Il meccanismo alla base della formazione delle precipitazioni è il raffreddamento di masse d’aria umida che sollevandosi si raffreddano. La precipitazione si origina quando il vapore acqueo nelle nubi condensa attorno a nuclei di aggregazione in goccioline d’acqua o sublima in cristalli di ghiaccio. Questi elementi vengono mantenuti in sospensione dalla turbolenza atmosferica finchè,  a causa dell’aumento delle loro dimensioni (0,1-3 mm), per coalescenza (un elemento più grande ne incorpora uno più piccolo), non prevalgono le forze gravitazionali che li fanno cadere. La formazione di elementi molto grandi richiede la presenza di forti correnti ascendenti che riportano più volte in alto le gocce in caduta, prolungandone il percorso e permettendone l’ingrandimento.
La tensione di vapore degli elementi in condensazione è inferiore alla P parziale di vapore dell’aria della nube, quindi il vapore presente si condensa sulla loro superficie.

Tipologie di precipitazione

Sulla base delle cause che hanno prodotto il sollevamento dell’aria possiamo distinguere fra precipitazioni di tipo:

Molto spesso tuttavia le precipitazioni risultano una combinazione fra i tre meccanismi.

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Precipitazioni convettive

Il sollevamento è principalmente dovuto all’instabilità idrostatica . Un forte riscaldamento del suolo fa si che l’aria vicina si dilati ed inizii un movimento ascendente (convezione) durante il quale si espande e si raffredda progressivamente. L’umidità relativa aumenta fino a saturazione. Ne derivano in genere piogge brevi ed intense che interessano aree piuttosto limitate e sono tipiche di un clima caldo.

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Precipitazioni cicloniche

In questa tipologia si assiste allo scontro di masse d’aria di caratteristiche differenti per un fenomeno di convergenza in un’area di bassa pressione.  Questo porta l’aria a muoversi verso l’alto (moti ascensionali). Il fronte caldo tende in genere a scorrere sopra il preesistente cuscino di aria fredda. Le precipitazioni che ne derivano sono piuttosto estese lungo fronti di perturbazioni e di modesta intensità, spesso a carattere nevoso. L’eventuale irruzione di un fronte freddo provoca un sollevamento repentino dell’aria calda che porta a piogge più circoscritte nello spazio ed intense, con fenomeni di tipo temporalesco.

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Precipitazioni orografiche

Si verificano quando una massa d’aria si trova a transitare nelle vicinanze di una catena montuosa. L’aria, incontrando questo sbarramento, tenderà a salire. Il risultato di questo fenomeno sono abbondanti precipitazioni.


Misura delle precipitazioni

La misura delle precipitazioni è di fondamentale importanza per la valutazione del bilancio idrico di bacino. La precipitazione rappresenta infatti la porzione principale della quantità di acqua entra nel sistema del bacino (QI)

QI  = PISI (portata totale in entrata)

PI (precipitazione)
SI (portata in entrata sotterranea)

Altezza di precipitazione (h)

Altezza della lama d’acqua che coprirebbe, in un determinato intervallo di tempo Δt, una superficie orizzontale, qualora tutta l’acqua caduta sulla superficie fosse trattenuta, così da formare uno strato di spessore uniforme.

Intensità di precipitazione

L’intensità di precipitazione è il rapporto tra h e la sua durata Δt.

Strumenti di misura

Gli strumenti utilizzati per la misura delle precipitazioni sono principalmente i pluviometri (o pluviografi).

Pluviometro

 

Antica stazione pluviometrica

Un pluviometro è in generale un recipiente cilindrico su cui è montato un imbuto che raccoglie l’acqua.

Esistono vari tipi di pluviometro (o pluviografo). I più utilizzati sono:

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Pluviografo manuale

E’ costituito da un apposito vaso cilindrico, solitamente in plastica, dotato di una scala graduata. L’altezza dell’acqua che riempie il vaso equivale alla pioggia caduta che si misura in millimetri. Si noti che con tale unità di misura l’ammontare della precipitazione risulta indipendente dalla superficie in cui la si misura, mentre sarebbe dipesa dalla superficie se fosse stata espressa in unità di volume cioè ad esempio millilitri.

Pluviometro manuale

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Pluviometro totalizzatore

In zone isolate, quando viene richiesta una lettura periodica con intervalli di diverse settimane o mesi, questo tipo di pluviometro è in grado di registrare i valori cumulati di precipitazione. Si tratta quindi di un pluviometro a grande capacità per diversi litri di acqua.

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Pluviografo a bascula

E’ costituito da un cilindro di materiale plastico protetto dai raggi UV con all’interno un sistema di raccolta basculante. L’imbuto di raccolta è costituito da una bocca tarata circolare di solito di circa 160mm di diametro.

Il gruppo di recipienti raccoglitori è tarato in modo che quando un contenitore ha ricevuto un peso equivalente all’altezza di 0,2 mm di precipitazione il sistema bascula causando la chiusura temporanea del sensore. Nella parte inferiore dell’imbuto di raccolta è collocato un filtro di protezione per impedire la caduta di corpi solidi all’interno dell’apparato di misura.

ll sensore è costituito da un collettore a forma di imbuto e da una bascula con coppia di recipienti raccoglitori tarati. La dimensione della bocca di campionamento e la geometria del collettore impedisce che la pioggia possa rimbalzare dalla parete interna all’esterno, secondo le raccomandazioni del WMO (World Meteorological Organization).
Ogni volta che uno dei raccoglitori viene riempito, lo strumento restituisce un segnale che viene registrato da un sistema automatico di acquisizione dati. Nel caso di precipitazioni solide (neve o grandine), lo strumento è in grado di valutare la quantità di acqua ottenuta dalla loro liquefazione. Alcuni pluviografi di questo tipo infatti sono dotati di un gruppo riscaldatore opportunamente dimensionato e tarato da consentire uno scioglimento rapido della precipitazione solida senza provocare sensibili evaporazioni del liquido.

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Pluviometro a capacità

E’ un rivelatore della precipitazione basato sul principio capacitivo. Il valore della capacità varia in funzione della superficie che viene bagnata dalle gocce d’acqua. Un riscaldatore integrato nel sensore lo mantiene asciutto, evaporando l’acqua caduta ed evitando false segnalazioni dovute a nebbia, rugiada o altri fenomeni di condensa. Il riscaldatore inoltre si attiva alle basse temperature, sciogliendo la neve caduta e permettendo allo strumento di rilevare le precipitazioni nevose. La calotta circolare esterna dello strumento protegge il sensore garantendo l’assenza di false registrazioni.

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Pluviografo a sifone

L’acqua proveniente dall’imbuto raccoglitore finisce in un recipiente nel quale è posto un galleggiante collegato ad una punta scrivente. Il recipiente si svuota automaticamente ed in un tempo brevissimo quando è pieno d’acqua.
La punta scrivente lascia la traccia su una carta avvolta su un tamburo tenuto in lenta rotazione. Lo strumento viene tarato in modo tale che il sifone svuoti il recipiente non appena la punta scrivente ha raggiunto il bordo superiore del foglio.

Pluviometro a sifone

Interpretazione delle misure

I pluviometri situati nelle varie stazioni di rilevamento raccolgono soltanto l’acqua caduta su una superficie molto ridotta. Per questo le misure possono essere soltanto puntuali.

Una delle principali causa di errore nella misura delle precipitazioni è dovuta all’azione del vento intorno alle stazioni di rilevazione. Con il vento forte infatti si creano dei vortici che deviano le traiettorie delle gocce di precipitazione.

I valori di sottostima (Hydrologic Center, Christchurch – 1988) sono riportati qui di seguito

Velocità del vento [Km/h]      0 10 20 30 40 60 80
Sottostima della misura [%]  0  8  21 32 41 47 50

Metodo della media delle precipitazioni

Nell’analisi dei risultati,  in prima approssimazione può essere effettuata una media matematica tra tutti i dati di ciascuna stazione di rilevamento. Il valore ottenuto sarà la media delle precipitazioni nell’area compresa da tutti i punti in cui sono situate le stazioni di rilevamento:

dove N rappresenta il numero totale delle stazioni e Pi ogni stazione di indice i, a partire da i = 1.

Questo sistema di calcolo è attendibile se le stazioni di rilevamento sono uniformemente distribuite e per eventi che si mantengono nella media.

Metodo dei poligoni di Thiessen ( o dei topoieti)

Questo metodo si basa sul presupposto che ogni punto nel bacino riceve la stessa precipitazione misurata nella stazione più vicina.
In questo modo l’altezza di precipitazione misurata in una stazione può essere estesa ad ogni punto compreso entro la metà della distanza da qualunque altra stazione, in ogni direzione.

Vengono disegnate sulla carta topografica (di solito 1:10.000) le linee che uniscono le stazioni adiacenti. Successivamente vengono tracciati i segmenti mediani perpendicolari alle linee disegnate prima. Estendendo le linee così create in entrambe le direzioni si creano le aree rappresentative (topoieti) con al centro una stazione di rilevamento . Si calcola così approssimativamente l’area coperta da ciascuna stazione.

Topoieti
Topoieti (in rosso le stazioni di rilevamento delle precipitazioni)

 

Infine si calcola la precipitazione media per tutta l’area utilizzando la formula seguente:

dove A rappresenta l’area totale, Ai l’area del singolo poligono (topoieto) con al centro la stazione di rilevamento e Pi la precipitazione rilevata in ogni stazione di indice i, a partire da i = 1. Con questo metodo sono importanti anche le stazioni esterne al bacino purché parte del topoieto si trovi all’interno di esso.

Metodo delle isoiete

Si costruiscono le isoiete, ossia linee curve chiuse che indicano aree interessate dalla stessa quantità di precipitazioni, mediante interpolazione lineare. Viene quindi calcolata l’area tra ogni coppia di isoiete adiacenti. Infine si calcola la precipitazione media mediante la seguente formula

Metodo della distanza pesata

In questo metodo viene considerata una distanza pesata rispetto al centroide di riferimento del bacino idrografico (CB) che viene calcolato automaticamente tramite software specifici o GIS. Viene poi preso in considerazione l’inverso al quadrato della distanza da CB e l’altezza media di precipitazione nel bacino viene calcolata come segue

ESEMPIO

PA = 0,56     PB  = 0,88  PC = 2,40  PD = 5,40  PE = 1,89
dA =  2,57    dB =  1,2    dC =  1,9   dD = 1,8    dE =  1,14

Ricostruzione di un dato pluviometrico mancante

Quando una o più stazione di rilevamento sono ad esempio malfunzionanti o comunque il dato non è disponibile, di effettua una semplice media pesata fra almeno 3 stazioni di rilevazione che racchiudono il dato mancante. Questa media rappresenterà il valore di P per quel punto privo di dati.

Precipitazione efficace o effettiva

Quando è importante stimare il deflusso diretto verso i corsi d’acqua è necessario calcolare la precipitazione efficace (Pe) o precipitazione netta (Pn) , ossia la quantità di precipitazione che non viene intercettata dalla vegetazione, non evapotraspira, nè si infiltra nel terreno, ma che defluisce superficialmente o subsuperficialmente lungo le linee di massima pendenza verso i corso d’acqua più prossimo. Nel computo della Pe è importante considerare anche la riserva d’acqua del suolo prima della precipitazione. Possiamo scrivere la seguente relazione

Pe = Ti + P – ETr – SC 

Ti (riserva iniziale del suolo prima della precipitazione)
ETr (evapotraspirazione reale)
SC (quantità di precipitazione persa per intercettazione e assorbimento diretto da parte delle piante)

Come prima approssimazione la Pe può essere calcolata come segue:

Pe = P – Etr

*** sezione in costruzione ***

 

 

 

 

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