A meteo-hydrological forecasting chain: performance of the downscaling and rainfall-runoff steps in a small catchment

Forecasting ground effects of severe meteorological events with an adequate lead time is fundamental for civil protection scopes and is therefore an important challenge for the scientific community. The paper focuses on the performance of some steps of a meteo-hydrological forecasting chain that can be applied in small watersheds to assess hydrological risk deriving by an intense storm predicted at the large meteorological scale. The proposed procedure integrates large-scale rainfall fields, as those produced by numerical weather prediction (NWP) models, with statistical rainfall downscaling and hydrological modelling. More in details, assuming a large scale rain rate as the input of the process, the forecasting chain produces an ensemble of hydrographs that are post-processed in order to give a probabilistic representation of mean streamflow maxima for different time windows. The outcome of this procedure can be thus applied to assess the risk that some critical streamflow thresholds may be exceeded. The procedure has been tested on more than one thousand recorded events in the Araxisi catchment in Sardinia, Italy. Results and performances are presented and discussed

Detecting anatomical characteristics of single motor units by combining high density electromyography and ultrafast ultrasound: a simulation study

Muscle force production is the result of a sequence of electromechanical events that translate the neural drive issued to the motor units (MUs) into tensile forces on the tendon. Current technology allows this phenomenon to be investigated non-invasively. Single MU excitation and its mechanical response can be studied through high-density surface electromyography (HDsEMG) and ultrafast ultrasound (US) imaging respectively. In this study, we propose a method to integrate these two techniques to identify anatomical characteristics of single MUs. Specifically, we tested two algorithms, combining the tissue velocity sequence (TVS, obtained from ultrafast US images), and the MU firings (extracted from HDsEMG decomposition). The first is the Spike Triggered Averaging (STA) of the TVS based on the occurrences of individual MU firings, while the second relies on the correlation between the MU firing patterns and the TVS spatio-temporal independent components (STICA). A simulation model of the muscle contraction was adapted to test the algorithms at different degrees of neural excitation (number of active MUs) and MU synchronization. The performances of the two algorithms were quantified through the comparison between the simulated and the estimated characteristics of MU territories (size, location). Results show that both approaches are negatively affected by the number of active MU and synchronization levels. However, STICA provides a more robust MU territory estimation, outperforming STA in all the tested conditions. Our results suggest that spatio-temporal independent component decomposition of TVS is a suitable approach for anatomical and mechanical characterization of single MUs using a combined HDsEMG and ultrafast US approach

Influenza della densità della rete di pluviografi sulla modellazione idrologica delle piene. Analisi statistica attraverso campi di pioggia sintetici su bacini di differente dimensione e confronto con un caso reale

Al fine di creare uno scenario di controllo non condizionato da errori di misura e di modellazione, è stata assunta come precipitazione di riferimento, un campo di precipitazione ad alta risoluzione spaziale e temporale (1.5 km x 1.5 km x 5 minuti, di durata pari a 80 anni) ottenuto attraverso un processo di downscaling, mentre come portata di riferimento è stato assunto il corrispondente idrogramma ottenuto attraverso due modelli afflussi-deflussi. Al fine di studiare la sensibilità della risposta idrologica in relazione alla densità della rete pluviografica, è stato supposto che la serie storica di pioggia estratta da una singola cella (1.5 km x 1.5 km) sia equivalente alla registrazione effettuata da un potenziale pluviografo fittizio, ed è stato considerato un numero variabile di potenziali pluviografi, distribuiti casualmente fra i punti del grigliato. Quindi per estensioni della rete variabili da 1 a 30 pluviografi (per ciascun bacino considerato), sono stati selezionati in modo casuale 100 combinazioni spaziali indipendenti di pluviografi, ottenendo altrettanti scenari di campi di precipitazione, che utilizzati come input dei due modelli afflussi-deflussi hanno consentito di realizzare 100 corrispondenti scenari di portata. La qualità dei risultati è stata valutata confrontando gli scenari di portata (ottenuti attraverso un numero limitato di pluviografi) con la portata di riferimento (ottenuta attraverso l’intero campo di precipitazione ad alta risoluzione) applicando differenti metriche. Un’analisi critica dei vantaggi dell’utilizzo della modellazione distribuita rispetto a quella a parametri concentrati è stata eseguita considerando: variabilità delle performance dei modelli in relazione al numero di pluviografi utilizzati; relazione tra le performance dei modelli e l’entità dell’evento meteorico; numero minimo di pluviografi necessari per ottenere una risposta idrologica soddisfacente di ciascun modello e relazione con l’entità dell’evento; dipendenza rispetto alla dimensione del bacino. Osservando la figura 1 possono essere illustrati alcuni dei risultati ottenuti. In particolare si nota come il numero minimo di pluviografi necessario a raggiungere un valore soddisfacente dell’efficienza di Nash Sutcliffe sia fortemente dipendente dall’entità dell’evento, questo comportamento è più accentuato per il modello a parametri concentrati. Con entrambi i modelli le simulazioni risultano migliori, a parità di pluviografi, per gli eventi di maggiore entità. Il modello a parametri concentrati presenta inoltre una marcata dipendenza con la dimensione del bacino, mentre il modello distribuito non ne risulta significativamente influenzato. In conclusione è importante notare che anche in bacini di piccole dimensioni sono necessari non meno di 5 pluviografi affinché il 50% degli eventi possa essere modellato con un’efficienza pari o maggiore di 0.5. Infine è stato studiato un caso reale di 2 piccoli bacini provvisti di serie sufficientemente lunghe di osservazioni di precipitazione ad alta risoluzione (5 minuti) e di corrispondenti misure di portata. In particolare sono state valutate le performance dei due modelli afflussi-deflussi, confrontando la portata osservata con gli idrogrammi prodotti considerando le possibili combinazioni di pluviografi esistenti. Sebbene l’analisi sia limitata ad un numero massimo di tre pluviografi, risultano confermati i risultati ottenuti attraverso lo scenario sintetico sopra descritto

On the Flow Past an Array of Two-Dimensional Street Canyons Between Slender Buildings

The flow above an idealized, two-dimensional series of parallelepipedal buildings is examined with the aim of investigating how the building width (W) to height (H) aspect ratio affects the turbulence in the roughness sublayer and the ventilation of the underlying street canyons. We compare the case of buildings with a squared section (AR(B) = W/H = 1.0) with a configuration with slender buildings (AR(B)= 0.1) both in the case of unit canyon width (D) to height (H) aspect ratio (AR(C) = D/H = 1) and in the case of AR(C) = 2. The former corresponds to skimming flow and the latter to wake-interference regime. Measurements are performed in a water channel, measuring velocity on a vertical mid-plane using a particle-image velocimetry technique. The mean flow, its second-order turbulence statistics, the exchange fluxes, and the integral time scales are investigated, with results showing that slender buildings enhance turbulence production and yield larger integral time scales in the region just above the building roof. Namely, in the skimming-flow and wake-interference regimes, the maximum vertical velocity variance is more than doubled and increased by 50%, respectively. The combined analysis of the turbulence production fields and the snapshots of the flow during sweep and ejection events demonstrate that the shear layer between the canyon and the external flow is significantly more unstable with slender buildings, mainly because the damping effect of the vertical velocity fluctuations from the flat roof of the upwind building is substantially missing. Consequently, a larger (downstream) portion of the interface is prone to the direct interaction of the external flow structures. The higher turbulence intensity promotes the ventilation at the canyon interface, which is increased by a factor of two in the skimming-flow regime and a factor of 1.26 in the wake-interference regime. In summary, the present experiments show that the effect of the reduced building aspect ratio is particularly significant when the urban canopy consists of narrow canyons. The result is of interest since narrow street canyons are typically bounded by slender buildings in the urban texture of the old European city centres

Integrating hydrological and hydrodynamic models in river flooding simulation system

A modelling system integrating hydrologic and hydrodynamic models for river flooding simulation and related risk evaluation is presented. The hydrological procedures take as input large scale rainfall rate, downscale the rainfall field with a multifractal model, and calculate a set of equally probable hydrographs at the outlet applying the SCS abstraction method and the Unit Hydrograph convolution. Synthetic hydrographs with given exceedance probability are derived and used as input of a two-dimensional, semi-implicit hydrodynamic model. Results of application of the modelling system to a river located in the south-eastern coast of Sardinia, Italy, are presented and discussed. Simulations were carried out to evaluate the effect of tide, wind, storm surge and structural works on the extension of flooded areas