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Laguna di Venezia

Modellistica




a) Il contesto territoriale

b) I fenomeni di storm surge nel Nord Adriatico e la loro previsione

c) Il modello statistico

d) Il modello deterministico

e) Accuratezza dei modelli





Il contesto territoriale

Le aree di bassa pianura a ridosso del litorale Nord-Adriatico compreso tra la foce dell'Isonzo e le spiagge della Romagna, rappresentano il distretto italiano più esposto al rischio inondazione. Ciò a causa della concomitanza di vari fattori quali la presenza dei tronchi terminali dei grandi fiumi del Nord Italia (Po, Adige, Brenta, Piave, Livenza, Tagliamento, Isonzo), la presenza di diffusi fenomeni di subsidenza naturale ed antropica assai differenziati in un arco di circa 300 km, la ricorrenza dei fenomeni di storm surge tipici dell'Alto Adriatico, quasi sempre accompagnati da violente mareggiate. Nasce quindi la necessità di disporre di strumenti utili allo studio e soprattutto alla previsione dei fenomeni meteo-marini che interessano le aree costiere. In questo ambito la modellistica svolge un ruolo fondamentale.

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I fenomeni di storm surge nel Nord Adriatico e la loro previsione

Il litorale e le lagune nord adriatiche sono spesso sede di temporanei e persistenti innalzamenti del livello del mare che, in taluni casi, possono andare ben oltre le ordinarie condizioni di alta marea marea dando luogo ad allagamenti dei centri abitati lagunari e costieri ed aggravando il rischio di erosione dei litorali in concomitanza con le mareggiate più intense. Tali fenomeni sono associati a particolari condizioni meteorologiche caratterizzate dal passaggio di estesi campi di bassa pressione di origine nord Atlantica al di sotto dell'arco alpino, e dall'instaurarsi di intensi venti sud orientali (Scirocco) su tutto l'Adriatico. Il valore di tali temporanei rialzi del livello del mare dipende dall'entità delle forzanti meteorologiche, quali la rapidità con cui si abbassa la pressione atmosferica nell'Alto Adriatico, l'evoluzione del gradiente barico tra il nord e il sud dello stesso Adriatico, l'intensità e la durata del vento di Scirocco. L'analisi di tali fenomeni viene di norma condotta decomponendo la marea reale in due contributi, quello di natura astronomica (tide) e quello di natura meteorologica (sovralzo o residual) (per approfondimenti, vedere la sezione la Marea). Al cessare dell'effetto delle forzanti, la marea meteorologica lascia il posto ad una componente periodica smorzata, associabile al fenomeno della sessa che oscilla tra lo stretto di Otranto e il Golfo di Venezia con periodicità di circa 22 ore e con una ampiezza che nel giro di pochi giorni si riduce progressivamente fino ad annullarsi per l'effetto di azioni dissipative.

In termini di previsione, l'individuazione del contributo astronomico non risulta difficile perché le cause che lo determinano, si producono con periodicità costante. Sono largamente sperimentate le metodologie per individuare le varie componenti della marea astronomica di un sito a partire dalle serie di osservazioni vicine al luogo d'interesse. Nel caso dell'Alto Adriatico l'individuazione del contributo astronomico può ritenersi sufficientemente preciso limitando l'analisi alle sole prime sette componenti: M2, S2, N2, K2 con periodicità semidiurna e K1, O1, P1 con periodicità diurna.

Ben più complesso è invece prevedere il contributo meteo perché assai mutevoli sono le cause che lo determinano.
Al fine di assistere gli organi istituzionalmente preposti a fronteggiare gli effetti indesiderati associati a tali fenomeni, (allagamenti della città di Venezia e degli abitati presenti nelle lagune, accessibilità dei porti, rischio di esondazione dovuto al rigurgito alle foci fluviali, navigazione nei rii di Venezia, ecc.) nel corso degli ultimi trent'anni sono stati sperimentati sistemi di previsione del contributo meteorologico, basati essenzialmente su due distinte metodologie.

Una prima metodologia è quella che viene definita approccio statistico ove il sovralzo calcolato ad un istante t, successivo all'istante t0 della previsione, viene stimato attraverso algoritmi di calcolo che non descrivono esplicitamente il processo fisico che genera il fenomeno. In questo caso infatti, si limita la ricerca alla più soddisfacente forma di correlazione, per esempio attraverso una semplice regressione lineare, tra il sovralzo ed alcuni fattori, cosiddetti predittivi che, nel caso del Nord Adriatico, possono essere rappresentati da:

  • la serie oraria dei valori dello stesso sovralzo osservato nella località di interesse nelle 24 ore che precedono la previsione;
  • i valori orari dei parametri meteorologici, quali la pressione e il vento, osservati nelle precedenti 24 ore in alcune località opportunamente selezionate;
  • i valori di pressione atmosferica e di vento puntuali deducibili presso le medesime località dai campi di previsione meteo giornalmente elaborati da modelli meteorologici sia a scala globale (forniti dal centro europeo ECMWF) sia ad area limitata (BOLAM, forniti dal Dipartimento Tutela Acque Interne e Marine dell'ISPRA).

 

La seconda metodologia é quella dell'approccio deterministico che si basa sulla soluzione numerica delle equazioni della fluidodinamica che descrivono le oscillazioni della superficie del mare sotto l'effetto delle forzanti meteo. Il sistema di previsione utilizza un modello idrodinamico bidimensionale (SHYFEM) che calcola su tutto il bacino del Mediterraneo l'elevazione del livello di marea dovuta alla componente meteo, rappresentata dai campi di pressione e di vento elaborati da differenti modelli meteorologici (ECMWF e BOLAM).

Il valore di marea previsto è ottenuto sommando la componente astronomica ai valori del sovralzo calcolati dai diversi modelli.

I sistemi che fanno capo a queste due differenti metodologie non sono in antitesi fra loro. Si è infatti osservato che quelli basati sull'approccio statistico evidenziano la migliore affidabilità su previsioni a breve-medio termine (12-48 ore), mentre i sistemi basati sull'approccio deterministico offrono migliori indicazioni di tendenza su previsioni a medio lungo termine (3-5 giorni).

 

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Il modello statistico ISPRA_STAT2008

A partire dal 2008, il Servizio Laguna di Venezia (oggi Area Maree e Lagune) di ISPRA ha messo a punto un sistema di previsione del sovralzo basato sull'approccio statistico (ISPRA_STAT2008) che mira a sfruttare le potenzialità del sistema italiano di rilevamento in tempo reale dei parametri meteo marini rappresentato della Rete Mareografica della Laguna di Venezia e dell'Alto Adriatico (RMLV, Fig. 1) e dalla Rete Mareografica Nazionale (RMN, fig.2). La procedura previsionale è stata implementata per 7 località del Nord Adriatico ove sono presenti stazioni mareografiche in tempo reale che fanno capo alla RMLV. Nella fattispecie si tratta di stazioni situate nella Laguna di Marano-Grado (Grado), nella Laguna di Caleri (Porto Caleri), nella Laguna di Venezia, in corrispondenza dei principali centri abitati (Punta Salute, Burano e Chioggia), nella bocca di porto di Lido (Lido Diga Sud) e a 8 miglia al largo dalla costa veneziana (Piattaforma Oceanografica CNR).

Il sistema adotta i seguenti fattori predittivi:
  • i valori orari del sovralzo osservato nella località di interesse nelle 24 ore che precedono la previsione;
  • i valori orari di pressione atmosferica misurata presso le stazioni ISPRA della Rete Mareografica Nazionale (RMN) di Genova (GE), Porto Torres (PT), Bari (BA) e Lido Diga Sud (VE) (fig.2);
  • i valori orari dell'intensità del vento, selezionato sui settori di Scirocco e di Bora, misurata presso la stazione della RMLV posizionata sulla Piattaforma Oceanografica del CNR ubicata a circa 8 miglia al largo della Laguna di Venezia;
  • i valori esaorari di pressione atmosferica dedotti dai campi di previsione ECMWF per le predette località della RMN;
  • i valori esaorari di intensità di vento, selezionati sui settori di Scirocco e di Bora, dedotti dai campi di previsione ECMWF in prossimità della Piattaforma Oceanografica CNR.



Fig. 1 - Stazioni della Rete Mareografica della Laguna di Venezia e dell'Alto Adriatico (RMLV): Grado (GR), Burano (BU), Lido Diga Sud (DS), Venezia-Punta della Salute (PS), Chioggia Vigo (CH), Porto Caleri (PC), Piattaforma Oceanografica CNR (PT). (Fonte: elaborazioni ISPRA su immagine GoogleEarth).


Fig. 2 - Stazioni della Rete Mareografica Nazionale (RMN): Trieste (TS), Lido Diga Sud (VE), Ravenna (RA), Ancona (AN), S. Benedetto del Tronto (SB), Ortona (OR), Vieste (VS), Bari (BA), Otranto (OT), Porto Torres (PT), Genova (GE). (Fonte: elaborazioni ISPRA su immagine GoogleEarth)

I test di affidabilità eseguiti sulle previsioni fornite da ISPRA-STAT2008 per le predette 6 località nel corso del primo anno di esercizio del sistema, evidenziano risultati più che soddisfacenti.
In particolare gli indicatori dell'accuratezza della previsione si discostano molto poco da quelli stimati nella fase di calibrazione del modello. Ad esempio, nella previsione a 48 ore a Punta della Salute, la deviazione standard sugli errori é stata valutata in 7 cm nella fase di calibrazione, ed è risultata pari a 8 cm, in fase operativa.
L'accuratezza della previsione degrada leggermente nel caso di eventi di acqua alta (isolando gli eventi superiori ad 80 cm, la deviazione standard cresce fino a 12 cm), per i quali il modello evidenzia, in generale, una tendenza alla sottostima del livello massimo. Anche in questo caso, peraltro, il risultato della fase operativa si discosta poco dalle stime della fase di calibrazione.
I risultati così ottenuti sono nel complesso incoraggianti tanto da rendere utile ed opportuna la divulgazione, tramite questo portale, delle previsioni della marea reale a 3 giorni generate dal modello per le stazioni di Venezia-Punta Salute, Burano, Chioggia Vigo, Grado, Porto Caleri e Piattaforma Oceanografica CNR (Fig. 1). Le previsioni vengono aggiornate automaticamente ogni sei ore e sono espresse in ora solare locale. I livelli della marea reale sono riferiti allo Zero Mareografico di Punta della Salute.
I risultati relativi ai primi test di affidabilità del modello ISPRA_STAT2008 sono stati illustrati nell'ambito del II Convegno Nazionale di Oceanografia Operativa tenutosi a Cesenatico il 27-28 maggio 2010 e la relativa presentazione è disponibile nella sezione Ricerche.

È in fase di sperimentazione l’utilizzo dei campi di previsione giornalmente elaborati con la versione aggiornata del modello ad area limitata BOLAM  in esercizio presso il Dipartimento Tutela Acque Interne e Marine dell'ISPRA.

Una prima valutazione delle performances del modello statistico forzato dai differenti campi meteo è stata condotta per il periodo luglio-ottobre 2012. E’ stato definito un protocollo standard per il calcolo degli indicatori per valutare l’affidabilità delle previsioni a 24 e 48 ore di anticipo e confrontare gli errori delle due versioni del modello. L’analisi è stata condotta sia su base mensile, sia in occasione di eventi di marea eccezionale .

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Il modello deterministico SHYFEM

A partire dal 2012, il Servizio Laguna di Venezia (oggi Area Maree e Lagune) di ISPRA, con la collaborazione dell'istituto ISMAR-CNR di Venezia, ha messo a punto un sistema di previsione di marea basato sull'applicazione del modello idrodinamico bidimensionale SHYFEM che calcola su tutto il bacino del Mediterraneo il valore del sovralzo dovuto alle forzanti meteorologiche, rappresentate dai campi di vento e pressione atmosferica forniti sia da un modello a scala globale (ECMWF) sia da un modello ad area limitata (BOLAM), quest’ultimo sviluppato presso il Dipartimento Tutela Acque Interne e Marine dell'ISPRA.
Il modello idrodinamico, creato e sviluppato presso ISMAR di Venezia, utilizza una griglia agli elementi finiti, di forma triangolare e di dimensioni variabili, particolarmente adatta a risolvere ambienti complessi dal punto di vista morfologico e batimetrico, quali ad esempio la Laguna di Venezia. La flessibilità nel variare la dimensione degli elementi permette di adottare differenti gradi di risoluzione spaziale in relazione alle aree di interesse, ad esempio le zone costiere in Adriatico presentano elementi di dimensioni di circa 2 km, mentre in Mediterraneo le dimensioni crescono fino a 40 km. Per la Laguna di Venezia è stata inoltre creata un’altra griglia agli elementi finiti a risoluzione ancora maggiore: le distanze tra i nodi rientrano nell’ordine dei 100 m (Fig. 3).


Fig. 3 - Griglie agli elementi finiti del Mar Mediterraneo e della Laguna di Venezia utilizzate dal modello SHYFEM per la previsione del sovralzo.

La procedura previsionale è stata implementata per 9 località italiane del Mare Adriatico ove sono presenti stazioni mareografiche che fanno capo alla Rete Mareografica Nazionale (RMN). Nella fattispecie si tratta delle stazioni di Trieste, Lido Diga Sud (Venezia), Ravenna, Ancona, S. Benedetto del Tronto, Ortona, Vieste, Bari e Otranto (Fig. 2).
Inoltre la previsione viene effettuata anche su 6 località già operative con il modello statistico: Grado, Porto Caleri, Venezia-Punta della Salute, Burano, Chioggia Vigo e Piattaforma Oceanografica CNR (Fig. 1).
Le forzanti utilizzate dal modello sono i campi di previsione di pressione atmosferica e di vento opportunamente interpolati sulla griglia di calcolo. La risoluzione temporale delle forzanti fornite dal modello globale (ECMWF) è esaoraria e copre un intervallo di 96 ore, orizzonte temporale su cui si calcola la previsione del livello. I campi meteo prodotti dal modello ad area limitata (BOLAM), hanno una risoluzione temporale di un'ora e coprono un intervallo di 84 ore. Differenti sono anche le risoluzioni spaziali: 0.5° (55 km circa) per i dati dell'ECMWF e 0.1° (11 km circa) per i dati del BOLAM.
L'affidabilità del modello viene ottimizzata attraverso il confronto tra i risultati del modello e il sovralzo dedotto tramite le osservazioni mareografiche disponibili negli stessi siti.
L'innovazione più rilevante del sistema operativo è stata lo sviluppo e applicazione, dall'autunno 2012, di un sistema di assimilazione dati basato sulla tecnica 4D-PSAS. Questa tecnica consiste in una procedura iterativa che, utilizzando i livelli misurati nelle 24 ore precedenti, calcola lo stato di analisi ottimale da cui far iniziare la simulazione del periodo di forecast. I livelli misurati assumono dunque un ruolo fondamentale, entrando attivamente nel calcolo della previsione e migliorandone sensibilmente la qualità. Il modello ora operativo rappresenta il primo esempio di applicazione di un sistema di assimilazione dati per la previsione di marea in laguna e sul litorale veneziano.
I risultati ottenuti fino ad ora sembrano essere soddisfacenti; si riporta nelle figure seguenti un esempio di previsione calcolata con e senza assimilazione dati, sia con campi meteo ECMWF (Fig. 4) che con campi meteo BOLAM (Fig. 5). Si osserva che l’applicazione della assimilazione dati migliora i valori previsti sul lungo termine, in particolar modo dopo le prime 24 ore.

Si prevede di valutare l’affidabilità del modello deterministico utilizzando gli stessi indicatori applicati alle previsioni del modello statistico.


Fig. 4 - Previsione del 2 Novembre 2012 a Punta della Salute: modello forzato con campi meteo ECMWF senza assimilazione dati (in alto) e con assimilazione dati (in basso).



Fig. 5 - Previsione del 2 Novembre 2012 a Punta della Salute: modello forzato con campi meteo BOLAM senza assimilazione dati (in alto) e con assimilazione dati (in basso).



Accuratezza dei modelli

Sono attualmente operativi presso l'Area Maree e Lagune di ISPRA diversi modelli numerici per la previsione della marea a Venezia. Due di questi sono basati su metodi statistici: il primo, operativo dal 2008, utilizza come campi meteo di previsione quelli forniti dal centro ECMWF; il secondo, operativo dal 2012, utilizza i campi meteo di previsione del modello ad area limitata BOLAM (per maggiori dettagli cfr. Il modello statistico).

Modelli deterministici

Dal 2012 è stato reso operativo per la previsione della marea reale il modello deterministico SHYFEM sviluppato presso ISMAR-CNR di Venezia. Il modello è stato adattato per introdurre l’assimilazione dati tramite il metodo 4D-PSAS ed è applicato sia ad una griglia a bassa risoluzione (formata da 13180 elementi) che ad una griglia ad elevata risoluzione (formata da 50409 elementi). Come per i due modelli statistici le forzanti meteo sono i campi ECMWF e BOLAM.

Dalla combinazione di queste differenti caratteristiche sono state rese operative quattro differenti versioni del modello deterministico, ognuna con e senza assimilazione dati. Le versioni sono le seguenti:
• versione 04: griglia a bassa risoluzione e forzanti meteo ECMWF;
• versione 05: griglia ad alta risoluzione e forzanti meteo ECMWF;
• versione 06: griglia a bassa risoluzione e forzanti meteo BOLAM;
• versione 07: griglia ad alta risoluzione e forzanti meteo BOLAM.

Per valutare l'accuratezza delle previsioni calcolate dal modello deterministico, sono stati utilizzati i risultati prodotti dal 1 ottobre 2012 al 1 ottobre 2013; la valutazione delle previsioni calcolate con i modelli statistici è stata invece effettuata per il periodo che va dal 18/3/2012 al 30/6/2013.

L’analisi è stata condotta calcolando alcuni parametri statistici idonei alla valutazione degli errori, dove per errore si intende la differenza tra livello previsto e misurato:

ε = Zpre-Zmis

Gli indicatori calcolati sono:

  • εm: errore medio;
  • Err max: errore massimo calcolato come sovrastima (valore positivo);
  • Err min: errore massimo calcolato come sottostima (valore negativo);
  • σ: deviazione standard o scarto quadratico medio degli errori;
  • IA: indice di accuratezza definito dalla seguente relazione:

 IA = εm= ± 2σ

I due modelli statistici calcolano la previsione ogni 3 ore, mentre i deterministici ogni 24 ore.
Gli indicatori statistici sono stati calcolati per i diversi set di dati, ottenuti dalle 10 previsioni prodotte quotidianamente in fase di operatività, e per differenti anticipi di previsione.
La tabella seguente riporta i valori dell’indice di accuratezza a Punta della Salute per tutte le versioni del modello deterministico. I valori sono stati calcolati raggruppando gli estremali massimi per classi di altezza e per classi di anticipo: 24 ore rappresenta la previsione effettuata il giorno stesso rispetto ai dati rilevati; le classi 48, 72 e 96 significano rispettivamente anticipi di previsione di 1, 2 e 3 giorni (i modelli 6 e 7 forzati BOLAM hanno un orizzonte temporale di sole 72 ore). I valori sono espressi in cm.

 Tabella IA

Si riporta inoltre una tabella relativa alla stazione di Punta Salute in cui compaiono errore medio, deviazione standard, massima sovrastima e massima sottostima, calcolati a differenti anticipi di previsione utilizzando il dataset completo (un anno) per la versione 5 del modello con e senza assimilazione dati.

Tabella modelli 5std 5ass

 

Modelli statistici

La tabella seguente riporta i valori dell’indice di accuratezza a Punta della Salute per i due modelli statistici: STAT-1: modello forzato da campi di previsione ECMWF; STAT-2: modello forzato da campi di previsione BOLAM. I valori dell’indice (in cm) sono stati calcolati raggruppando gli eventi per classi di altezza.

Tabella modelli statistici

Nella tabella successiva sono riportati, in cm, i valori di errore medio, deviazione standard ed errori massimi in sovrastima e sottostima a differenti anticipi di previsione per i due modelli statistici.

Modelli statistici per anticipo di previsione