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Work Package n. 1: "Modello meteorologico di nowcasting delle precipitazioni" (Ricerca Industriale)

I modelli di nowcast sono modelli previsionali sviluppati per monitorare in tempo reale fenomeni naturali complessi, come gli episodi di colata detritica, e per predirne l'evoluzione nell'immediato futuro, ossia su di un orizzonte temporale compreso tra 1 e 6 ore. In quest'ottica, i modelli di nowcasting si configurano come strumenti di supporto alle decisioni per tutte quelle attività che prevedono l'attivazione di allerte e la conseguente gestione di situazioni di pericolo e/o di emergenza che possono venire a verificarsi.

Le piogge, ed in particolare la loro intensità e durata, sono uno dei principali fattori che concorrono alla generazione dei fenomeni di dissesto idrogeologico, tra cui l'innesco e dello sviluppo di colate detritiche. Pertanto, lo sviluppo di un sistema di allerta efficace non può non prevedere al proprio interno un modello di nowcast delle precipitazioni.

Nell'ambito del presente progetto la previsione di nowcasting delle precipitazioni è condotta utilizzando il modello meteorologico WRF (Weather Research and Forecasting Model) sviluppato dal National Center for Atmospheric Research (NCAR), con sede a Boulder (Colorado, US). WRF è uno dei modelli meteorologici prognostici più utilizzati nella pratica operativa, così come nel campo della ricerca scientifica. Infatti, oltre ad essere rilasciato sotto licenza open source, WRF è periodicamente aggiornato ed il suo setup è altamente personalizzabile, in funzione delle esigenze dell'utilizzatore. Nel progetto WRF è quindi utilizzato in modalità nowcasting alla scala regionale per prevedere con un'adeguata risoluzione spaziale e temporale l'evoluzione delle precipitazioni meteoriche sulla Provincia di Bolzano. Inoltre, per aumentare l'attendibilità e l'accuratezza delle previsioni, si selezionano e si utilizzano le tecniche di data-assimilation più idonee disponibili in WRF. In questo modo, la modellazione dei campi di precipitazione avviene assimilando in tempo reale i dati misurati dal nuovo radar meteorologico di Monte Macaion.

La catena modellistica che costituisce il modello di nowcast delle precipitazioni può essere riassunta nei seguenti 4 punti:

• Inizializzazione del modello meteorologico WRF. Il modello WRF viene inizializzato con gli ultimi dati meteorologici disponibili e misurati al suolo, come i dati di temperatura e di umidità dell'aria.
• Simulazione. Il modello WRF inizializzato è utilizzato per simulare l'evoluzione dei processi atmosferici su un orizzonte temporale variabile da 1 a 6 ore.
• Assimilazione di dati pluviometrici. I dati misurati dal nuovo radar meteorologico di Monte Macaion sono pre-elaborati e successivamente assimilati in WRF durante la modellazione dei campi di precipitazione al fine di migliorarne l'accuratezza.
• Elaborazione dell'output. Il modello WRF restituisce come output le mappe di precipitazione previste per le successive 6 ore. Tali scenari, in cascata, vanno a costituire l'input del modello idromorfologico necessario per la generazione delle allerte.

I principali vantaggi che derivano dall'utilizzo di un modello di nowcast delle precipitazioni, basato sul modello meteorologico WRF con l'assimilazione di dati radar, si possono riassumere nei seguenti punti:

• Aumento della precisione e dell'accuratezza delle previsioni. L'assimilazione di dati radar, acquisiti in tempo reale durante il processo di modellazione, contribuisce a migliorare la qualità delle previsioni di precipitazioni, riducendo il rischio di errori.
• Miglioramento del tempo di risposta. Il continuo aggiornamento delle previsioni mediante l'utilizzo degli ultimi dati radar consente di ottenere campi di precipitazione più realistici e quindi più rappresentativi per la generazione dell'input idrologico.
• Aumento della scalabilità. Il modello WRF può essere utilizzato per simulare il tempo atmosferico su aree di diverse dimensioni, rendendolo adatto a una varietà di applicazioni.

Work Package n. 2: "Modellazione idro-morfologica" (Ricerca Industriale)

Sulla base di studi e di esperienza di campo è noto che le colate di detriti si innescano in punti del territorio caratterizzato da disponibilità di materiale movimentabile, notevole pendenza, da una area contribuente (ovvero l'area del bacino idrografico cui afferisce la portata superficiale e subsuperficiale prodotta dalle precipitazioni) in grado di saturare il materasso di sedimenti. Altro fattore importante è il tipo di suolo per quanto riguarda la litologia e la sua capacità drenante (conducibilità idraulica e spessore di suolo). Dunque i fattori che determinano l'innesco di una colata di detriti (debris flow) sono di tre tipi:

• le precipitazioni, che a seconda della loro intensità e durata possono diventare eventi potenzialmente scatenanti o meno;
• il contesto idromorfologico che descrive la predisposizione di un sito all'innesco di debris flow da un punto di vista del suo assetto morfologico e della sua capacità di drenare l'acqua che lì confluisce;
• la disponibilità di sedimento movimentabile. Questo viene prodotto da processi erosivi delle rocce e/o da dilavamento del suolo. Eventi intensi possono rimuovere tutto il sedimento disponibile, eventi meno intensi possono mobilitarne una parte. In ogni caso la presenza di sedimento movimentabile è prerequisito per lo sviluppo di un debris flow.

Questi sono fattori potenzialmente predisponenti per l'innesco di un debris flow, affinché questo si verifichi è necessaria la compresenza dei tre. Questo WP si occupa di sviluppare una metodologia per determinare se questi fattori sono contemporaneamente presenti nell'area interessata dalla precipitazione, di verificare se la precipitazione ha le caratteristiche di intensità e durata tali da collocarsi sopra la soglia di innesco e di calcolare il tempo di ritorno della precipitazione che ha determinato l'innesco e di validare i risultati del modello con i rilievi di campo e le evidenze del sistema di monitoraggio già installato sul sito del Gadria, preso come area di test.

Work Package n. 3: "Sviluppo dell'interfaccia utente per la visualizzazione delle allerte" (Sviluppo Sperimentale)

Il WP3 ha l'obiettivo di restituire all'utilizzatore finale i risultati prodotti dalla catena modellistica implementata. Il sistema di allerta per eventi di colata detritica realizzato è caratterizzato da un funzionamento in continuo e i risultati delle elaborazioni vengono restituiti su di una piattaforma costantemente accessibile ed aggiornata. Una dashboard interattiva e consultabile via browser è la soluzione più adeguata per questi scopi. Accedendo alla dashboard, l'utilizzatore finale può valutare lo svilupparsi di situazioni di pericolo tali per cui è necessario attivare una allerta.

La modalità di comunicazione dei contenuti riveste in questa fase un ruolo centrale, affinché la dashboard possa essere utilizzata efficacemente come uno strumento di supporto alle decisioni. Infatti, l'interdisciplinarietà del progetto porta la necessità di dover far convergere all'interno della dashboard i risultati di diversi ambiti, tra cui la meteorologia, l'idrologia e l'idraulica montana. Questi risultati devono essere sintetizzati e correttamente comunicati all'utilizzatore finale al quale è delegata la protezione del territorio (ad esempio Vigili del Fuoco, Protezione Civile).

Per lo sviluppo della dashboard web è stato utilizzato il pacchetto open source 'Shiny' sviluppato in linguaggio R. Shiny mette infatti a disposizione diverse funzionalità utili tra cui la possibilità di:

• consentire l'accesso alla dashboard soli ad utenti dotati di credenziali e di gestire i contenuti visualizzabili sulla base delle autorizzazioni concesse a ciascun utente;
• sviluppare dashboard con una grafica intuitiva e facilmente interpretabile, in modo da consentire agli utenti di comprendere facilmente i risultati.

All'interno della dashboard i contenuti sono stati organizzati in sezioni, per renderla più facilmente utilizzabile. La dashboard realizzata contiene:

• una pagina dei risultati, immediatamente visualizzabile in cui mostrare le mappe di pioggia previste, la probabilità di innesco di una colata detritica e la sua localizzazione all'interno del bacino;
• una sezione dedicata alle statistiche, in cui si riportano le statistiche calcolate per valutare la precisione e l'affidabilità delle previsioni;
• una pagina di gestione degli utenti che permetta agli amministratori di gestire gli utenti, in modo da limitare l'accesso ai dati a utenti autorizzati.

Work Package n. 4: "Disseminazione e comunicazione" (Sviluppo sperimentale)

Il WP4 si pone l'obiettivo di divulgare il progetto ed i risultati da esso ottenuti tramite la realizzazione di una pagina web dedicata e lo svolgimento di un workshop di fine progetto rivolto agli stakeholder per presentare i risultati del progetto ed evidenziare come questi siano applicabili all'attività degli operatori della protezione civile.