Perchè misurare. Cosa risulta dalle misure idrologiche. Serie temporali.

1. Misura e Rappresentazione delle
Grandezze Idrologiche
Leonardo da Vinci - L’uomo Vitruviano, ca 1487
photo by Luc Viatour, www.lucnix.be
Riccardo Rigon
Monday, March 19, 12

2. “ L'uomo è la misura di tutte le cose, di
quelle che sono in quanto sono e di
quelle che non sono in quanto non
sono* ”
Protagora, fr.1, in Platone, Teeteto, 152a
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3. La misura
La misura
Io stimo di più il trovar un vero, benché di
cosa leggera, che 'l disputar lungamente
delle massime questioni senza conseguir
verità nissuna.
Galileo Galilei
Scritti letterari
* La misura invece cerca di stabilire delle procedure con le quali assegnare un
grado di oggettività, sia pure empirica, a quanto visto, legato alla ripetibilità di
quanto fatto ed ottenuto.
Per quanto “naturale” ci sembri oggi il concetto di misura, esso è invece il frutto di
una evoluzione culturale durata secoli, e la misurazione come la intendiamo oggi è
un fatto relativamente recente
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Riccardo Rigon
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4. La misura
Misura ciò che è misurabile, e rendi misurabile ciò che
non lo è.
Galileo Galilei
Diamo qui per scontato che ciascuno degli uditori abbia chiaro il concetto di
misura (altrimenti, p.e. Agnoli, 2004, 2006, http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_measurement )
Con la consapevolezza che praticamente ogni parola delle frasi seguenti
andrebbe spiegata:
“Ad ogni grandezza fisica si deve, almeno in linea di principio, poter
assegnare un valore numerico in modo univoco ed oggettivo, cioe'
riproducibile nelle stesse condizioni da qualsiasi osservatore; valore pari al
rapporto fra la grandezza stessa e l'unita' di misura per essa prescelta (Loreti,
2006)”.
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Riccardo Rigon
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5. La misura
Misure dirette
“Per eseguire tale associazione dobbiamo disporre di strumenti e metodi
che ci permettano di mettere in relazione da una parte la grandezza da
misurare, e dall'altra l'unita' di misura (oppure multipli o sottomultipli di
essa); e ci dicano se esse sono uguali o, altrimenti, quale delle due e'
maggiore.”
La misura si dice diretta quando si confronta direttamente la grandezza
misurata con l'unita' di misura (campione) o suoi multipli o sottomultipli;
per esempio la misura di una lunghezza mediante un regolo graduato e'
una misura diretta.
(Loreti, 2006)
E' una misura diretta anche quella effettuata mediante l'uso di strumenti
pretarati (ad esempio la misura della temperatura mediante un
termometro), che si fonda sulla proprieta' dello strumento di reagire nella
stessa maniera quando viene sottoposto alla medesima sollecitazione. 5
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6. La misura
Misure indirette
Misure indirette sono invece quelle in cui non si misura la grandezza che
interessa, ma altre che risultino ad essa legate da una qualche relazione
funzionale; cosi' la velocita' di un'automobile puo' essere misurata
direttamente (tachimetro) o indirettamente, misurando spazi percorsi e
tempi impiegati dai quali si risale poi alla velocita' (media) con una
operazione matematica.
(Loreti, 2006)
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Riccardo Rigon
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7. La misura
Le misure idrologiche
(Esempi)
•Altezza di precipitazione (pioggia, neve ..)
• Durata della precipitazione
• Altezza idrometrica
• Infiltrazione
• Deflussi (superficiali, nei suoli, nelle acque sotterranee)
• Evapotraspirazione
• Velocità del vento
• Temperature
• Conducibilità idraulica
• Tessitura del suolo
• Contenuto d’acqua (e ghiaccio) del suolo
• Pressione dell’acqua
• Pressione di vapore
..........
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Riccardo Rigon
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8. Misura e rappresentazione
Obbiettivi:
•In queste pagine si discute della variabilità spazio temporale della misura
delle grandezze idrologiche attraverso esempi.
•Se ne deduce che debbono essere usati degli strumenti statistici per
descriverle.
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9. Alcuni Casi Tipici
Frickenhausen, sul fiume Meno
Altezza Idrometrica
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10. Alcuni Casi Tipici
Frickenhausen, sul fiume Meno
Altezza Idrometrica
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11. I dati idrologici hanno andamenti complessi
Fattori che controllano le grandezze idrologiche
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Riccardo Rigon
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12. I dati idrologici hanno andamenti complessi
Fattori che controllano le grandezze idrologiche
I cicli idrologici sono controllati da fattori innumerevoli: sono dipendenti
da innumerevoli gradi di libertà.
Solo una piccola porzione di questi fattori può essere presa in
considerazione, mentre la parte rimanente deve essere modellata come
condizione al contorno o rumore di fondo” (tale rumore viene modellato o
eliminato con strumenti statistici).
Spesso infatti l’idrologo registra eventi e non è in grado di effettuare
esperimenti controllati (il laboratorio è il mondo).
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13. I dati idrologici hanno andamenti complessi
Le dinamiche sono complesse
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14. I dati idrologici hanno andamenti complessi
Le dinamiche sono complesse
La dinamica dei cicli idrologici è non lineare. Sono non lineari sia
l'idrodinamica che la termodinamica dei processi che coinvolgono anche
numerose transizioni di fase. Un'altra caratteristica non lineare è che
molti processi sono attivati in dipendenza dal superamento di un valore di
soglia di una quantità regolatrice.
Per esempio: la condensazione del vapore d'acqua in gocce di pioggia
avviene quando l'umidità dell'atmosfera eccede la saturazione; le frane si
innescano quando la forza d'attrito all'interno dei materiali è superata dalla
spinta dell'acqua all'interno dei meati del suolo; l'inizio dei canali della rete
idrografica per effetto dell'acqua che scorre sul suolo quando si supera un
certo valore forza per unità di superficie.
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15. I dati idrologici hanno andamenti complessi
Le dinamiche sono complesse
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16. I dati idrologici hanno andamenti complessi
Le dinamiche sono complesse
La dinamica include processi che sono linearmente instabili: per
esempio l'instabilità baroclinica che guida i processi meteorologici alle
latitudini medie.
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17. I dati idrologici hanno andamenti complessi
I processi sono dissipativi
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18. I dati idrologici hanno andamenti complessi
I processi sono dissipativi
Le dinamiche climatiche ed idrologiche sono dissipative ovvero
implicano il trasferimento di energia meccanica e la sua trasformazione
in energia termica. I processi idrodinamici turbolenti trasportano
energia dalle scale spaziali più grandi a quelle più piccole nelle quali
l'energia è dissipata per attrito. Fenomeni ondulatori di vario tipo (per
esempio onde di gravità) trasportano l'energia contenuta nell'aria e
nell'acqua.
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19. I dati idrologici hanno andamenti complessi
E dominati da eterogenetà
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20. I dati idrologici hanno andamenti complessi
E dominati da eterogenetà
I processi idrologici sono eterogenei. Ciò significa che i processi
stessi sono regolati da parametri che variano irregolarmente da punto
a punto. La conoscenza di tali parametri è pertanto possibile solo con
una certa incertezza.
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21. Alcuni Casi Tipici
La serie temporale delle precipitazioni
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22. Alcuni Casi Tipici
La radiazione solare incidente
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23. Alcuni Casi Tipici
Le portate 1923-2006 a Ponte San Lorenzo, Trento
Zolezzi et al, 2009
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24. Alcuni Casi Tipici
Ogni forma di rappresentazione
Mette in evidenza un aspetto diverso di un dato. Per esempio la sua
distribuzione
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25. Alcuni Casi Tipici
Portate 1923-2006 a Ponte San Lorenzo, Trento:
la ciclicità
Zolezzi et al, 2009
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26. Alcuni Casi Tipici
Cicli
L’analisi nello spazio non è l’unica possibilità. L’analisi (in questo caso con
wavelets) mette in evidenza le ciclicità di un fenomeno, e ne da una
interpretazione quantitativa
Zolezzi et al, 2009
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27. Cicli nelle precipitazioni
Burroughs, W., J., , 2003, Tabony R.C., 1979
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28. Cicli nella temperatura
Burroughs, W., J., , 2003, Tabony R.C., 1979
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Riccardo Rigon
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29. Alcuni Casi Tipici
L’aggregazione dei dati
Bilancio idrologico annuale dei bacini del Lago della Serraia. L’aggregazione dei dati
è effettuata sulla base delle esigenze prognostiche.
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30. Alcuni Casi Tipici
1D - 2D -3D
I dati hanno uno sviluppo spaziale: anch’esso con la sua complessità: qui
contenuto d’acqua del suolo nel bacino di Little Washita (Oklahoma)
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Riccardo Rigon
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31. Alcuni Casi Tipici
1D - 2D -3D
contenuto d’acqua del suolo nel bacino di Little Washita (Oklahoma)
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Riccardo Rigon
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32. Alcuni Casi Tipici
La distribuzione della permeabilità idraulica in un
acquifero
Roth, K. (2007). Soil Physics Lecture Notes (p. 1-340).
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33. La temperatura e contenuto d’acqua del suolo
in presenza di ghiaccio
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Riccardo Rigon
Roth, K. (2007). Soil Physics Lecture Notes (p. 1-340).
Alcuni Casi Tipici
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34. Alcuni Casi Tipici
La distribuzione spaziale delle
precipitazioni
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35. La distribuzione spaziale della neve
Grünewald et al., 2010
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Riccardo Rigon
Alcuni Casi Tipici
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36. Alcuni Casi Tipici
Variabili idrologiche misurate nei nodi del reticolo
idrografico
Lo spazio, qui è fornito sul reticolo idrografico.
Quindi il dato può essere organizzato
topologicamente
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37. Alcuni Casi Tipici
Sequenza caratteristica di una misura idrologica
Grandezza idrologica
es. precipitazione
Intensità del fenomeno,
Rilevamento
segnale osservabile
Su carta o su supporto
Registrazione
informatico
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Stefano Orlandini
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38. Alcuni Casi Tipici
Sequenza caratteristica di una misura idrologica
Ad un centro di
Trasmissione
acquisizione
Dai formati dello strumento
Conversione
alle grandezze
Eliminazione degli errori,
Controllo interpolazione dei dati
mancanti, etc
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Stefano Orlandini
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39. Alcuni Casi Tipici
Sequenza caratteristica di una misura idrologica
Su vari supporti, oggi su
Archiviazione
database
Recupero Dal database
Utente finale
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Stefano Orlandini
Monday, March 19, 12

40. Gli strumenti
non sempre funzionano
Zambrano-Bigiarini, M. (2010)
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Riccardo Rigon
Alcuni Casi Tipici
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41. Epilogo
La misura
delle variabili idrologiche è complessa e da risposte complesse.
•Ogni rappresentazione di tali risposte mette in evidenza degli elementi
particolare del processo.
•La rappresentazione dipende anche da che cosa si vule conoscere e si
ritiene importante
•I dati costano e devono venire archiviati in modo da essere fruiti
facilmente
•I dati sono essi stessi modelli della realtà e non possono essere creduti
con assoluta certezza
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Riccardo Rigon
Monday, March 19, 12

42. Grazie per l’attenzione
G.Ulrici - Uomo dope aver lavorato alle slides , 2000 ?
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Riccardo Rigon
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43. Bibliografia
Bibliografia e Approfondimenti
Agnoli, P., Il senso della misura, la codifica della realtà tra filosofia, scienza ed esistenza umana,
Armando Editore, 2004
Agnoli, P., Breve introduzione storica alle prime unità di misura, http://www.roma1.infn.it/~dagos/SSIS/
PaoloAgnoli_appuntimisure.pdf , 2006, last retrieved 2011/03/18
AA.VV, Le misure nella scienza, nella tecnica, nella società, Manuale di metrologia, a cura di S.
Sartori, Paravia, Torino,1979
AA. VV, Le misure di grandezze fisiche, a cura di E. Arri e S. Sartori, Paravia,
Torino,1984
Burroughs, W., J, Weather Cycles, Cambridge U. P., 2003
Grünewald, T., Schirmer, M., Mott, R., & Lehning, M. (2010). Spatial and temporal variability of snow depth
and ablation rates in a small mountain catchment. The Cryosphere, 4(2), 215-225. doi:10.5194/
tc-4-215-2010
Loreti, M., Teoria degli Errori e Fondamenti di Statistica: Introduzione alla Fisica Sperimentale, 2006,
http://wwwcdf.pd.infn.it/labo/INDEX.html, last retrieved 2011/03/18
Roth, K. (2007). Soil Physics Lecture Notes (p. 1-340), 2007, http://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/
forschung/groups/ts/soil_physics/students/lecture_notes05/sp.pdf, last retrieved 2011/03/18
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Riccardo Rigon
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44. Bibliografia
Shuttleworth, W. James (January/February 2008). "Evapotranspiration Measurement Methods". Southwest
Hydrology (Tucson, AZ) 7 (1): 22–23. Retrieved 2009-07-22.
Western, Andrew W. (2005). "Principles of Hydrological Measurements". In Anderson, Malcolm G..
Encyclopedia of Hydrological Sciences. 1. West Sussex, England: John Wiley & Sons Inc.. pp. 75–94
Tabony, R. C. (1979), A spectral filter analysis of long period records in England and Wales, Meterol. Mag.
108, 97-119
Zambrano-Bigiarini, M. (2010). On the effects of hydrological uncertainty in assessing the impacts of climate
change on water resources, 1-293.
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Riccardo Rigon
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45. Bibliografia
Risorse Web
http://en.wikipedia.org/wiki/Outline_of_hydrology, last retrieved 2011/03/18
http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_measurement, last retrieved 2011/03/18
http://www.paoloagnoli.it/immagini/Tesi%20Filosofia%20P.%20Agnoli.pdf, last retrieved 2011/03/18
http://www.metrum.org/measures/index.htm, last retrieved 2011/03/18
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Riccardo Rigon
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