Un recente studio firmato, tra gli altri, da ricercatori e ricercatrici dell’ambito Idrologia e Idraulica, descrive come dati satellitari innovativi, ad alta risoluzione, possono essere impiegati nei modelli idrologici per rappresentare il ciclo dell’acqua, e monitorare e prevedere gli eventi estremi. Il lavoro è frutto del progetto DTE Hydrology, oggi nella sua fase di continuazione ideale DTE Hydrology Evolution
Non tutte le aree del pianeta sono dotate di, o raggiungibili con, sensori a terra che ci permettano di osservare le dinamiche degli eventi che si verificano in situ, come le alluvioni. E, quando presenti, questi sensori forniscono informazioni puntuali, limitate nello spazio. Ecco perché la ricerca si sta sempre più concentrando su come i satelliti, con il loro ampio sguardo dall’alto, possono permettere di raccogliere diverse informazioni, di varia natura, sulle caratteristiche degli elementi presenti e gli eventi che si svolgono a terra. Ma come si integrano le informazioni satellitari con gli strumenti modellistici che usiamo per ricostruire, per esempio, il ciclo dell’acqua e per prevedere e monitorare gli eventi estremi come le alluvioni?
Uno studio recentemente apparso su Hydrology and Earth Systems Sciences, firmato da un gruppo internazionale che comprende ricercatori e ricercatrici del nostro ambito Idrologia e Idraulica, mostra come l’uso di dati satellitari innovativi, ad alta risoluzione, possano essere impiegati per la modellistica idrologica, e dunque per la ricostruzione del ciclo dell’acqua e degli eventi estremi. Il lavoro è frutto del progetto DTE Hydrology, finanziato dall’ESA e terminato a settembre dello scorso anno, che aveva proprio lo scopo di capire quale sia il potenziale dei satelliti in questo campo.
Simone Gabellani, referente dell’ambito Idrologia e Idraulica e autore dello studio, ci racconta del progetto e dei risultati riportati nell’articolo.
Dati ad alta risoluzione
«Il progetto DTE Hydrology s’inserisce in un filone di ricerca e sviluppo tecnologico dell’ESA che mira a mettere a punto un digital twin Earth (DTE, appunto), una sorta di modello interattivo in grado di riprodurre le dinamiche del pianeta integrando i dati satellitari con quelli provenienti da altre fonti, Big Data e intelligenza artificiale», spiega Gabellani. «Il percorso scientifico è suddiviso in diversi temi/settori, come ad il sistema antartico, quello oceanico, quello forestale… Come Fondazione CIMA, siamo stati coinvolti nelle attività riguardanti il settore idrologico: il nostro obiettivo era capire come gli strumenti satellitari ad alta risoluzione ci possono aiutare a descrivere il ciclo dell’acqua e prevedere alcuni eventi estremi correlati (alluvioni e siccità, ma anche frane), nonché per il monitoraggio e la gestione delle risorse idriche».
Le attività di ricerca, riportate nel nuovo studio, si sono quindi concentrate su dati innovativi che i satelliti ci possono fornire: grazie a nuovi sensori e algoritmi, questi strumenti permettono di osservare la Terra a una scala spaziale che non sarebbe stato possibile raggiungere solo pochi anni fa, stimando parametri quali l’evapotraspirazione (ossia l’acqua che evapora dal suolo e dalle piante) o la precipitazione a una risoluzione di un chilometro. Inoltre, grazie alla loro orbita continua intorno al pianeta, i satelliti forniscono informazioni diffuse, quindi su un territorio ampio, e non solo puntuali informazioni locali come fanno i sensori a terra.
Il caso di studio su bacino del Po
I dati su cui si sono concentrate le persone coinvolte nello studio comprendono, oltre all’evapotraspirazione, l’altezza del manto nevoso, la precipitazione e la portata del fiume. Il gruppo di ricerca ha usato, come caso di studio, il bacino del fiume Po: principale corso d’acqua italiano, è di grande importanza non solo per l’agricoltura e la zootecnia del Paese ma anche per la produzione di energia idroelettrica, perché lungo il suo corso si trovano le principali dighe italiane. Proprio a causa del suo ruolo rilevante a livello nazionale, il bacino del Po è attentamente monitorato con numerosi sensori al suolo, che hanno permesso il primo fondamentale passo per la validazione dei risultati della ricerca, consentendo di verificare i dati raccolti dai satelliti confrontandoli con quelli registrati a terra.
Una volta avuta conferma della validità dei dati satellitari, il gruppo di ricerca ha voluto verificare se, integrati nei modelli, consentissero effettivamente un’accurata ricostruzione delle dinamiche fluviali. «Alcuni dati, come quelli riguardanti le precipitazioni, possono essere usati come input nei modelli, cioè inseriti per consentire al modello di eseguire i calcoli. Altri, invece, non possono usati direttamente come input: sono quelli, come l’umidità del suolo, definiti “variabili di stato”, per i quali la letteratura scientifica ha già mostrato tali dati possano esser usati con algoritmi di data assimilation, una metodologia che permette d’integrare (o meglio assimilare) i dati nel modello correggendo lo stato modellato man mano che si eseguono i calcoli. In altre parole, questa tecnica permette di “correggere” i calcoli al variare delle informazioni, seguendo l’evoluzione del sistema nel tempo», spiega Gabellani.
Il gruppo di ricerca ha condotto diversi esperimenti, variando il tipo di dati forniti al modello idrologico – che, nel caso di questo studio, era rappresentato da Continuum, un modello fisico sviluppato da Fondazione CIMA – per capire se consentissero di riprodurre in modo efficace le portate effettivamente osservate nel Po. «I risultati mostrano come le precipitazioni siano la variabile che più influenza il risultato del modello. Questo non sorprende, perché è proprio l’acqua che arriva al suolo a determinare maggiormente la portata di un fiume. Le stime satellitari sulle precipitazioni sono tra quelle ancora spesso soggette a incertezza: tuttavia, dal nostro studio emerge comunque che anche questi dati consentono di ottenere risultati molto buoni», spiega ancora il ricercatore. «Di più, anche gli esperimenti condotti usando solo ed esclusivamente dati satellitari portano i risultati paragonabili con quelli ottenuti impiegando i sensori a terra».
Prossimi passi
Insomma, le informazioni che provengono dagli strumenti in orbita mostrano promettenti possibilità di poter essere impiegate nei modelli idrologici che usiamo per monitorare e prevedere eventi come piene, alluvioni e siccità. Continuare la ricerca in questo campo, raffinando sempre di più la qualità dei dati satellitari e del loro uso nella modellistica, è importante per gli studi, il monitoraggio e il supporto decisionale in aree difficilmente accessibili al suolo e con un’ampia estensione. La continua evoluzione degli strumenti satellitari, che spingono la loro risoluzione a una precisione sempre maggiore (in alcuni casi, anche di poche centinaia di metri), apre moltissime possibilità in questa prospettiva.
«Ora stiamo continuando il lavoro in questa direzioni, sia come partner della continuazione ideale di DTE Hydrology, il progetto DTE Hydrology Evolution, sia cercando di integrare sempre più informazioni nel modello», conclude Gabellani. «Questo comprende anche informazioni riguardanti, per esempio, l’uso della risorsa idrica per la produzione di energia idroelettrica e la rete d’irrigazione, così da avere una rappresentazione più vicina alla realtà dei movimenti effettivi dell’acqua – un compito che richiede di avvicinarci molto a chi vive e lavora sul territorio, per raccoglierne le conoscenze. E infine, stiamo lavorando anche sull’intelligenza artificiale, per capire come può aiutarci a ingerire i dati nei modelli numerici».