PERFORMANCE OF RAINFALL AND SOIL MOISTURE SATELLITE PRODUCTS ON A SMALL CATCHMENT IN CENTRAL ITALY

Reliable rainfall and soil moisture data is crucial to investigate hydrogeological processes at the catchment scale (runoff, soil erosion, infiltration, etc.). The present study aims to evaluate the performance of several high-resolution satellite products (IMERG GPM, SM2RAIN, Copernicus Sentinel-1 SSM1km, and SMAP L2_SM_SP) that can support hydrological studies in areas with a lack of ground-based data. The analysis was carried out in a small low permeability catchment in Central Italy (Tatarena basin), equipped with three rain gauge stations. The basin is scarcely anthropized and can be considered representative of many catchments with different soil cover, from forest to farming. The satellite rainfall products were analysed using probability plots, the double mass method, statistical tests and three categorical scores. Satellite soil moisture data were tested with the Hydrological Consistency Index, aiming to verify the consistency between soil moisture satellite data and precipitation. The results show that the IMERG GPM rainfall dataset performs better than SM2RAIN at different time scales. Despite some uncertainties, the Copernicus Sentinel-1 SSM1km proved to be the best-performing soil moisture satellite dataset. Results may be useful for using satellite data to understand runoff processes in poorly instrumented basins.

L'acquisizione di dati meteo-climatici (precipitazioni, temperatura, umidità del suolo, ecc.) può essere impegnativa e le informazionia disposizione possono non essere rappresentative dell'area di studio (Basist et alii, 1994; Millán et alii, 2005; Cambiet alii, 2010). I dati a terra possono essere utilizzati per validare le stime di precipitazioni e contenuto d'acqua nei primi cinque centimetridi suolo (SSM) derivate da satellite, quest'ultime disponibili a diverse risoluzioni spazio-temporali. A causa dell'estremavariabilità spaziale dell'SSM, specialmente a scala di bacino (Walker et alii, 2004; Evett et alii, 2006; Rudnick et alii, 2015;Ortenzi et alii, 2022), la validazione con dati a terra risulta particolarmente complessa. La verifica delle prestazioni dei prodottisatellitari su piccoli bacini idrografici è quindi un problema aperto, in particolare in aree con forti variazioni topografiche e concopertura del suolo eterogenea. Il presente studio si propone di valutare le performance di alcuni prodotti satellitari sul bacinoidrografico del T. Tatarena (Italia centrale). Tale bacino, che presenta un'area di circa 32 km2, ha un'altitudine media di 407 ms.l.m. e si imposta prevalentemente su rocce a medio-bassa permeabilità appartenenti alla parte alta della Serie Umbro-Marchigiana(litotipi calcareo-marnosi) e di quella torbiditica Umbro-Romagnola. Il bacino del T. Tatarena è scarsamente antropizzato (0.5% dicopertura urbana), con prevalente copertura agricola (72%), seguita da copertura boschiva (26%) e prati (1.5%). Le caratteristichegeomorfologiche e di copertura del suolo rendono il T. Tatarena rappresentativo di molti bacini dell'area appenninica, spesso caratterizzatida eventi di piena improvvisi a seguito di piogge intense. I dati disponibili sul bacino sono riassumibili in:o n. 3 pluviometri gestiti dal Servizio Idrografico Regionale dell'Umbria, ad elevata risoluzione temporale e spazialmente ben distribuiti;o n. 2 prodotti pluviometrici satellitari, l'IMERG GPM (Integrated Multi-satellitERetrievals for Global PrecipitationMeasurement,Nasa) e il dataset SM2RAIN (EUMETSAT, European Space Agency, ESA and European Commission projects). Il prodottoIMERG GPM ha una frequenza di campionamento di 30 minuti e una risoluzione spaziale di 0.1° x 0.1° (dati dal 2014). Il datasetSM2RAIN fornisce dati mensili e giornalieri di pioggia con una risoluzione spaziale di 0.1° x 0.1° a partire dal 2007;o n. 2 prodotti di SSM satellitari, il Copernicus Sentinel-1 SSM1km e il dataset L2_SM_SP (SMAP, Nasa), entrambi con datisovrapponibili dal 2015.Per verificare e quantificare le prestazioni dei dati satellitari, rispetto ai dati a terra, sono stati utilizzati sia test statistici che analisi adoppia massa, prendendo in esame il periodo 2015-2021. In assenza di misure al suolo, la qualità dei dati satellitari SSM è stata valutatatramite l'Hydrological Consistency Index (HCI, Paciolla et alii, 2020) che valuta la risposta dei dati SSM alle precipitazioni giornaliere.I risultati delle analisi indicano che la performance dei dati IMERG GPM sul bacino analizzato è migliore di quella SM2RAIN, siaa scala mensile che giornaliera. Tale risultato può essere imputato a alcune limitazioni del prodotto SM2RAIN, quali la sottostima deglieventi piovosi intensi (Brocca et alii, 2019). Le prestazioni di IMERG GPM peggiorano spostandosi dalla scala mensile verso la scalaoraria. Per quanto riguarda i dati SSM, Copernicus Sentinel-1 SSM1km sembra avere prestazioni migliori rispetto ai prodotti SMAPL2_SM_SP, confermando quanto riportato da Bauer-Marschallinger et alii (2019) e Colliander et alii (2022). Sebbene l'analisiqui effettuata abbia considerato la risposta dell'SSM alle sole precipitazioni, come evidenziato da Paciolla et alii (2020), ulterioristudi sono necessari per considerare anche gli effetti dell'evapotraspirazione nei periodi estivi. Poiché i dati satellitari sono sempre piùutilizzati nella modellazione dei processi idrologici a varie scale, la verifica dell'affidabilità di questi prodotti è fondamentale, soprattuttoquando vengono utilizzati dalle autorità territoriali e da quelle di protezione civile. Il mantenimento di una rete attiva ed estesa distazioni di misura nelle aree interne è una delle sfide dei prossimi anni, considerata la loro importanza per la verifica delle prestazionidei dati satellitari in zone topograficamente complesse. I dati IMERG GPM e quelli Copernicus Sentinel-1 SSM1km sono promettentiper diverse applicazioni e i risultati del presente studio possono supportare ulteriori ricerche per la definizione delle soglie di attivazionedel ruscellamento in bacini con caratteristiche simili a quelle del T. Tatarena.