presentazione Mariani - Ordine Ingegneri Milano

RISORSE IDRICHE E VARIABILITA'
CLIMATICA
Luigi Mariani
Università degli studi di Milano
Dipartimento di Produzione Vegetale
[email protected]
Chiave di lettura proposta
1. sistema climatico: struttura, funzioni e ruolo dell’acqua;
circolazione generale (dinamica a celle, grandi cicloni e
anticicloni, westerlies, blocchi)
2. ciclo dell'acqua nella sua componente atmosferica (nubi e
precipitazioni)
3. il cambiamento climatico del 1987 (effetti a scala europea
su precipitazioni ed evapotraspirazione)
4. che fare (necessità di sistemi e reti di misura efficaci ed
efficienti, reti irrigue, ecc.)
Ogni lucido è corredato da idonei riferimenti bibliografici.
Riflessione preliminare
Ciclo dell'acqua: fenomeno complesso cui cooperano tutte le scale,
dalla micro alla macroscala, un fenomeno che sta al cuore del sistema
climatico terrestre (sistema turbolento affetto da caos deterministico →
a ridotta prevedibilità).
Esempio: la pioggia vie dell'umidità presente nel PBL (primi 1000 metri
di atmosfera); inoltre (i) ad essa cooperano strutture a meso e
macroscala proprie della libera atmosfera (getti, irruzioni fredde nella
media troposfera, ecc.) e (ii) l'orografia gioca un ruolo chiave.
ahttp://cosmiclog.msnbc.msn.com/_nv/more/section/arch
ive?year=2011&month=4&ct=a&pc=25&sp=25
Isole Kurile (Russia) - Instabilità orografica collezione Dr Igor Smolyar, NOAA Central Library
1. sistema climatico: struttura, funzioni e ruolo dell’acqua
Per approfondimenti: Peixoto J.P., Oort A.H., 1992. Physics of climate, American Institute
of Physics, New York, 520 pp.
Pinna M., 1972. La climatologia, UTET, Torino, 462 pp.
Il sistema climatico e i suoi sottosistemi
Alle radici del sistema climatico
flussi energetici fra la Terra e lo spazio
La Terra è un sistema chiuso e con lo spazio esterno scambia energia unicamente in forma di
radiazione (il pianeta riceve energia dal Sole e a sua volta emette energia verso lo spazio). Il
diagramma rende conto dei flussi di radiazione entrante e uscente alle diverse latitudini e
giustifica la presenza dell'effetto serra e di un vigorso trasporto latitudinale di energia
dall'equatore ai poli.
Diagramma chiave per ricavare 3 concetti (senza i quali non si può capire il clima) ->
Equilibrio energetico: quanto assorbito coincide con quanto emesso (235 W m -2)
Effetto serra: 235 W m-2 è l'emissione di un corpo con T=-19°C. L'effetto serra
giustifica il fatto che la Terra in superficie ha una temperatura di +14°C.
Riequilibrio latitudinale: l'assorbimento di energia si concentra nella fascia
equatoriale ma l'emissione è assai più regolare → dev'esserci un trasferimento
latitudinale di energia dovuto alla circolazione.
L'effetto serra ed il suo ruolo fondamentale
Peso delle diverse sostanze a effetto serra
acqua = gigante dell'effetto serra->responsabile del 73% del fenomeno
Source - LACIS A.A., Schmidt G.A., Rind D. Ruedy R.A., 2010. Atmospheric CO2: Principal Control Knob
Governing Earth’s Temperature, Science, 15 OCTOBER 2010 VOL 330.
Ruolo fondamentale della circolazione
Scopo della circolazione: trasportare
energia
dall'equatore
ai
poli
riequilibrando gli scompensi dovuti
all'irregolare distribuzione della radiazione
solare
Come assolve a tale scopo: in
massima parte
attraverso l'atmosfera
(più dell'80%) e poi attraverso gli oceani
(meno del 20%) -> non si può parlare
di clima senza considerare la
circolazione atmosferica.
Il vettore dell'energia in atmosfera è
sempre
l'acqua
(attraverso
i
cambiamenti di stato)
Tentare di spiegare il sistema climatico del pianeta senza
considerare la circolazione sarebbe come per un medico ricorrere
alla teoria degli umori
Circolazione: dall'immagine al modello
ore 12 UTC del 29 marzo 2004 Composite IR (MeteoFrance e
Japan Meteorological Agency)
Dinamica a 3 celle ->
grandi strutture della
circolazione generale
(ITCZ,
alisei,
anticicloni subtropicali,
westerlies,
cicloni
delle latitudini medioalte) -> tre grandi
cinture piovose del
pianeta
Come agisce il trasporto latitudinale
Trasporto di energia dall'equatore ai tropici: che la circolazione
di Hadley (cella convettiva diretta) sia efficacissima è facilmente
intuibile
Trasporto di energia dai tropici alle alte latitudini: come può
una circolazione mediamente ovest-est (westerlies) trasportare
energia rimescolando le masse d'aria fredda settentrionale con
quella calda meridionale?
Tre fattori concorrono a tale fenomeno:
1. le westerlies si ondulano creando grandi onde planetarie (onde
di Rossby). In tali ondulazioni un ruolo importante lo gioca la grande
orografia
2. I sistemi frontali provvedono ad un ulteriore rimescolamento
3. le strutture di blocco = deviazioni della circolazione rispetto al
regime Est-Ovest causate da aree cicloniche o anticicloniche che
bloccano il flusso occidentale.
Grandi ondulazioni orografiche e trasporto latitudinale
Seager et al., 2002. Is the Gulf stream responsible of Europe's mild climate? Quarterly
Journal of the Royal Met. Society, Vol 128, Oct. 2002, part B., n. 586, 2563-2586.
Le onde più piccole ed il loro ruolo
(onde di Bijerknes alias sistemi frontali)
ARIA ARTICA
ARIA SUBTROPICALE
Circolazione media (a) e blocchi (b,c,d)
ciclone
d’Islanda
Grandi correnti occidentali (westerlies)
anticiclone
delle Azzorre
Situazioni reali 500 hpa 1/1-31/11/2012
Situazioni reali – 500 hPa – 16/02/2013
Climatologia dei blocchi ed eventi estremi
I blocchi possono persistere per giorni / settimane / mesi e la loro
frequenza/persistenza è strettamente correlata con gli eventi estremi
→ esempi:
- siccità (es: dust bowl degli anni 30' negli Usa)
- ondate di caldo (ondata di caldo Europea del 2003)
- ondate di freddo (gelidi inverni Europei 1929,1956,1985, 2012)
- piogge intense e persistenti (es: alluvione di Firenze del 1966,
alluvione del Piemonte del 1994)
Dust bowl in USA (1935)
Alluvione estiva in UK (2008)
Emisfero boreale – frequenza dei blocchi
Using the blocking index of Tibaldi and Molteni (1990) we can consider the
frequency of "blocked days" for each of the four traditional seasons (DJF,
MAM, JJA, SON) for the northern hemisphere for the period 1950 to 2000.
source:
Analysis carried out on NCEP Ncar reanalysis
http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/blocking/seasonal_nh/seasonal_nh.shtml
Ricapitolando
L'acqua è il "gigante buono" del clima (produce oltre il 70%
dell’effetto serra, è il vettore energetico per i trasferimenti
energetici latitudinali)
Evapotraspirazione e precipitazioni = segmento chiave del ciclo
dell'energia e dell'acqua sul nostro pianeta.
Strutture circolatorie a macroscala coinvolte: cella di Hadley,
westerlies (grandi ondulazioni, sistemi frontali e blocchi)
NB: per ragioni di tempo abbiamo trascurato le strutture
circolatorie a mesoscala che sono cruciali oper il nostro clima
(es: depressioni mediterranee originatesi da saccature
atlantiche)
Evapotraspirazione e precipitazioni
tendenze in atto in Europa e Italia
Westerlies
il cambiamento abrupto di fine anni '80
1987
Per i dati sull'Arctic Oscillation:http://www.jisao.washington.edu/ao/
Mariani L, Parisi SG, Cola G (2009). Space and time behavior of climatic hazard of low temperature for single
rice crop in the mid latitude. INTERNATIONAL JOURNAL OF CLIMATOLOGY, vol. 29, p. 1862-1871, ISSN:
0899-8418, doi: 10.1002/joc.1830
E' UN FENOMENO SENZA PRECEDENTI? GLI ULTIMI 1000 ANNI
Il diagramma illustra la situazone sull'Europa dal 1050 ad oggi.
Le fasi circolatorie analoghe a quella attuale (fasi a NAO positivo)
sono indicate in rosso.
fonte: Trouet V., Esper J., Graham N.E., Baker A., Scourse J.D., Frank D.C., 2009. Persistent Positive North Atlantic
Oscillation Mode Dominated the Medieval Climate Anomaly, Science, 3 april 2009, Vol 324
Temperature medie annue di 24 stazioni europee (1951-2010)
(dati disponibili: 93%)
1987
Con il 99% di probabilità la
discontinuità ricade fra 1982 e
1991. Anno più probabile di
discontinuità= 1987 (media
1951-1987=10.1; media
1988-2009=11.0)
[analisi
di
discontinuità
eseguita con la libreria
statistica Struchange]
L. MARIANI, S.G. PARISI, G. COLA, O. FAILLA (2012). Climate change in Europe and
effects on thermal resources for crops. INTERNATIONAL JOURNAL OF
BIOMETEOROLOGY, ISSN: 0020-7128, doi: 10.1007/s00484-012-0528-8
Temperature medie annue in Svizzera dal 1961 al 2011
(http://www.meteosuisse.admin.ch/web/en/climate/climate_today/swiss_climate_maps.html)
Le temperature sono espresse come anomalia positiva (rosso) o negativa (azzurro) rispetto
alla media 1961-90. I colori rossi (annate calde) interessano solo il 10% degli anni dal 1961
al 1987 e la percentuale sale al 90% del 1988 al 2011. Cosa accede fra 1987 e 1988 che fa
cambiare radicalmente le temperature annue in Svizzera? A cambiare non è stata la CO2
ma la circolazione atmosferica. Dal 1987 infatti la circolazione è divenuta molto più
occidentale con più frequente apporto di masse d’aria subtropicale.
Limite dell'anticiclone delle Azzorre
stagione vegetativa (1 marzo-31 agosto)
1968-1987
1988-2003
2004-2011
Carte (topografie assolute) della pressione media di 850 hPa per il semestre marzo – agosto,
il più interessante per la viticoltura (fonte dei dati: rianalisi NOAA – Ncep). L’elemento che ci
interessa evidenziare è la posizione dell’anticiclone delle Azzorre (il cui limite è
convenzionalmente indicato dall’isoipsa di 1490 m – linea con pallini rossi). Si noti che il limite
dell’anticiclone, che si collocava in media sull’Appennino Tosco Emiliano nel 1968-87, si è
spostato sulla Francia del Nord nei due periodi successivi. Si noti anche che la sua posizione
non cambia significativamente nel periodo 2004-2011 rispetto al 1988-2003, il che sta ad
indicare che ci stiamo confrontando con una nuova fase climatica stazionaria inauguratasi nel
1988 e con cui dobbiamo fare i conti.
Fonte:http://www.esrl.noaa.gov/psd/cgi-bin/data/composites/
Precipitazioni 1921-2006 – Bordeaux e Francoforte (fonte: Ecad)
Precipitazione media annua 1950-2006 - 18 stazioni della
provincia di Sondrio (Dati progetto RICLIC WARM)
Media 1950-1989
1238 mm/anno
media 1990-2006
1157 mm/anno
Milano Brera - Precipitazione annua 1764-2010
(in evidenza i 5 massimi assoluti)
Trend 1995-2010
Trend analizzati
applicando una
regressione lineare ai dati
annui 1995-2010 di 92
stazioni della rete CRA
Cma (gli incrementi o
decrementi sono espressi
in mm/anno)
Mariani, dati non
pubblicati.
Per un'analisi a livello locale di tali
fenomeni: Di Lena B, Antenucci F,
Mariani L (2012). Space and time
evolution of the Abruzzo
precipitation. ITALIAN JOURNAL OF
AGROMETEOROLOGY, vol. 1, p. 520, ISSN: 2038-5625
Milano Brera - Precipitazione annua 1764-2010
Valori medi (mm/anno)
-
Media
Media
Media
Media
Media
Media
1764-1800=928
1801-1850=1053
1851-1900= 1023
1901-1950= 963
1951-2000= 1016
2001-2010= 938
→ Media 1764-2010=998
Sintesi generale per l'Europa: precipitazioni abbondanti e
con grande variabilità interannuale (stabilità nelal
variabilità).
La nuova fase climatica
Effetti su temperatura e pluviometria in Europa
Temperatura: +0.5 °C
Precipitazione: aumento
Radiazione solare: calo
Temperatura: +1.5 °C
Precipitazione: calo
Radiazione solare: aumento.
DIAGNOSI GENERALE
In Europa nel 1987 ha avuto luogo un cambiamento climatico
brusco (associato ad un cambio di fase delle westerlies).
Tale cambiamento ha inaugurato una nuova fase climatica che rispetto
alla precedente si caratterizza per:
1. temperatura media annua al suolo più elevata di 1°C (+0.5°C sul
Nord Europa e +1.5°C sul Sud Europa).
2. aumento delle risorse radiative (più ore di sole, più radiazione
solare globale) sul sud Europa, diminuzione nel Nord Europa
3. anticipo in tutte le fasi fenologiche (es: raccolta anticipata di 10-20
gg per la vite)
4. aumento dell’evapotraspirazione e dunque dell’aridità
Conseguenze
- effetto negativo sulla nevosità e sulle masse glaciali alpine, non più
in equilibrio con l'ambiente (→ possibili effetti negativi su portate
estive dei corsi d’acqua e su apporti idrici a laghi prealpini e invasi
appenninici).
Precipitazioni: in teoria dovremmo attenderci un aumento delle
precipitazioni sul Nord Europa ed una diminuzione sul sud Europa. Tali
fenomeni sono però difficili da dimostrare con le serie storiche in
nostro possesso ed in ogni caso vanno verificati a livello di singola
stazione e mesoclima. Ciò in quanto la precipitazione, a differenza
della temperatura, è una grandezza estremamente variabile nello
spazio e nel tempo.
Piogge estreme
Il territorio italiano e le piogge estreme
Territorio assai esposto alle piogge estreme in quanto:
- imponente sorgente di umidità (il mediterraneo)
- imponente orografia
- confronto fra masse d'aria (Polare marittima, Polare
continentale, Artica) più fredde di quelle presenti sul bacino
Mediterraneo
- strutture circolatorie favorevoli alle precipitazioni estreme:
grandi saccature atlantiche, minimi mediterranei (del golfo di
Genova, dello Ionio, delle Baleari, ecc.)
Mariani & Parisi, Extreme rainfall in the Mediterranean area in Storminess and & Environmental
Changes in Climate forcing and responses in Mediterranean region (N. Diodato, G. Bellocchi and
N. Romano eds.) [in corso di stampa per i tipi della Springer]
Massimi su 24 ore rilevati durante l’alluvione di Genova
del 1970
(fonte: Cati L., 1981. Idrografia e idrologia del Po,
Poligrafico dello Stato, 310 pp. )
Località
Bolzaneto
Valleregia
Pontedecimo
Monte Cipellino
Vallenzona
Crocefieschi
diga del Brugneto
mm in 24 ore
948
932
749
732
422
401
308
MASSIMI GIORNALIERI ASSOLUTI PER L'ITALIA NEL
PERIODO 1925-50
(fonte: Servizio Idrografico)
Località
Lavagnina
Cavaglio
Oseacco
Noci
Treppio
Senigallia
Guardiaregia
Otranto
Lerca
Micciano
Amaseno
Muro Lucano
Serra S.Bruno
Sicca d’Erba
Villa Pioppo
Passo Giovi
Regione
Piemonte
Piemonte
Friuli
Liguria
Romagna
Marche
Abruzzo
Puglia
Liguria
Toscana
Lazio
Campania
Calabria
Sardegna
Sicilia
Liguria
mm
554
465
617
351
244
234
320
207
389
440
352
317
509
544
495
510
Mese
Agosto
Luglio
Ottobre
Novembre
Ottobre
Settembre
Ottobre
Novembre
Ottobre.
Settembre
Ottobre
Novembre
Marzo
Ottobre
Febbraio
Ottobre
Analisi delle precipitazioni estreme in area mediterranea
Mariani & Parisi, Extreme rainfall in the
Mediterranean area, in Storminess and &
environmental Changes - Climate forcing and
responses in Mediterranean region (N. Diodato, G.
Bellocchi and N. Romano eds.) [in corso di stampa
per i tipi della Springer]
Dati: da archivi internazionali (Ecad, ecc.) sono state estratte stazioni
localizzate fra 30 e 50°N e fra -20 e 40 Est, con altitudine minore di 400
m slm e che presentassero almeno il 95% di dati per il periodo di
riferimento (1973-2010).
Metodo: analisi del trend nel % della precipitazione totale annua che
cade in eventi giornalieri <20 mm (deboli), 20÷50 mm (moderati),
50÷100 mm (forti), e >100 mm (estremi) -> schema adottato analogo
a quello di Alpert et al (2002). Trend analizzato con Mann Kendall +
test di Sen.
Alpert P., Ben-gai T., Baharad A., Benjamini Y., Yekutieli D., Colacino M., Diodato L., Ramis C.,
Homar V., Romero R., Michaelides S., Manes A., 2002. The paradoxical increase of
Mediterranean extreme daily rainfall in spite of decrease in total values, Geophys. Res. Lett.,
29, 1536, doi:10.1029/2001GL013554.
Analisi delle precipitazioni estreme in area mediterranea
Andamenti osservati per l'intero bacino (valori medi annui)
Risultati
Sull'intero dataset: trend positivo significativo al 95% per i soli eventi fra 20 e
50 mm/giorno.
Sulla parte ovest del bacino: trend negativo significativo al 90% per i soli
eventi >100 mm/giorno.
Sulla parte est del bacino: trend positivo significativo al 99% per gli eventi fra
50 e 100 mm/giorno; trend positivo significativo al 95% per gli eventi fra 20 e
50 mm/giorno. trend negativo significativo al 99% per gli eventi < 20 mm.
The above-described behaviour of the whole basin and of the western subbasin seems to confute the “paradoxical increase of Mediterranean extreme
daily rainfall” claimed by Alpert et al. 2002.
Analisi delle precipitazioni estreme in Lombardia
Mariani & Parisi, dati non pubblicati
Dati: dati di 30 stazioni lombarde di cui 9 in pianura e 21 di Alpi e
Prealpi per il periodo 1951-2005. Fonte dei dati: Servizio Idrografico progetto RICLIC Warm. Si sono adottate solo le stazioni che
presentavano almeno il 90% dei dati
Metodo: analisi del trend del numero di eventi giornalieri <20 mm
(deboli), 20÷50 mm (moderati), 50÷100 mm (forti), e >100 mm
(estremi) -> le stesse classi adottate da Alpert et al (2002).
Trend analizzato con Mann Kendall + test di Sen.
Analisi delle precipitazioni estreme in Lombardia
MONTAGNA
TUTTE LE SERIE
PIANURA
Analisi delle precipitazioni estreme in Lombardia
Mariani & Parisi, dati non pubblicati
Esempio del problema delle misure
Dai A., Lamb P.J.,
Trenberth K.E., Hulme M.,
Jones P.D., Xie P, 2004.
Comment - the recent
sahel drought is real. Int. J.
Climatol. 24: 1323–1331
Conclusioni
Non sono in condizione di gettare sguardi sul futuro del nostro clima
per gli aspetti legati al ciclo dell'acqua (lo impedisce l'insufficienza della
modellistica previsionale applicata ad un sistema caotico oltremodo
complesso).
Tuttavia applicando il principio dell'attualismo (Hutton, & Lyell, 1830) è
possibile utilizzare il passato come chiave di lettura per il futuro
Fisiologia del clima italiano: In Italia piove in abbondanza, la variabilità
interannuale dei quantitativi è rilevante e il rischio climatico di piogge di
forte intensità è forte su tutto il territorio.
Ne conseguono 4 priorità per l'Italia e più in generale a livello globale:
1. migliorare radicalmente le reti di misura, anche in termini gestionali
2. migliorare i modelli per interpretare i fenomeni
3. migliorare l'efficienza irrigua e limitare l'inquinamento delle falde.
4. potenziare il serbatoio terreno e la capacità delle piante di sfruttarlo
con idonee pratiche agronomiche.
Fine
Il livello marino di 125.000 anni orsono
Antonioli F., e Silenzi S., (2007). Variazioni relative del livello del mare e vulnerabilità delle pianure costiere italiane. Quaderni della Società
Geologica Italiana, 2, 29 pp. (www.socgeol.it/files/download/Quaderni/quaderno2.pdf)
Temperature Olocene - Groenlandia
In alto: air temperature at the summit of the Greenland Ice Sheet, reconstructed by Alley (2000) from GISP2 ice core data
In basso: atmospheric CO2 content, as found from the EPICA Dome C Ice Core in the Antarctic (Monnin et al. 2004).
Temperature globali olocene ricavate operando su 73
provies globali
DATA SOURCE: Shaun A. Marcott et al., 2013. A Reconstruction of Regional and
Global Temperature for the Past 11300 years, Science, 339, 1198, DOI:
10.1126/science 1228026.
Borgogna - date di vendemmia 1490-1880
latest:54(1816)
50
Q90=39.2
date
40
mean=28.4
30
Q10=17.1
20
10
earliest :0.7(1556)
1490
1500
1510
1520
1530
1540
1550
1560
1570
1580
1590
1600
1610
1620
1630
1640
1650
1660
1670
1680
1690
1700
1710
1720
1730
1740
1750
1760
1770
1780
1790
1800
1810
1820
1830
1840
1850
1860
1870
0
(°) da Le Roy Ladurie, 1967. “Tempo di festa, tempo di carestia, storia del clima
dall'anno 1000”, Einaudi.
Accuratezza delle previsioni stagionali
Secondo la previsione stagionale emessa da UK metoffice il 23 marzo,
l'aprile 2012 doveva essere siccitoso. In UK si è rivelato invece il più
piovoso degli ultimi 100 anni.
TEMPERATURE GLOBALI AL SUOLO – composite di 5 dataset di riferimento
I DATI OSSERVATIVI PROVENGONO DA:
HADCRT4 - http://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadcrut4/data/current/download.html
GISS - http://www.giss.nasa.gov/
NCDC http://www.ncdc.noaa.gov/cmb-faq/anomalies.php#anomalies
MSU: http://vortex.nsstc.uah.edu/
Accuratezza delle previsioni climatiche con AOGCM
http://www.climate-lab-book.ac.uk/2013/updated-comparison-of-simulations-and-observations/
I DATI DEI MODELLI PROVENGONO DA: WCRP (World Climate Research Programme) - CMIP5 Coupled Model
Intercomparison Project (http://cmip-pcmdi.llnl.gov/cmip5/)
I DATI OSSERVATIVI PROVENGONO DA:
HADCRT4 - http://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadcrut4/data/current/download.html
GISS - http://www.giss.nasa.gov/
Temperature globali e CO2
I DATI OSSERVATIVI PROVENGONO DA:
HADCRT4 - http://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadcrut4/data/current/download.html
Mauna Loa CO2 data. http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/
Andamento vapore acqueo
(espresso come acqua precipitabile)
DATA SOURCE: The International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP).
Last data: June 2008. Last figure update: 14 June 2009.
Andamento copertura nuvolosa globale
DATA SOURCE: The International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP).
Last data: December 2009. Last figure update: 4 September 2011