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Come selezionare un sito per misure di correlazione turbolenta

Ecosearch. Come selezionare un sito per misure di correlazione turbolenta. Nicola Arriga Università degli Studi della Tuscia Corso su tecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012. Ecosearch. Fasi della procedura di scelta.

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Come selezionare un sito per misure di correlazione turbolenta

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Presentation Transcript

  1. Ecosearch Come selezionare un sito per misuredicorrelazioneturbolenta Nicola Arriga UniversitàdegliStudidellaTuscia Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  2. Ecosearch Fasi della procedura di scelta • Individuazione degli scopi fondamentali dell’attività connessa al sito e loro classificazione (monitoraggio di lungo o breve periodo, ricerca ecologica o micrometeorologica, etc.). • Valutazione delle risorse disponibili in termini temporali, finanziari e di competenze. • Ricerca Bibliografica • Analisi quantitativa massima consentita prima della scelta definitiva (analisi della footprint e della turbolenza, raccolta dati preliminari) • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  3. Ecosearch Requisiti Primari • RequisitiMetodologici • Omogeneitàorizzontale • Circolazione locale assente • Turbolenza “regolare” e andamentoverticale • RequisitiFunzionali • Rappresentativitàsuperficiale e infrastrutturenecessarie • Scopo del sito • Peculiaritàdell’ecosistema • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  4. Ecosearch Requisiti Metodologici: omogeneità orizzontale Omogeneità orizzontale su una scala spaziale 100m÷103m • Composizione uniforme della superficie • Rugosità e caratteristiche geometriche degli elementi superficiali uniformi (vegetazione, edifici, topografia). • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  5. Ecosearch • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012 Omogeneità orizzontale: NO

  6. Ecosearch Omogeneità orizzontale: OK • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  7. Ecosearch Requisiti Primari: evitare situazioni che favoriscano una circolazione locale • Advective flows (Flussi avvettivi) • Katabatic Flows (Flussi catabatici) • Topografie complesse (pendenze superiori al 5%, ondulazioni significative del terreno, etc.) • Internal Boundary Layers • Ostacoli di dimensioni confrontabili con la distanza dal sito • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  8. Ecosearch Avvezione, flussi catabatici, drainage flows • Dove • ui = componente della velocità del vento lungo la direzione xi (i=1,2,3) • c = quantità, scalare, di cui si intende misurare il flusso (concentrazione di gas, temperatura, numero di particelle, etc.)

  9. Ecosearch Flussi catabatici, Avvezione • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  10. Ecosearch Flussi catabatici e avvettivi: da evitare • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  11. Ecosearch Internal Boundary Layers (IBL) • Definizione: strati con marcate irregolarità nella distribuzione verticale del campo anemometrico, causate da avvezione orizzontale sopra significative discontinuità (essenzialmente termiche o di rugosità) della superficie. • Significato Pratico: marcato disturbo dei flussi verticali, necessità di incrementare la quota di misura rispetto a condizioni ideali. • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  12. Ecosearch Internal Boundary Layers

  13. Ecosearch IBL-Discontinuità di rugosità:da evitare

  14. Ecosearch Struttura verticale del flusso • Sottostrato di Rugosità RSL (Roughness Sublayer) • Altezza di dislocamento d (Displacement height) • Lunghezza di Rugosità Z0 (Roughness Length) L’attrito del vento sulla parte alta della canopy (elementi vegetali, superficie d’acqua, edifici) influenza il campo anemometrico soprastante e produce irregolarità del flusso in verticale fino ad altezze determinate dalla struttura geometrica degli elementi superficiali. Fondamentali per determinare la quota di misura ideale per un dato sito. • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  15. Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012 Ecosearch RSL (o HSL= Hic Sunt Leones), Z0 e d: cosa sono?

  16. Ecosearch Quota di misura • Deve rimanere nell’estremità superiore o oltre lo strato di rugosità e il più lontano possibile dall’interfaccia di scambio • Deve comunque rimanere all’interno dello strato atmosferico superficiale dove i flussi verticali sono costanti con la quota, senza diventare “troppo” alta (<100m÷200m) • Non deve essere “troppo” bassa e vicina alla superficie (almeno un metro più in alto, dipende dalle dimensioni dei rivelatori) Quindi? • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  17. Ecosearch Come determinare la giusta quota di misura per ciascun sito? • Low Cost: Utilizzando relazioni empiriche e/o dati reperibili in letteratura. Economica, semplice e immediata, ma non la più accurata. • Altezza RSL pari a 2 volte l’altezza media della canopy: hRSL=2hc • Displacement Height d~ 0.75*hc • Roughness Length: zo=10-1hc÷ 10-2hc • Letteratura micrometeorologica per valori generici dei parametri micrometeorologici nei vari ecosistemi (Garratt, Stull, Foken, etc.) • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  18. Ecosearch Come determinare la giusta quota di misura per ciascun sito? II • Top class: analisi sperimentale in situ. Costosa, complicata e lunga, ma impeccabile. • Realizzazione di profili di statistiche turbolente • Analisi dati per stimare Z0 e d dalla relazione • Così è sufficiente? • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  19. Ecosearch Requisiti Funzionali: Area Sorgente (Footprint) • L’altezza determina l’estensione, principalmente sopravento, della superficie che determina i flussi misurati (area sorgente). • Maggiore è la quota di misura, maggiore è l’estensione della superficie • Non esiste un metodo univoco e deterministico per quantificarla, varia in funzione della superficie sottostante e delle condizioni atmosferiche (stratificazione, velocità del vento, turbolenza,etc.) • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  20. Ecosearch Requisiti Funzionali: Area Sorgente (Footprint) • Modelli di footprint • Analitici:semplicissimi da implementare, poco accurati e tendenzialmente sovrastimano l’area sorgente. Input richiesti: velocità media del vento, parametro di stabilità atmosferica, velocità di attrito. • LS (Lagrangian Stocastic):simulazioni probabilistiche numeriche. Difficili da implementare, ma disponibili tramite gli autori. Maggiore dettaglio, ma richiedono input più complicati (profili verticali di statistiche turbolente) o assunzioni non banali come, ad esempio, modelli euleriani di chiusura per le variabili turbolente. • LES (Large Eddy Simulation): accessibili a pochi e complicati da usare, in combinazione con i LS possono fornire la modellizzazione più accurata possibile dei processi di trasporto. • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  21. Ecosearch Requisiti Funzionali: Area Sorgente (Footprint) • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  22. Ecosearch Requisiti Funzionali: Area Sorgente (Footprint) • Campagna preventiva di raccolta dati anemometrici • Utilizzo di dati da altri archivi • Analisi climatologica della footprint per dataset di lungo corso • Valutazione della rappresentatività del sito tramite la frazione di footprint cumulata (75%, 80%,...)

  23. Ecosearch Contributo della superficie in funzione della distanza sopravento

  24. Ecosearch Requisiti Funzionali: scopo dell’attività • Scopo del sito di studio • Analisi di lungo periodo, validazione modelli, monitoraggio, etc.? • Campagna di breve durata, bilancio accurato di particolari grandezze, Sito mobile, etc.? • Ogni finalità richiede specifiche misure da abbinare al sistema eddy covariance che potrebbero risultare più o meno agevoli e realizzabili o meno in un dato sito: • Campionamenti di biomasse (ipogee o epigee) • LAI (Leaf Area Index) • Fenologia • ... • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  25. Ecosearch Requisiti Funzionali: peculiarità dell’ecosistema • Che tipo di ecosistema deve essere studiato? • Foresta • Coltivo • Pascolo/Prateria • Terre umide • Superficie d’acqua o ghiaccio (laghi, mari, estuarii ghiacciai) • Aree urbane • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  26. Ecosearch Requisiti Secondari (non troppo) • Accesso alla rete elettrica o altra disponibilità di energia elettrica • Accessibilità logistica, fruibilità (raggiungibilità con mezzi motorizzati, accessibilità non limitata, etc.) • Minima conlittualità con la proprietà • Massima conoscenza possibile degli aspetti amministrativi e gestionali del luogo prescelto • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  27. Ecosearch Metadata • Si raccomanda di inserire i documenti usati e le procedure seguite per la scelta del sito nei “metadata”, ossia negli archivi contenenti tutte le informazioni necessarie alla futura interpretazione dei dati raccolti. • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  28. Ecosearch Bibliografia consigliata Monografie sui vari aspetti della Micrometeorologia: • Aubinet, Vesala, Papale (Ed.s) 2012. Eddy Covariance. Springer • Foken, 2008. Micrometeorology. Springer • Stull, 1988. An Introduction to: Boundary Layer Meteorology. Kluwer Academic Publishers. • Garratt, 1992.The Atmospheric boundary layer. Cambridge University Press • Kaimal, J.C. & Finnigan, J.J., 1994. Atmospheric Boundary layer flows: Their structure and measurement. Oxford University Press. Articoli scientifici su riviste specializzate: • Aubinet at al. 2000. The EUROFLUX methodology. Adv. Ecol. Res 30, pp. 113-175 • Baldocchi D.D., 2003. Assessing the eddy covariance technique... Global Change Biology 9, pp. 479-492 • Mahrt L., 2010. Computing turbulent fluxes near the surface: needed improvements. Agricultural&Forest Meteorology, 150, pp. 501-509 • Vesala T. Et al, 2008. Flux and concentration footprint modelling: state of the art. Environmental Pollution, 152, pp. 653-666 • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  29. Buon lavoro e... ...grazie dell’attenzione

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