EU Program INTERREG IIIB MEDOCC SEDEMED Project Seminario

EU Program INTERREG IIIB MEDOCC SEDEMED Project Seminario di Palermo 21 -22/11/ 2003 CRITERI E METODI PER IL MONITORAGGIO DELLA SICCITÀ (Risultati del progetto INTERREG IIC) G. Rossi, B. Bonaccorso, A. Cancelliere, S. Alecci Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Università di Catania

Indice 1. Indici di siccità • • 2. Caratteristiche di siccità identificate col metodo dei run Standardized Precipitation Index Indice di Palmer Analisi regionale per la Sicilia Definizione della rete minima per il monitoraggio delle siccità • • 3. Minimizzazione degli errori di stima delle variabili idrometeorologiche tramite tecniche geostatistiche Applicazione del metodo di minimizzazione della varianza di stima a serie pluviometriche e termometriche Prototipo di un bollettino delle siccità in Sicilia • • Architettura e requisiti informativi Variabilità spazio temporale delle variabili di base Variabilità degli indici di siccità (deficit, SPI, Palmer) Stato delle riserve idriche nei serbatoi di regolazione

DROUGHT PROCESS AND DEFINITIONS Precipitation deficit PD Meteorological drought Unsaturated Soil Storage Soil Moisture Deficit (SMD) Agricultural drought Surface Water Storage Hydrological Drought Groundwater Storage Surface Flow Deficit (SFD) Groundwater Deficit (GWD) Water Supply Systems Water Resource Drought Water Supply Shortage (SFS) Socio-economic Systems Economic and Intangible Impacts (EII) Measures for increasing resources and/or reducing demands Measures for mitigating drought impacts

Definizioni di siccità (1/2) Siccità meteorologiche : Deficit di precipitazione (input) prodotto da fluttuazioni atmosferiche dipendenti da: i) fluttuazioni di energia solare (? ) ii) processi terrestri (interazioni geofisiche oceanografiche) iii) interazioni con la biosfera Siccità agricole : Deficit di umidità del suolo derivante da siccità meteorologiche trasformate da meccanismi di accumulo nel suolo (ritardi temporali e variazioni nelle quantità)

Definizioni di siccità (2/2) Siccità idrologica : Deficit di deflusso superficiale e sotterraneo derivante rispettivamente dal deficit di precipitazione e dal deficit di umidità del suolo trasformato da meccanismi di accumulo nei corpi idrici naturali Carenza idrica : Riduzione dell’approvvigionamento idrico (effetto della siccità) influenzato dalla presenza di invasi artificiali (capacità dei serbatoi e regole d’esercizio) e dall’aplicazione di misure di mitigazione delle siccità

Identificazione di siccità locali Metodo dei run (Yevjevich, 1967) Durata Deficit cumulato Intensità

Standardized Precipitation Index SPI: Standardized Precipitation Index (Mc. Kee et al, 1993) n Scale temporali diverse n Confronto tra siccità rilevate in località differenti SPI Z Z 2. 00 Class Estremam. Umido 1. 50 Z < 2. 00 Molto umido 1. 00 Z < 1. 50 Moderatam. Umido -1. 00 Z < 1. 00 Normale -1. 50 Z < -1. 00 Moderat. Secco -2. 00 Z < -1. 50 Molto secco Z -2. 00 Estremam. secco

Indice di Palmer Indice basato sul bilancio idrico semplificato del terreno e che esprime le condizioni di umidità del suolo in una scala standardizzata Precipit. osservata con Precipit. climaticamente appropriata Fattore di standard. dipende da EPT, rica del contenuto idrico del suolo, ruscellamento superficiale e variazione del contenuto idrico del terreno nel mese i

Indagini svolte per il DSTN • Individuazione degli indici idonei alla valutazione degli eventi di siccità e della loro distribuzione spaziale: • Metodo dei run per identificazione di durata, defict cumulato e intensità di siccità locali e regionali. • Standard Precipitation Index (per k=3, 6, 9, 12 e 24 mesi). • Indice di Palmer (sulla base di precipitazioni e temperature) • Definizione dei criteri per l’individuazione della rete di monitoraggio delle siccità per fissato errore di stima

Rete termopluviometrica tradizionale

Analisi del trend nelle stazioni pluviometriche a)

Analisi del trend nelle stazioni termometriche

Trend delle precipitazioni medie annue (43 stazioni)

Trend delle temperature medie annue (43 stazioni)

Area interessata da condizioni di siccità (in rapporto all’area totale) Deficit delle siccità regionali identificate sulle precipitazioni

Analisi per distretti idrografici

Area Ad Area critica Ac Area interessata da condizioni di siccità (in rapporto all’area totale) Valore dell’indice SPI ragguagliato per Ad>Ac

Area Ad Area critica Ac Area interessata da condizioni di siccità (in rapporto all’area totale) Valore dell’indice SPI ragguagliato per Ad>Ac

Area Ad Area critica Ac Area interessata da condizioni di siccità (in rapporto all’area totale) Valore dell’indice SPI ragguagliato per Ad>Ac

Area Ad Area critica Ac Area interessata da condizioni di siccità (in rapporto all’area totale) Valore dell’indice di Palmer ragguagliato per Ad>Ac

Estratto dal sito del National Drought Mitigation Center ( http: //www. drought. unl. edu)

Indagini svolte per lo STIR • Sviluppo di una procedura per il controllo della qualità dei dati idrometeorologici • Analisi degli indici di monitoraggio delle siccità per la Sicilia • Sviluppo di un prototipo di bollettino delle siccità • Definizione di una rete minima di stazioni idrometeorologiche per il monitoraggio delle siccità • Messa a punto di una procedura per la stima dei deflussi sulla base dei bilanci idrici dei serbatoi

Procedura di controllo della qualità dei dati TARATURA DEI PARAMETRI DATI STORICI DELLA STAZIONE IN ESAME DATI STORICI DELLE STAZIONI DI RIFERIMENTO DETERMINAZIONE FASCE DI CONFIDENZA MEDIANTE I DATI STORICI DELLA STAZIONE CALCOLO DEI PARAMETRI DELLE REGRESSIONI CON LE STAZIONI DI RIFERIMENTO CONTROLLO DATO ACQUISITO IN TELEMISURA VERIFICA BASATA SULLE FASCE DI CONFIDENZA DELLA STAZIONE IN ESAME VERIFICA BASATA SULLE FASCE DI CONFIDENZA DELLE REGRESSIONI CLASSIFICAZIONE DATO CON GIUDIZIO DI QUALITÀ DATO VALIDATO INCERTO DATO NON VALIDATO AUTOMATICAMENTE CONTROLLO MANUALE DATO RIFIUTATO

Giudizi di qualità dei dati Verifica 1: il dato ricade nella fascia della stessa stazione con probabilità: Verifica 2: Il dato ricade nella fascia della regressione con probabilità: Giudizio di qualità dato Operazione 99% 99, 9% SI SI Validato (V) Accettazione NO SI SI SI Incerto (I) Controllo manuale SI SI NO SI Incerto (I) Controllo manuale NO SI NO NO Non validato (NV) Controllo manuale NO NO NO SI Non validato (NV) Controllo manuale NO NO SI SI Non validato (NV) Controllo manuale SI SI NO NO Non validato (NV) Controllo manuale NO NO Rifiutato (R) Controllo manuale

Esempio di controllo della qualità dei dati sulla base di fasce di confidenza (a) e di una stazione di riferimento (b) San Vito Lo Capo

Definizione di una rete ottimale di monitoraggio delle siccità Compromesso tra accuratezza della stima della distribuzione spaziale della grandezza e costo di realizzazione, esercizio e manutenzione della rete Criterio di selezione delle stazioni: minimizzazione dell’errore di stima della variabile idrometeorologica in esame in punti dove non sono disponibili misure dirette attraverso l’uso di tecniche geostatistiche (Rodriguez-Iturbe and Mejia, 1974; Bastin et al. , 1984; Bacchi, 1996, Pardo-Igùzquiza, 1998)

Valutazione dell’errore di stima (1/2) Sia Z(x) il valore assunto da un processo stocastico Z(. ) in un generico punto x={x, y} Z(x) si definisce Variabile Regionalizzata e si assume stazionaria nello spazio (Matheron, 1965) Se il fenomeno è stazionario del secondo ordine Hp: Processo non stazionario del secondo ordine e isotropico Þ Ipotesi Intrinseche

* *: Valutazione dell’errore di stima (2/2) Stimatore lineare Mean Square Prediction Error (MSPE) x 0 Al fine di valutare i pesi li, occorre che Z* sia: n indistorto n con MSPE minimo Root Mean Square Error (RMSE) for j=1, 2 …N

Errori di stima delle temperature medie mensili Trend lineare Temperatura media mensile: Errore di stima delle temperature : Componente stocastica a media nulla

Procedura di selezione della rete Per una certa configurazione della rete e per un dato punto x 0 : 1. Si calcola il Root Mean Square Error della variabile di base: n determinando g(h) n valutando li n calcolando MSPE s 2(x 0) 2. La procedura va ripetuta per diversi punti x 0 3. Si verifica che la configurazione attuale della rete sia caratterizzata da valori di RMSE al di sotto di un fissato limite 4. Si confrontano differenti configurazioni sulla base della distribuzione spaziale del RMSE

Mappa degli errori di stima delle precipitazioni di dicembre (171 stazioni)

Confronto tra la distribuzione areale del RMSE per le due reti pluviometriche considerate Sicilia Est Sicilia Ovest L’incremento della superficie relativa alla classe di errore più elevata è 14 % per la Sicilia Est e 19 % per la Sicilia Ovest

Mappa delle temperature medie del mese di luglio (43 stazioni)

Confronto tra la distribuzione areale del RMSE per le due reti termometriche considerate Incremento della superficie relativa alla classe di errore più elevata ( 80 %) e riduzione della superficie relativa alla classe precedente ( 12 %)

Schema del bollettino per il monitoraggio delle siccità Osservazioni dalla rete di stazioni in telemisura STIR Cartografia georeferenziata della Sicilia Caratteristiche dei serbatoi e serie dei volumi invasati Bollettino per il monitoraggio della siccità Precipitazioni Isolinee dei valori mensili e cumulati a 3, 6, 9, 12 mesi in mm ed in rapporto ai valori normali. Serie storiche nelle stazioni Serie storiche termometriche e pluviometriche dal 1921 Volumi invasati nei serbatoi Mappa a colori dei Deficit di valori mensili (10 6 precipitazione m 3)ed in rapporto ai Temperature Isolinee dei valori mensili e delle medie nei 3, 6, 9, 12 mesi precedenti in °C ed in rapporto ai valori normali. Serie storiche nelle stazioni Indice SPI Isolinee dei valori mensili per k=3, 6, 9, 12, 24 mesi Serie storiche nelle stazioni Indice Palmer Freatimetri Isolinee dei valori Serie storiche dei mensili livelli freatimetr. Serie storiche di Serie storiche precipitazione nelle stazioni Serie storiche delle portate emunte Isolinee dei valori mensili Siccità storiche identificate con il metodo del run a scala mensile e trimestrale valori normali Serie storiche nelle stazioni

Home page del prototipo di Bollettino per il monitoraggio delle siccità in Sicilia

Isolinee del rapporto tra la precipitazione mensile e la media di lungo periodo

Mappa delle isolinee dell’indice SPI

Mappa delle isolinee dell’indice di Palmer

Mappa delle isolinee degli scarti di precipitazione dalla media

Mappa dei serbatoi con indicazione dei volumi in percentuale della capacità totale

Schema per la procedura di aggiornamento del Bollettino

Pubblicazioni • Alecci, S. , Rossi, G. , (2000). Analisi delle siccità meteorologiche e idrologiche. Confronto tra criteri di identificazione, Atti del XXVII Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, 12 -15 settembre, Genova, vol. 3. • Alecci S. , Arcidiacono, F. , Bonaccorso, B. , Rossi, G. (2000). Identificazione delle siccità regionali e sistemi di monitoraggio, Convegno “Siccità: Monitoraggio, Mitigazione, Effetti”, 21 -23 settembre, Cagliari – Villasimius. • Alecci, S. , Rossi, G. , (2002). Confronto di metodi di identificazione delle siccità, XXVIII Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, 16 -19 settembre Potenza. • Bonaccorso, B. , Cancelliere, A. , Rossi, G. (2002). Network design for drought monitoring by geostatistical techniques, 5 th International Conference "Water resources management in the era of transition", Atene 4 -8 settembre. • Bonaccorso, B. , Cancelliere, A. , Rossi, G. (2002). Definizione delle reti di misura delle precipitazioni e delle temperature con l'impiego di tecniche geostatistiche, XXVIII Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, 1619 settembre, Potenza, vol. 2. • Bonaccorso B. , Bordi I. , Cancelliere A. , Rossi G. and Sutera, A. Spatial variability of drought: an analysis of the SPI in Sicily (accepted to Water Resources Management). • Campisano A. , Cancelliere A. , Rossi G. (2002). Una procedura semi-automatica per il controllo di qualità dei dati pluviometrici e termometrici, Atti del XXVIII Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, 16 -19 settembre, Potenza, vol. 2. • Rossi, G. , Cancelliere, A. (2002). Early warning of drought: development of a drought bullettin for Sicily, 2 nd International Conference "New trends in Water and Environmental Engineering for Safety and Life: Ecocompatible Solutions for Aquatic Environments", 24 -28 giugno, Capri. • Rossi, G. , Cancelliere, A. (2002). Problemi e prospettive del monitoraggio e della mitigazione della siccità, Quaderni Associazione Idrotecnica, BIOS edit. , Cosenza. • Mendicino, G. , Monacelli, G. , Rossi, G. , Sutera, A. , Vega, T. , Versace, P. (2003). Contributo allo sviluppo di un sistema di preannuncio e monitoraggio della siccità in italia nell’ambito del programma europeo INTERREG IIc, Accademia Nazionale dei Lincei - III Giornata dell’Acqua “La siccità in Italia”, 21 marzo 2003, Roma.

Progetto SEDEMED Attività del DICA per lo STIR Regione Siciliana Attività Potenziamento del sistema di acquisizione e elaborazione delle informazioni relative al preannuncio e monitoraggio della siccità –Inserimento di nuove informazioni –Modifica della modalità di consultazione per diversi livelli di accesso Connessione del sistema di monitoraggio della siccità dello STIR –Collegamento con la rete di monitoraggio idrometeorologica –Collegamento con altri sistemi informativi Aggiornamento della metodologia di calcolo dello SPI e sua applicazione in Sicilia Fase del progetto B 1 D 1, D 2 A 4 Definizione delle misure di mitigazione degli impatti delle siccità –Identificazione delle misure a lungo e breve termine –Applicazione ad un caso studio A 4 B 4 Diffusione dei risultati E 1

Progetto SEDEMED Attività del DICA per l’APAT Roma Attività Fase del progetto Analisi della variabilità climatica in Sicilia A 2 Analisi dei tempi di ritorno delle siccità A 3 Messa a punto di una metodologia per la previsione a breve termine di indici di siccità A 3 Definizione della rete di rilevamento idrometeorologico per il monitoraggio delle siccità A 4 Diffusione dei risultati E 1