La simulazione del modello proposto è avvenuta all’interno di un ambiente ad alte prestazioni appositamente sviluppato per la simulazione di Automi Cellulari denominato CAMELOT (Dattilo & Spezzano, 2003). In CAMELOT ogni funzione di transizione generalmente usa la stessa regola locale, ma è possibile definire alcune celle con differenti funzioni di transizione (Automi Cellulari eterogenei). Diversamente dagli approcci cellulari che fanno riferimento al modello di base, in cui lo stato di ogni cella è definito come un singolo bit o un insieme di bit, lo stato di una cella è definito come un insieme di sottostati. Questo permette di estendere il range delle applicazioni che possono essere simulate attraverso algoritmi cellulari. È stato introdotto un vicinato logico che può rappresentare un ampio range di differenti vicinati all’interno dello stesso raggio e che può essere dipendente dal tempo.
Tra le componenti dell’ambiente di simulazione CAMELOT vi sono procedure di load
balancing basate sulla tecnica di decomposizione di tipo scatter che consente di distribuire in maniera bilanciata la computazione fra i processori di una macchina parallela. Tutte le comunicazioni sono eseguite tramite la libreria Message Passing
Interface (MPI) standard che consente a CAMELOT di essere eseguito attraverso diverse piattaforme hardware. Più specificatamente, l’ambiente utilizzato è in grado di determinare per un assegnato sistema di AC il numero ottimo di nodi nella macchina parallela che rende minimo l’overhead dovuto alle comunicazioni remote tra i singoli processori. Tale processo, che identifica la “scalabiltà computazionale” del sistema di AC, diventa sempre più efficiente quanto maggiore è la dimensione del problema da analizzare. Pertanto, il passaggio dalla micro alla meso-scala avviene senza alterare le regole locali dell’AC e, nel contempo, l’efficienza computazionale è migliorata dall’ambiente di lavoro.
Infine, il linguaggio di programmazione ad alto livello utilizzato per la scrittura degli algoritmi cellulari, denominato CARPET (Spezzano & Talia, 1998), oltre a garantire la possibilità di usare procedure di steering, che sovrintendono ad operazioni di tipo globale e non applicate alle singole celle, permette anche di utilizzare l’AC come un sistema quantizzato (Zeigler, 1998), al fine di ridurre lo state update transmission, cioè il tempo dedicato dal processore a trasmettere le informazioni relative agli stati delle singole celle tra tutti gli elementi dell’AC.
Capitolo 6
Il sito sperimentale per il monitoraggio delle
componenti del bilancio energetico, idrologico e
di crescita della vegetazione
6.1 Area di studio e strumenti di misura
I modelli descritti nelle precedenti sezioni sono stati testati mediante le misure acquisite da una stazione completa “eddy – covariance” gestita dal Dipartimento di Difesa del Suolo dell’Università della Calabria. La stazione è stata ubicata in due siti con caratteristiche pedologiche e climatiche differenti (Sibari e Paglialonga); in particolare è stata installata nell’aprile del 2004 nel primo sito (Sibari) dove ha funzionato fino a marzo 2006, successivamente è stata spostata nel secondo sito (Paglialonga) dove continua a funzionare dall’aprile 2006.
Nel primo sito (Sibari) la stazione era ubicata al centro di un campo di forma rettangolare di dimensioni pari a circa 250×150 m2 e distante dal mare 4 km, generalmente coltivato ad ortaggi di vario tipo e grano, ma a riposo per lunghi periodi di tempo nel corso del periodo di effettuazione delle misure, per cui l’area poteva essere considerata come caratterizzata da scarsa vegetazione. La caratterizzazione pedologica ha condotto alla definizione di un suolo argilloso- limoso. Dal punto di vista bio-climatico la Piana di Sibari è caratterizzata da un clima da sub-umido a semiarido (Iovino, 2003). La stazione meteorologica di Villapiana gestita dal Centro Funzionale Meteo - Idrologico Regionale (CFS-MIDMAR) in prossimità della stazione eddy, indica valori medi annui di temperatura pari a 21.5 °C e di pioggia pari a circa 500 mm.
Attualmente la stazione si trova in località Paglialonga (fig. 6.1) al centro di un campo di circa 60 ha, generalmente coltivato da erba medica e grano. La caratterizzazione pedologica ha condotto alla definizione di un suolo limoso. Il clima è tipicamente mediterraneo, caratterizzato da lunghi periodi di siccità durante l’estate con temperature molto elevate e da inverni piovosi. Le stazioni meteorologiche di Torano Scalo e Mongrassano, in prossimità della stazione eddy, gestite dal Centro Funzionale MeteoIdrologico Regionale, indicano i valori medi annui di temperatura di 21.2 °C e di pioggia pari a circa 850 mm.
I modelli sviluppati nel presente lavoro di tesi sono stati testati esclusivamente sui dati acquisiti nel sito di Paglialonga nel periodo compreso tra il 2006 ed il 2009, poiché il primo sito era caratterizzato dall’assenza di vegetazione e quindi non particolarmente adatto agli obiettivi dei modelli sviluppati.
Figura 6.1. Localizzazione geografica della stazione eddy covariance.
La stazione di misura è composta da più sensori, alcuni per la misura dei flussi eddy covariance, altri di supporto per la misura delle altre componenti del bilancio energetico e di grandezze utili per la definizione del bilancio idrologico.
Nello specifico, per quanto riguarda i flussi eddy:
¾ la misura delle fluttuazioni della velocità del vento e della temperatura sonica è ottenuta attraverso un anemometro sonico CSAT-3 (Campbell Scientific, Logan, Utah – USA);
¾ la misura delle fluttuazioni del vapore acqueo e dell’anidride carbonica è ottenuta tramite un analizzatore CO2/H2O ad infrarossi a circuito aperto (IRGA) Li-7500 (LiCor, Lincoln, Nebraska – USA);
¾ le fluttuazioni di temperatura sono misurate anche tramite una termocoppia a filo sottile FW05 (Campbell Sci.).
¾ I flussi di calore latente e sensibile sono ottenuti tramite la stima della covarianza statistica delle componenti turbolente acquisite ad alta frequenza (20 Hz), e mediati su periodi variabili da 5 a 60 minuti tramite un data-logger CR5000 (Campbell Sci.).
Il datalogger è programmato anche per la raccolta e l’elaborazione statistica dei dati micrometeorologici misurati a bassa frequenza (1 Hz). In particolare, sono acquisite anche le seguenti grandezze:
¾ radiazione solare, con un radiometro netto CNR1 (Kipp&Zonen, Delft, Paesi Bassi), composto da due pireliometri e due pirgeometri;
¾ temperatura superficiale del suolo, con due sensori di temperatura ad infrarosso IRTS-P (Apogee Instruments Inc., Logan, Utah – USA);
¾ flusso di calore al suolo, con tre piastre di flusso termico autocalibranti HFP01SC (Hukseflux, Delft, Paesi Bassi) poste a tre profondità diverse (circa 2, 5 e 8 cm);
¾ temperatura del suolo, a profondità variabile in corrispondenza delle piastre tramite tre coppie di sensori di temperatura interrabili CS107 (Campbell Sci.); ¾ contenuto idrico del suolo a 0.10, 0.20, 0.30 e 0.50 m, misurato in continuo in prossimità della stazione eddy covariance da un sensore di umidità Easy AG50 (Sentek Sensor Technologies, Stepney, Australia).
Inoltre la stazione è stata ulteriormente completata mediante: ¾ un pluviometro ARG100 a vaschette oscillanti;
¾ un sensore Vaisala di temperatura e umidità relativa HMP45C;
¾ un Datalogger CR200 per l’acquisizione dei dati registrati dal pluviometro e dal sensore di temperatura e umidità dell’aria;
¾ un ceptometro portatile AccuPAR LP-80 (Decagon), per la misura in situ del leaf area index (LAI);
Figura 6.2. La stazione eddy covariance di Paglialonga.
Il sistema di alimentazione consiste in 2 pannelli solari da 100 W con regolatori di ricarica della batteria e da due batterie stazionarie a elettrodo tubolare 105 Ah/12V collegate in parallelo, e consente una completa autonomia energetica della stazione per quasi tutto l’arco dell’anno.
L’acquisizione dei dati misurati dalla stazione eddy covariance è ottenuta tramite la programmazione di un codice personalizzato e memorizzato all’interno del data- logger, scritto in linguaggio CR-Basic, che consente non solo di acquisire i dati grezzi, ma anche dati mediati su diversi intervalli temporali o anche combinazioni di singoli dati (ad esempio le covarianze).
Di seguito sono descritte le principali caratteristiche dei singoli componenti della stazione eddy covariance.