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Giornate dell’Idrologia 2024 – Ricostruzione dei flussi atmosferici di vapore acqueo pertinenti alle aree agricole

by Elena De Petrillo

Elena De Petrillo1, Luca Monaco1, Nike Chiesa Turiano1, Marta Tuninetti1, Luca Ridolfi1, Francesco Laio1

1 Dipartimento per l’Ambiente, il Territorio e le Infrastrutture, Politecnico di Torino, Torino. E-mail: elena.depetrillo@polito.it  

Sommario

Introduzione

I moti di vapore acqueo nell’atmosfera svolgono un ruolo fondamentale nel ciclo idrologico collegando le aree di evapotraspirazione a quelle di precipitazione. Recenti modelli di tracciamento atmosferico offrono informazioni preziose consentendo di ricostruire le aree di origine del vapore che dà luogo alle precipitazioni e viceversa le aree dove precipiterà l’acqua evaporata da specifiche regioni [1]. Tuttavia, nonostante i crescenti miglioramenti nell’accuratezza dei modelli, sono spesso presenti discrepanze non trascurabili tra i valori di evaporazione e precipitazione modellati e i corrispondenti dati misurati.

Dati & Metodi

Per eliminare tali differenze e dare maggiore valore ai risultati dei modelli di tracciamento, proponiamo una procedura basata sul Iterative Proportional Fitting (IPF) [2]. Adottando tale approccio, riconciliamo i flussi di umidità atmosferica tracciati dal modello Lagrangiano UTrack [1] con i dati di rianalisi ERA5; assicuriamo, cioè, che il vapore acqueo atmosferico tracciato corrisponda sia all’evaporazione che l’ha originato sia alle precipitazioni che esso alimenta. La scala temporale considerata è quella annua (mediata nel periodo 2008-2017) mentre quella spaziale è l’intera superficie terrestre con risoluzione spaziale di 0.5° [1]. Si rimanda al lavoro "Reconciling tracked atmospheric water flows to close the global freshwater cycle" (De Petrillo, Elena, et al. (2024)) [3] per una descrizione dettagliata della procedura di pre-processing e post-processing sui dati di tracciamento atmosferico dal modello UTrack.

I tracciamenti così riconciliati costituiscono un nuovo insieme di informazioni che consente di esplorare i flussi di vapore atmosferico tra bacini di evaporazione e quelli di precipitazione, mettendo in luce le interdipendenze idrologiche tra le diverse regioni. Poniamo l’accento sullo studio delle regioni destinate alla produzione agricola, permettendo di comprendere da dove evapora l’acqua che precipita su tali regioni e su quali aree precipiterà l’acqua evaporata dalle zone agricole di interesse. Queste informazioni sono cruciali per valutare le richieste irrigue di coltivazioni e studiare gli effetti delle variazioni dei flussi di vapore atmosferico causati da cambiamenti di uso del suolo o circolazione atmosferica.

Risultati

Presentiamo qui degli esempi della procedura applicata a scala di cella (0.5°) sulla scala annuale [4]. Come esempio applicativo, riportiamo le aree di interesse agricolo in Italia (in termini di estensione di ettari coltivati) e presentiamo alcuni risultati dal modello waterCROP [5] affinato rispetto alla stima dei fabbisogni irrigui [6]. L’estensione e la configurazione geografica dei bacini di evaporazione e di precipitazione sulle aree di interesse, i tipi di coltivazione, la richiesta di irrigazione colturale e i diversi volumi di irrigazione effettivi sono informazioni che mettono in luce l’importanza di accoppiare dati di tracciamento atmosferico riconciliati con le precipitazioni e le evapotraspirazioni effettive, con i modelli agro-idrologici per la valutazione di interdipendenze tramite atmosfera legate alla produzione agricola e la sicurezza alimentare.

Distribuzione del bacino di evapotraspirazione per la precipitazione sui punti di interesse:

Distribuzione del bacino di precipitazione dall'evapotraspirazione relativa ai punti di interesse:

Esempi di informazioni agro-idrologiche utili per evidenziare interdipendenze idrologiche tramite atmosfera:

(i) Tipi di coltivazione (ii) Volumi richiesti di irrigazione (iii) Richiesta di irrigazione per le colture in mm [5]

Bibliografia

[1] Tuinenburg, O. A., Theeuwen, J. J., & Staal, A. (2020). High-resolution global atmospheric moisture connections from evaporation to precipitation. Earth System Science Data, 12(4), 3177-3188.

[2] Pukelsheim, F. (2014). Biproportional scaling of matrices and the iterative proportional fitting procedure. Annals of Operations Research, 215, 269-283

[3] De Petrillo, E., Fahrländer, S., Tuninetti, M., Andersen, L., Monaco, L., Ridolfi, L., & Laio, F. (2024). Reconciling tracked atmospheric water flows to close the global freshwater cycle.

[4] De Petrillo, E., Monaco L., Tuninetti M., Laio F. Cell-grid UTrack reconciled with ERA5 re-analysis. In preparation.

[5] Tuninetti, M., Tamea, S., D'Odorico, P., Laio, F., & Ridolfi, L. (2015). Global sensitivity of high‐resolution estimates of crop water footprint. Water Resources Research, 51(10), 8257-8272.

[6] Chiesa Turiano, N., Tuninetti, M., Laio, F., and Ridolfi, L.: WaterCROP, an agro-hydrological model as a decision-supporting tool for irrigation water management, EGU General Assembly 2024, Vienna, Austria, 14–19 Apr 2024, EGU24-11639, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu24-11639, 2024