Mappare la temperatura dell’aria in città: sensori, percorsi e correzioni

Che cosa si vuole realmente mappare

Prima di scegliere sensori, veicolo o software occorre definire la grandezza da rappresentare.

La temperatura dell’aria non coincide con:

• la temperatura dell’asfalto;
• la temperatura di un tetto;
• la temperatura di una parete;
• la temperatura interna di un’automobile;
• la temperatura raggiunta dal contenitore del sensore;
• la temperatura percepita da una persona.

Un sensore meteorologico misura il proprio stato termico. Il valore può rappresentare correttamente l’aria soltanto quando gli scambi con radiazione solare, pioggia, superfici vicine e sorgenti artificiali vengono ridotti abbastanza da lasciare prevalere lo scambio con l’aria circostante.

L’articolo riguarda quindi esclusivamente la temperatura dell’aria nello strato urbano vicino alle persone, non la temperatura radiativa delle superfici.

Perché usare un sistema mobile

Una stazione fissa offre il vantaggio della continuità. Può registrare giorno e notte per mesi o anni, mostrando l’evoluzione meteorologica e climatica del proprio sito.

Il limite è spaziale: ogni stazione descrive soprattutto l’ambiente nel quale si trova. Una rete poco densa può non rilevare differenze tra:

• una strada stretta e un grande viale;
• un parcheggio e un parco;
• un quartiere compatto e una zona di villette;
• un’area industriale e una fascia agricola;
• una piazza esposta e un cortile ombreggiato.

Un transetto mobile attraversa invece molti ambienti con un unico sistema di misura. La densità spaziale può diventare molto elevata, permettendo di riconoscere variazioni termiche che una rete tradizionale lascerebbe tra una stazione e l’altra.

La misura mobile non sostituisce però quella fissa. I due metodi rispondono a esigenze complementari: le stazioni descrivono bene l’evoluzione nel tempo, mentre i transetti mostrano con maggiore dettaglio le differenze nello spazio.

Il problema fondamentale: spazio e tempo si mescolano

Una carta urbana sembra rappresentare differenze tra luoghi, ma un sistema mobile non misura tutti i luoghi nello stesso istante.

Supponiamo che il percorso inizi nel centro cittadino alle 21:00 e raggiunga la periferia alle 22:00. Se nel frattempo l’intera area si raffredda, il centro viene misurato durante una fase più calda e la periferia durante una fase più fresca.

La differenza osservata contiene quindi due componenti:

• la differenza spaziale reale tra centro e periferia;
• la variazione temporale avvenuta durante il percorso.

Senza una correzione, il normale raffreddamento serale può essere interpretato come una forte isola di calore. Durante una mattinata in rapido riscaldamento può accadere il contrario: i luoghi misurati più tardi possono sembrare più caldi soltanto perché il Sole ha continuato a scaldare l’atmosfera.

Le osservazioni mobili devono perciò essere ricondotte a un orario comune.

La stazione fissa di riferimento

Durante l’intero percorso una stazione fissa deve registrare la temperatura con intervalli sufficientemente brevi.

Il sito di riferimento non deve necessariamente trovarsi nel punto più freddo o fuori dalla città. La sua funzione principale è descrivere l’andamento temporale generale durante il rilievo:

• raffreddamento serale;
• riscaldamento mattutino;
• passaggio di nubi;
• variazioni prodotte dal vento;
• arrivo di aria differente;
• cambiamenti improvvisi delle condizioni meteorologiche.

Una correzione semplice può essere espressa così:

temperatura corretta = temperatura mobile − variazione registrata dalla stazione fissa rispetto all’orario scelto

Se si decide di riportare tutti i dati alle 21:30, per ogni punto si confronta la temperatura della stazione fissa nell’istante della misura con quella registrata alle 21:30.

Esempio:

• misura mobile alle 22:00: 25,0 °C;
• stazione fissa alle 22:00: 23,5 °C;
• stazione fissa alle 21:30: 24,2 °C.

Tra le 21:30 e le 22:00 la stazione è scesa di 0,7 °C. Alla misura mobile vengono quindi aggiunti 0,7 °C:

25,0 + 0,7 = 25,7 °C riferiti alle 21:30

La procedura presuppone che il cambiamento temporale osservato dalla stazione sia rappresentativo dell’area percorsa. Questa ipotesi non è sempre perfetta: parchi, zone compatte, rive e aree industriali possono raffreddarsi con velocità differenti. La correzione riduce l’errore temporale, ma non lo elimina completamente.

Un percorso chiuso permette un controllo indipendente

È utile progettare un itinerario che ritorni vicino al punto di partenza.

Se il sistema passa nello stesso luogo all’inizio e alla fine, la differenza tra le due misure fornisce un’indicazione immediata della variazione avvenuta durante il rilievo.

Il ritorno al punto iniziale non sostituisce necessariamente una stazione fissa, ma permette di verificare se la correzione applicata è ragionevole.

Un percorso ad anello offre inoltre altri vantaggi:

• riduce gli spostamenti estranei al rilievo;
• facilita la ripetizione nelle giornate successive;
• permette di controllare eventuali derive del sensore;
• evidenzia anomalie dovute a soste o modifiche meteorologiche improvvise.

Una correzione lineare basata soltanto sul punto iniziale e finale assume però che il riscaldamento o il raffreddamento sia avvenuto con velocità uniforme. È una semplificazione che deve essere dichiarata.

Sensore preciso non significa sistema preciso

La precisione dichiarata dal produttore riguarda normalmente il sensore in condizioni controllate.

Sul campo l’errore complessivo comprende anche:

• riscaldamento solare;
• ventilazione insufficiente;
• inerzia del contenitore;
• calore proveniente dal veicolo;
• posizione di montaggio;
• calibrazione;
• frequenza di acquisizione;
• sincronizzazione temporale;
• variazioni durante la marcia e durante le soste.

Un sensore con accuratezza nominale di ±0,1 °C può produrre errori di diversi gradi se viene lasciato al Sole o montato vicino a una sorgente termica.

Prima del rilievo tutti i sensori utilizzati devono essere confrontati nello stesso ambiente. L’interconfronto non rende automaticamente corretti gli strumenti, ma permette di verificare scostamenti costanti, differenze di risposta, valori anomali, deriva e disallineamenti tra temperatura e umidità.

La schermatura dalla radiazione

Il sensore non deve essere colpito direttamente dal Sole.

La radiazione può scaldare il sensore e il suo involucro oltre la temperatura dell’aria. L’errore è spesso maggiore:

• con cielo sereno;
• con vento debole;
• durante le soste;
• sopra superfici molto riflettenti;
• quando lo schermo ha elevata massa termica;
• quando la ventilazione interna è scarsa.

La schermatura deve realizzare due funzioni apparentemente opposte: proteggere dalla radiazione e dalle precipitazioni, ma permettere un ricambio rapido dell’aria.

Un contenitore chiuso risolve il primo problema ma ne crea un altro: l’aria interna viene isolata e il sistema risponde lentamente.

Gli schermi a piatti sovrapposti sfruttano la ventilazione naturale. Uno schermo aspirato utilizza invece una ventola per mantenere un flusso d’aria più costante. L’aspirazione può migliorare la risposta durante le soste e con vento debole, ma richiede alimentazione, controllo della ventola e una geometria che eviti il ricircolo di aria riscaldata dagli stessi componenti elettronici.

La velocità di risposta

Quando il sistema passa da un ambiente fresco a uno caldo, il sensore non assume istantaneamente la nuova temperatura.

La risposta dipende da:

• massa del sensore;
• involucro;
• schermo;
• ventilazione;
• velocità del mezzo;
• differenza di temperatura;
• eventuale presenza di acqua.

Un sistema lento produce una mappa spostata lungo il percorso. Il valore attribuito a una strada può contenere ancora l’influenza del parco attraversato alcuni secondi prima.

La frequenza di campionamento non deve essere confusa con la velocità di risposta. Un dispositivo può salvare un dato ogni secondo, ma se il sensore impiega un minuto per adattarsi registra molte volte quasi la stessa risposta ritardata. Aumentare il numero di campioni non recupera l’informazione che il sistema fisico non riesce a seguire.

Prima dell’uso conviene eseguire una prova dinamica:

1. stabilizzare il sistema in un ambiente;
2. trasferirlo rapidamente in un ambiente a temperatura differente;
3. registrare il tempo necessario per avvicinarsi al nuovo valore;
4. ripetere la prova con ventilazione e montaggio definitivi.

La velocità del percorso deve essere scelta in funzione di questa risposta, non soltanto della risoluzione desiderata sulla carta.

Dove montare il sistema

Il sensore deve campionare l’aria esterna senza essere influenzato eccessivamente dal mezzo che lo trasporta.

Automobile

Non deve essere collocato:

• nell’abitacolo;
• vicino al radiatore;
• davanti alle bocchette di ventilazione;
• vicino allo scarico;
• immediatamente sopra il cofano;
• in una zona protetta dal flusso d’aria;
• troppo vicino alla carrozzeria riscaldata dal Sole.

Una posizione sul tetto, sufficientemente sollevata e lontana dai bordi più turbolenti, riduce alcune interferenze. Deve però essere verificato che il flusso non convogli aria proveniente dal motore o da altre parti calde.

Durante le soste la ventilazione diminuisce e il calore del veicolo può diventare più importante. I dati raccolti in coda o ai semafori devono essere identificabili.

Bicicletta

La bicicletta riduce il problema del motore e permette di percorrere parchi, piste ciclabili e strade non accessibili alle automobili.

Il sensore deve essere davanti o sopra il ciclista, lontano dal corpo, lontano da batterie e motore elettrico, a un’altezza costante e protetto dalle vibrazioni senza essere chiuso in un contenitore isolante.

Percorso a piedi

Permette misure dettagliate nel microclima pedonale, ma il corpo dell’operatore produce calore e ostacola il vento.

Il sistema non deve essere tenuto vicino al torace, in mano o dentro uno zaino. È preferibile un supporto sporgente o una struttura che mantenga il sensore distante dall’operatore.

In ogni configurazione devono essere documentati altezza, orientamento, distanza dal mezzo e tipo di schermatura.

Altezza della misura

Una carta ottenuta con sensori posti ad altezze differenti non rappresenta una grandezza omogenea.

Vicino al terreno possono esistere gradienti rilevanti, soprattutto sopra asfalto soleggiato, sopra prato, nelle notti serene, in condizioni di vento debole, vicino a pareti, nei sottopassi e sotto vegetazione fitta.

Le osservazioni dell’isola di calore atmosferica vengono comunemente effettuate nello strato urbano vicino al livello delle persone. In un rilievo mobile l’altezza esatta può dipendere dal mezzo, ma deve rimanere costante e deve essere indicata nella metodologia.

Ora e posizione devono appartenere allo stesso campione

Ogni registrazione dovrebbe contenere almeno:

data – ora – latitudine – longitudine – temperatura – umidità

Possono essere aggiunti:

• quota;
• velocità;
• direzione del movimento;
• numero di satelliti;
• qualità della posizione;
• stato del sistema;
• tensione di alimentazione;
• eventuale arresto del mezzo.

Il ricevitore GNSS e il sensore possono lavorare con frequenze differenti. Il software deve stabilire esplicitamente quale posizione associare alla temperatura: ultima posizione disponibile, posizione più vicina temporalmente oppure posizione interpolata tra due aggiornamenti.

Un errore di pochi secondi può spostare il campione di decine di metri se il mezzo è in movimento.

L’orologio del microcontrollore, quello del ricevitore e quello della stazione fissa devono essere controllati prima e dopo il percorso. La sincronizzazione non è un dettaglio informatico: determina dove e quando viene collocata ogni misura.

Come progettare il percorso

Il tracciato non deve essere scelto soltanto perché è comodo da percorrere.

Deve attraversare ambienti fisicamente differenti e rappresentativi:

• centro compatto;
• quartieri aperti;
• zone residenziali;
• aree industriali;
• grandi parcheggi;
• parchi;
• rive o corsi d’acqua;
• aree periurbane;
• terreni agricoli;
• punto di riferimento esterno alla città.

Il percorso deve essere abbastanza lungo da attraversare queste zone, ma non tanto da richiedere ore e rendere dominante la correzione temporale.

È preferibile evitare deviazioni impreviste, tratti con traffico molto variabile, lunghi tunnel, parcheggi sotterranei, soste non controllate, strade chiuse in modo occasionale e percorsi che cambiano tra una campagna e l’altra.

Una mappa comparabile nasce da un itinerario ripetibile.

Non basta scrivere urbano e rurale

Due quartieri urbani possono essere più diversi tra loro di quanto uno dei due sia diverso dalla campagna circostante.

Per ogni tratto occorre documentare almeno:

• altezza media degli edifici;
• densità edilizia;
• larghezza delle strade;
• percentuale di suolo impermeabile;
• vegetazione;
• presenza di acqua;
• materiali predominanti;
• traffico e attività;
• pendenza e quota;
• esposizione al vento.

La classificazione Local Climate Zones divide gli ambienti in tipologie costruite o naturali, definite attraverso struttura, copertura, materiali e attività umane. Il sistema evita confronti generici tra siti indicati soltanto come città e campagna.

La carta diventa molto più utile se ogni punto viene associato alla zona climatica locale attraversata.

Quando effettuare il rilievo

Non esiste un solo momento corretto. Dipende dall’obiettivo.

Per osservare l’isola di calore notturna sono spesso favorevoli:

• ore successive al tramonto;
• cielo sereno o poco nuvoloso;
• vento debole;
• assenza di precipitazioni recenti;
• condizioni meteorologiche relativamente stabili.

In queste condizioni le superfici aperte possono raffreddarsi rapidamente mentre gli ambienti urbani più compatti restituiscono il calore accumulato.

Un rilievo diurno può servire a studiare ombreggiamento, ventilazione, influenza di parchi e acqua, esposizione dei pedoni e risposta dei quartieri durante un’ondata di caldo.

Le campagne differenti non devono però essere mescolate come se rappresentassero lo stesso stato atmosferico.

Le condizioni meteorologiche devono essere registrate

Durante il transetto devono essere annotati almeno:

• copertura nuvolosa;
• vento;
• pioggia recente;
• stato del terreno;
• presenza di nebbia;
• eventuali cambiamenti improvvisi.

Il passaggio di una nube modifica rapidamente il bilancio radiativo. Una variazione del vento può mescolare l’aria o convogliare aria proveniente da zone differenti. Una pioggia recente modifica evaporazione, umidità e raffreddamento delle superfici.

Se le condizioni cambiano troppo durante il percorso, la correzione temporale basata su una sola stazione può diventare insufficiente. In alcuni casi il rilievo deve essere considerato non confrontabile o essere ripetuto.

Campionamento e distanza tra i punti

La frequenza di campionamento deve essere scelta considerando contemporaneamente velocità del mezzo, risposta del sensore, precisione GNSS, memoria disponibile e scala del fenomeno studiato.

A 20 km/h il mezzo percorre circa 5,6 metri al secondo. Un dato al secondo non garantisce però una risoluzione reale di 5,6 metri: il sensore, lo schermo, il GNSS e la turbolenza del flusso possono avere risoluzioni effettive molto più grossolane.

Registrare dati molto ravvicinati può essere comunque utile per individuare anomalie, calcolare medie su tratti, escludere soste e ricostruire con precisione la traiettoria.

Non è corretto presentare la distanza tra due righe del file come risoluzione scientifica della mappa.

Controllo e pulizia dei dati

Prima di produrre la carta occorre esaminare la sequenza temporale.

Devono essere individuati:

• valori impossibili;
• salti improvvisi incompatibili con la risposta del sensore;
• coordinate mancanti;
• posizioni GNSS errate;
• campioni duplicati;
• perdita di sincronizzazione;
• soste;
• passaggi in galleria;
• avvicinamento a scarichi o sorgenti artificiali;
• avvio prima della stabilizzazione;
• dati raccolti dopo il termine effettivo del percorso.

È utile conservare almeno tre livelli distinti:

1. dati grezzi, mai modificati;
2. dati controllati, con anomalie marcate o escluse;
3. dati corretti, ricondotti all’orario di riferimento.

Le operazioni applicate devono essere riproducibili. Il file finale non deve sostituire il dato originale.

Dalla linea di misura alla carta

Il sistema mobile produce una sequenza di punti lungo il percorso.

La carta continua viene costruita stimando ciò che accade nelle aree non percorse. Questa operazione si chiama interpolazione.

Metodi come l’Inverse Distance Weighting assegnano maggiore influenza ai punti vicini e minore influenza a quelli lontani. Il procedimento può produrre una superficie visivamente continua, ma non conosce automaticamente:

• edifici;
• muri;
• parchi;
• fiumi;
• differenze di quota;
• direzione del vento;
• discontinuità tra quartieri.

Due punti geograficamente vicini possono trovarsi ai lati opposti di un edificio, di un fiume o di un rilevato stradale e appartenere a microclimi differenti.

L’interpolazione è una stima, non una nuova misura.

Mostrare prima i punti misurati

Una carta corretta dovrebbe presentare almeno:

• il percorso;
• i punti reali;
• l’ora dei campioni;
• le zone escluse;
• la stazione di riferimento;
• la scala dei valori;
• eventualmente la superficie interpolata.

Mostrare soltanto una macchia colorata continua nasconde la densità delle osservazioni.

Una zona apparentemente dettagliata può essere sostenuta da molti punti; un’altra può dipendere da due misure molto lontane. Senza vedere il percorso, il lettore non può distinguere le parti osservate dalle parti stimate.

La risoluzione grafica non deve superare artificialmente la densità dei dati.

Una mappa non dimostra automaticamente la causa

Se una strada risulta più calda di un parco, il risultato è coerente con differenze di vegetazione, ombra, evaporazione e materiali.

La sola misura non dimostra però quale fattore sia dominante.

La temperatura può essere influenzata anche da vento canalizzato, differenza di quota, orientamento, calore degli edifici, traffico, condizionatori, vicinanza all’acqua e storia termica delle ore precedenti.

Per collegare il valore al territorio servono dati aggiuntivi e osservazioni ripetute.

Una correlazione tra temperatura e copertura urbana è un’indicazione. Non è automaticamente una dimostrazione causale.

Ripetere il percorso

Un singolo transetto descrive un episodio.

Per individuare una struttura termica ricorrente occorre ripetere il rilievo:

• lungo lo stesso percorso;
• con lo stesso sistema;
• nella stessa fascia oraria;
• in condizioni meteorologiche documentate;
• possibilmente nello stesso senso di marcia;
• con la stessa procedura di correzione.

Le repliche possono mostrare se un punto caldo compare sistematicamente oppure soltanto in una serata.

Le differenze tra repliche possono dipendere da meteorologia, stato termico generale, senso di percorrenza e lato della strada. Per questo la ripetizione dei percorsi è spesso più utile dell’aumento indiscriminato del numero di itinerari.

L’incertezza non è un solo numero

L’incertezza finale comprende contributi diversi:

• accuratezza del sensore;
• interconfronto;
• schermatura;
• ventilazione;
• risposta dinamica;
• posizione GNSS;
• sincronizzazione;
• correzione temporale;
• variabilità meteorologica;
• interpolazione;
• rappresentatività del percorso.

Non tutti i contributi possono essere quantificati facilmente con un unico valore.

È comunque possibile documentarli separatamente attraverso scarto osservato tra sensori, errore nominale, tempo di risposta, precisione della posizione, differenza tra primo e secondo passaggio, variazione della stazione fissa, distanza media tra linee percorse e numero di repliche.

Una carta che mostra differenze di 0,2 °C non è significativa se il sistema complessivo possiede un’incertezza maggiore.

Configurazione minima del sistema

Un sistema essenziale può comprendere:

• sensore di temperatura e umidità;
• schermo solare ventilato;
• microcontrollore;
• ricevitore GNSS;
• orologio sincronizzato;
• memoria locale;
• alimentazione stabile;
• supporto meccanico;
• stazione fissa di riferimento.

Il file dovrebbe contenere almeno:

data_ora, latitudine, longitudine, temperatura, umidita, velocita, qualita_gnss

È utile aggiungere campi diagnostici:

tensione, stato_ventola, numero_satelliti, hdop, identificativo_sensore

L’elettronica non deve però diventare il centro del metodo. Un sistema sofisticato installato male produce una misura scadente; un sistema semplice ma schermato, sincronizzato e documentato può fornire dati molto più utili.

Che cosa può mostrare la mappa

Una campagna ben progettata può individuare:

• quartieri che si raffreddano lentamente;
• parchi relativamente freschi;
• zone industriali o commerciali più calde;
• differenze tra strade aperte e canyon urbani;
• influenza di grandi superfici impermeabili;
• transizioni tra città e campagna;
• aree nelle quali installare stazioni fisse;
• zone da studiare con misure più approfondite.

La mappa può inoltre confrontare ambienti appartenenti a differenti Local Climate Zones, rendendo la descrizione più precisa rispetto alle sole etichette urbano e rurale.

Che cosa non può mostrare da sola

Una carta di temperatura dell’aria non determina automaticamente:

• la temperatura delle superfici;
• la temperatura interna degli edifici;
• il comfort termico completo;
• il rischio sanitario;
• la causa esatta di ogni anomalia;
• il clima medio annuale;
• l’efficacia definitiva di un intervento;
• la situazione delle zone mai percorse.

Non deve inoltre essere interpretata come previsione. Rappresenta le condizioni osservate durante una specifica campagna, dopo le correzioni dichiarate.