzione di spostamento dell’evento meteorologico.

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La radarmeteorologia al Cetemps

La ricerca su questi temi è incentrata sulla modellistica elettromagnetica della risposta radar e lo sviluppo di metodi di inversione delle misure per aumentare l’accuratezza delle stime quantitative ed del nowcasting.

Inoltre, lo sfruttamento della tecnologia radar è stato anche esteso al monitoraggio e stima della concentrazione delle ceneri eruttive in prossimità dei principali vulcani attivi in Sicilia ed in Islanda.

La sinergia e combinazione ottima di misure radar a microonde con osservazioni da radiometri satellitari nel visibile-infrarosso, reti di rilevamento dei fulmini, reti pluviometriche e sistemi ottici lidar da terra è stata esplorata all’interno di vari contesti applicativi. Queste attività di ricerca e sviluppo hanno alimentato diverse proposte progettuali nell’ambito della previsione, prevenzione e protezione civile a scala regionale, nazionale e internazionale con collaborazioni importanti sia con altri enti di ricerca che con le istituzioni e agenzie preposte.

 

Pubblicazioni

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Marzano F.S., L. Mereu, M. Montopoli, D. Cimini and G. Martucci, “Volcanic Ash Cloud Observation using Ground-based Ka-band Radar and Near-Infrared Lidar Ceilometer during the Eyjafjallajökull eruption”, Annals of Geophysics, ISSN 2037416X , vol. 57, doi: 10.4401/ag-6634, 2015.

Montopoli M., G. Vulpiani, D. Cimini, E. Picciotti, and F. S. Marzano, “Interpretation of observed microwave signatures from ground dual polarization radar and space multi frequency radiometer for the 2011 Grímsvötn volcanic eruption”, Atmos. Meas. Tech., 7, 537–552, doi:10.5194/amt-7-537-2014, 2014.

Kalogiros J., M.N. Anagnostou, E.N. Anagnostou, M. Montopoli, E. Picciotti, and F.S. Marzano, “Evaluation of a New Polarimetric Algorithm for Rain-Path Attenuation Correction of X-Band Radar Observations Against Disdrometer”, IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., ISSN: 0196-2892, vol. 52, n.2, pp. 1369-1380, 2014.

Marzano F.S., E. Picciotti, G. Vulpiani and M. Montopoli, “Inside Volcanic clouds: Remote Sensing of Ash Plumes Using Microwave Weather Radars” Bullettin Am. Met. Soc. (BAMS), pp. 1567-1586, October 2013.

Picciotti, F.S. Marzano, E.N. Anagnostou, J. Kalogiros, Y. Fessas, A. Volpi, V. Cazac, R. Pace, G. Cinque, L. Bernardini, K. De Sanctis, S. Di Fabio, M. Montopoli, M.N. Anagnostou, A. Telleschi, E. Dimitriou, and J. Stella “Coupling X-band dual-polarized mini-radars and hydro-meteorological forecast models: the HYDRORAD project”, Nat. Hazards and Earth Syst. Sciences, vol. 13, pp. 1229-1241, 2013.

Marzano F.S., E. Picciotti, G. Vulpiani and M. Montopoli, “Synthetic Signatures of Volcanic Ash Cloud Particles from X-band Dual-Polarization Radar”, IEEE Trans. Geosci. Rem. Sens., vol. 50, n.1, pp. 193-211, 2012.

Montopoli M., F.S. Marzano, E. Picciotti, and G. Vulpiani, “Spatially-adaptive Advection Radar Technique for Precipitation Mosaic Nowcasting”, IEEE J. Sele. Top. Appl. Rem. Sens., vol. 5, n.3, pp. 193-211, 2012.

Marzano F.S., M. Lamantea, M. Montopoli, S. Di Fabio and E. Picciotti, “The Eyjafjöll explosive volcanic eruption from a microwave weather radar perspective”, Atmosph. Chemistry and Physics, vol. 11, pp. 9503–9518, 2011.

Marzano F.S., S. Barbieri, E. Picciotti and S. Karlsdóttir, “Monitoring sub-glacial volcanic eruption using C-band radar imagery”, IEEE Trans. Geosci. Rem. Sensing, vol. 58, n. 1, pp. 403-414, 2010.

Marzano F.S., G. Botta and M. Montopoli, “Iterative Bayesian Retrieval of Hydrometeor Content from X-band Polarimetric Weather Radar”, IEEE Trans. Geosci. Rem. Sensing, vol.48, pp. 3059-3074, 2010.

Marzano F.S., D. Scaranari, and G. Vulpiani, “Supervised fuzzy-logic classification of hydrometeors using C-band dual-polarized radars”, IEEE Trans. Geosci. Rem. Sensing, n.45, pp. 3784-3799, 2007.

Marzano F.S., S. Barbieri, G. Vulpiani and W.I. Rose, “Volcanic cloud retrieval by groundbased microwave weather radar”, IEEE Trans. Geosci. Rem. Sens., vol. 44, n.11, pp. 3235-3246, 2006.

Marzano, F.S., D. Cimini, P. Ciotti and R. Ware, “Modeling and measurements of rainfall by ground-based multispectral microwave radiometry”, IEEE Trans. Geosci. Rem. Sens., vol. 43, pp. 1000-1011, 2005.

Marzano F.S., E. Picciotti and G. Vulpiani, “Rain field and reflectivity vertical profile reconstruction from C-band radar volumetric data”, IEEE Trans. Geosci. Rem. Sens., vol. 42, n. 4, pp. 1033-1046, 2004.

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Contatti

Prof. Frank Marzano

e-mail: marzano@diet.uniroma1.it

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Ing. Stefano Barbieri

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