Studio delle proprietà delle precipitazioni antartiche da strumenti installati al suolo

La stima accurata delle precipitazione in Antartide sarebbe la chiave per affinare la comprensione e la capacità di modellare fenomeni come i cambiamenti della massa ghiacciata della calotta polare e il bilancio idrologico antartico che hanno riflessi diretti sull'andamento del livello dei mari e il bilancio energetico globale.  

La quantificazione delle precipitazioni in un continente vasto, inaccessibile  e scarsamente strumentato come l'Antartide è una sfida difficile. Le stime ottenute da osservazioni satellitari risultano attraenti per la capacità di fornire misure a scala continentale. Ma, nonostante i progressi  sia nei sensori che negli algoritmi, le stime di precipitazione risultano caratterizzate da una scarsa accuratezza. Anche le misure in situ della precipitazione nevosa non sono esenti da problemi e difficoltà, e in Antartide sono disponibili nelle stazioni opportunamente strumentate. 

La ricerca di APP intende sviluppare e validare nuovi metodi e sensori per la misura quantitativa e la caratterizzazione delle precipitazioni in Antartide studiandone la microfisica. Infatti la caratterizzazione microfisica della precipitazione è uno strumento essenziale non solo per la caratterizzazione dei processi di formazione delle precipitazioni, ma anche per migliorare gli algoritmi per la stima quantitativa delle precipitazioni che utilizzano metodi di telerilevamento con strumenti sia al suolo che su misure da piattaforma satellitare che in generale sono basati su assunzioni sulle proprietà microfisiche delle particelle osservate. 

L'obiettivo generale della proposta è di sviluppare metodi per la quantificazione e la caratterizzazione microfisica delle precipitazioni in Antartide, sia al suolo che lungo profili verticali. I metodi si basano essenzialmente sull'utilizzo sinergico di un radar a 24GHz (banda K) a puntamento verticale (Micro Rain Radar, prodotto da Metek) e di un disdrometro laser Parsivel (prodotto da OTT), utilizzando anche misure provenienti da altri strumenti già presenti presso MZS come la stazione meteorologica Eneide, il ceilometer e pluviometri. L'utilizzo combinato di questo set di strumenti permetterà di caratterizzare e di studiare le proprietà della precipitazione antartica, quali dimensioni, forma, velocità di caduta, densità, distribuzione dimensionale delle particelle (PSD),  sia al suolo che lungo la verticale. Questi strumenti sono stati scelti per la loro affidabilità nell'uso non sorvegliato, soprattutto nella stagione invernale quando la stazione non è presidiata. 

Gli obiettivi del primo biennio consistono nell'installazione e la configurazione degli strumenti e nella conduzione di un'analisi preliminare delle misure per sviluppare una metodologia di post-processing ad hoc che consenta la classificazione dei cristalli precipitanti utile.

I due strumenti verranno installati l'uno accanto e all'altro, e l'MRR sarà configurato in modo da avere una prima quota utile delle misure a 100 metri di quota, in modo minimizzare il più possibile le discrepanze tra le misure a terra ottenute dal disdrometro e le misure ottenute a bassa quota dal radar. 

Gli obiettivi del secondo biennio riguardano il perfezionamento dei prodotti per la quantificazione della precipitazione e per la stima della microfisica, e il confronto di questi prodotti con le misure satellitari. E' inoltre previsto di incrementare la strumentazione con sensori imaging per la caratterizzazione della forma delle particelle precipitanti.

I prodotti e i dati acquisiti saranno indicizzati attraverso il National Antarctic Data Center e verranon resi disponibili su data repository ad accesso aperto.  
 

Nel primo biennio il progetto ha installato la strumentazione e prodotto un algoritmo per la classificazione delle idrometeore e per la quantificazione della precipitazione basata sulla sinergia tra MRR e disdrometro.

Le stime del tasso di nevicate vengono solitamente eseguite da radar utilizzando relazioni empiriche messe a punto con misure di lungo termine di riflettività radar equivalente (Ze) e del tasso di precipitazione nevosa (SR). La sinergia tra MRR e disdrometro ha consentito di utilizzare relazioni Ze-SR in funzione della tipologia di cristallo di neve precipitante.  Il disdrometro è stato in grado di fornire informazioni sulla distribuzione delle dimensioni delle particelle 100 metri al di sotto della quota della prima misura affidabile dell'MRR. La classificazione delle idrometeore si basa sul migliore accordo tra la riflettività equivalente misurata da MRR e quella derivata dalle PSD misurate da disdrometro convertite in riflettività equivalente per sei diverse tipologie di particelle. I cristalli di neve sono stati classificati in sei diverse categorie (aggregate, dendrite aggregate, plate aggregate, pristine, dendrite pristine, plate pristine). Il metodo è stato applicato agli eventi nevosi delle stagioni estive antartiche del 2018-2019 e 2019-2020, per un totale di 23.566 minuti di precipitazione, di cui il 15,3% è stato riconosciuto come composta da aggregates, il 33,3% da dendrite aggregates, il 7,3% da plate aggregate, 12,5% da pristine, 24% da pristine dendrite e il  7,6% da plate pristine. Applicando la relazione Ze-SR appropriata per ciascuna categoria di neve, abbiamo calcolato un totale di 87 mm equivalenti di acqua, differendo notevolmente dal totale trovato applicando una relazione Ze-SR unica indipendente dalla tipologia di cristallo (metodologia solitamente seguita in letteratura). Le nostre stime sono state confrontate anche con un pluviometro a pesata con schermo alter ottenendo una differenza solamente del 3% nei periodi analizzati (Bracci et al., 2021).

Lo stesso metodo è stato utilizzato per evidenziare i processi sublimazione a basse quote delle precipitazioni antartiche, le relative implicazioni sulla stima radar delle precipitazioni nevose al suolo e la difficoltà delle stime satellitari a seguito di questi processi (Bracci et al., 2022).

Nel secondo biennio sono state considerate le sinergie tra misure satellitari e misure al suolo. Le misurazioni satellitari sono cruciali per fornire stime delle precipitazioni a livello continentale, e questo evidenzia l'importanza di validare le misurazioni satellitari con misurazioni affidabili raccolte dalle stazioni antartiche. Il satellite NASA CloudSat, lanciato nel 2006, è dotato di un Cloud Profiling Radar (CPR) a 94 GHz (banda W) che fornisce misurazioni dei profili di riflettività di nubi e e precipitazioni. La prossima missione ESA/JAXA EarthCARE (lancio previsto entro giugno 2024) adotterà un radar simile, ma con capacità Doppler per la stima dei moti verticali. La sinergia tra due strumenti (disdrometro laser ed MRR), disponibili in diverse stazioni antartiche, può essere utilizzata per validare le misurazioni radar in banda W incluse le stime Doppler. È stata proposta una nuova metodologia di validazione (K2W) per simulare la riflettività a 94 GHz e le misurazioni Doppler dagli spettri Doppler ottenuti Micro Rain Radar. La valutazione della metodologia K2W proposta ha mostrato che i profili CloudSat di Ze possono essere simulati con un errore medio 0.2 dB. K2W riesce ad ottenere la velocità Doppler a 94 GHz che può essere confrontata con quella che misura EarthCARE. La deviazione standard della velocità Doppler simulata è risultata inferiore a 0.2 m s⁻¹ (Bracci et al., 2023).

Un ultimo aspetto del secondo biennio riguarda l'utilizzo di disdrometri imaging. Il vantaggio atteso da questi strumenti è quello di ottenere immagini delle idrometeore che attraversano un volume di risoluzione definito dalla profondità di campo e dall'ampiezza del fascio ottico. Queste immagini possono essere usate ai fini di una più precisa classificazione delle idrometeore e quindi di una più precisa stima quantitativa della precipitazione.
Lo strumento considerato è il Thies Clima "3D Stereo Disdrometer" (Montopoli et al., 2023) che è stato testato a Casale Calore (AQ) per essere utilizzato in Antartide dalla XXXIX Spedizione, sempre nell'ambito del progetto APP.

1. Articoli su rivista:
2.  

Montopoli, M., Bracci, A., Adirosi, E., Iarlori, M., Di Fabio, S., Lidori, R., Balotti, A., Baldini, L., & Rizi, V. (2023). Cloud and Precipitation Profiling Radars: The First Combined W- and K-Band Radar Profiler Measurements in Italy. Sensors, 23(12), 5524. https://doi.org/10.3390/s23125524

Bracci, A., Sato, K., Baldini, L., Porcù, F., & Okamoto, H. (2023). Development of a methodology for evaluating spaceborne W-band Doppler radar by combined use of Micro Rain Radar and a disdrometer in Antarctica. In Remote Sensing of Environment (Vol. 294, p. 113630). Elsevier BV. https://doi.org/10.1016/j.rse.2023.113630

Bracci, A., Baldini, L., Roberto, N., Adirosi, E., Montopoli, M., Scarchilli, C., Grigioni, P., Ciardini, V., Levizzani, V., & Porcù, F. (2021). Quantitative Precipitation Estimation over Antarctica Using Different Ze-SR Relationships Based on Snowfall Classification Combining Ground Observations. In Remote Sensing (Vol. 14, Issue 1, p. 82). MDPI AG. https://doi.org/10.3390/rs14010082

Scarchilli, C., Ciardini, V., Grigioni, P., Iaccarino, A., De Silvestri, L., Proposito, M., Dolci, S., Camporeale, G., Schioppo, R., Antonelli, A., Baldini, L., Roberto, N., Argentini, S., Bracci, A., & Frezzotti, M. (2020). Characterization of snowfall estimated by in situ and ground-based remote-sensing observations at Terra Nova Bay, Victoria Land, Antarctica. In Journal of Glaciology (Vol. 66, Issue 260, pp. 1006–1023). Cambridge University Press (CUP). https://doi.org/10.1017/jog.2020.70

Comunicazioni a congresso:

Bracci, A., Baldini, L., Roberto, N., Adirosi, E., Montopoli, M., Scarchilli, C., Grigioni, P., Ciardini, V., Levizzani, V., & Porcu, F. (2022). Evidence of sublimation in the vertical profiles of radar reflectivity and its impact on snowfall estimation at the ground at Mario Zucchelli Antarctic Station. In 2022 3rd URSI Atlantic and Asia Pacific Radio Science Meeting (AT-AP-RASC). 2022 3rd URSI Atlantic and Asia Pacific Radio Science Meeting (AT-AP-RASC). IEEE. https://doi.org/10.23919/at-ap-rasc54737.2022.9814266

Dataset:

Baldini Luca, Bracci Alessandro, & Roversi Giacomo. (2023). Particle size and velocity distributions from an OTT Parsivel optical disdrometer located at Mario Zucchelli Station, aggregated to 5min, monthly netCDF archive [Data set]. Zenodo. https://doi.org/10.5281/zenodo.7907497

Baldini Luca, Bracci Alessandro, & Roversi Giacomo. (2023). Vertically pointing doppler radar profiles (24 GHz Metek MRR-2) at Mario Zucchelli Station, aggregated to 5min, monthly netCDF archive [Data set]. Zenodo. https://doi.org/10.5281/zenodo.7907541