relazione tecnica progetto “tempio” - Cra-Cma

PROGETTO “TEMPIO”
PREVISIONI MENSILI DI TEMPERATURA E PRECIPITAZIONI A
SUPPORTO DELLA PIANIFICAZIONE DELL’ATTIVITÀ AGRICOLA
Linea di ricerca
Individuazione delle anomalie climatiche di
temperatura e pioggia in Italia finalizzate alle
previsioni a scala temporale mensile
Unità Operativa: CRA-CMA - Consiglio per la Ricerca e la Sperimentazione in Agricoltura Unità di ricerca per la climatologia e la meteorologia applicate all’agricoltura (ex CRA-UCEA)
Via del Caravita 7 a – 00186 Roma T. 06 695311, F. 06 69531215,
[email protected] www.cra-cma.it
Responsabile della ricerca: Stanislao Esposito [email protected]
Collaboratori: Edmondo Di Giuseppe, Maria Carmen Beltrano, Sara Giavante, Sara Quaresima
RELAZIONE TECNICO-SCIENTIFICA FINALE
Unità di ricerca per la climatologia e la meteorologia applicate all’agricoltura
Sommario
Introduzione ......................................................................................................................................... 3
1. I dati di base utilizzati ....................................................... Errore. Il segnalibro non è definito.
2. Sintesi dei risultati ottenuti nel corso del 1° anno di attività ........... Errore. Il segnalibro non è
definito.
2.1. La base climatica di riferimento per la definizione delle anomalie climatiche ...... Errore. Il
segnalibro non è definito.
2.2 Le anomalie mensili di precipitazione e temperatura . Errore. Il segnalibro non è definito.
2.3 Le ondate di calore, i periodi freddi e le sequenze di giorni di gelo ..... Errore. Il segnalibro
non è definito.
3. Suddivisione del territorio italiano in aree climatiche omogenee .... Errore. Il segnalibro non è
definito.
3.1. Metodologia ................................................................ Errore. Il segnalibro non è definito.
3.1.1
Sintesi delle informazioni relative a ciascuna stazione tramite la Principal
Component Analysis (PCA) .............................................. Errore. Il segnalibro non è definito.
3.1.2
Raggruppamento delle stazioni tramite la Cluster Analysis (CA)................. Errore. Il
segnalibro non è definito.
3.2. Lla classificazione climatica del territorio italiano ..... Errore. Il segnalibro non è definito.
3.2.1
Zonizzazione secondo il parametro della temperatura ..... Errore. Il segnalibro non è
definito.
3.2.2
Zonizzazione secondo i fenomeni estremi di temperatura (ondate di caldo) Errore. Il
segnalibro non è definito.
3.2.3
Zonizzazione secondo il parametro della precipitazione . Errore. Il segnalibro non è
definito.
4. Analisi del trend e delle discontinuità delle medie annuali e trimestrali di temperatura e
precipitazione in Italia ............................................................... Errore. Il segnalibro non è definito.
4.1 Metodologia applicata per l’analisi del trend ............. Errore. Il segnalibro non è definito.
4.2 Metodologia applicata per l’analisi di breakpoints ..... Errore. Il segnalibro non è definito.
4.3 Risultati relativi all’individuazione dei breakpoints dal 1961 al 2007 sulle serie storiche
annuali e stagionali dell’area Italia (aggregazione) .............. Errore. Il segnalibro non è definito.
4.4 Risultati relativi all’individuazione dei breakpoints dal 1961 al 2007 sulle serie storiche
annuali e stagionali delle singole stazioni (patterns) ............ Errore. Il segnalibro non è definito.
5. I periodi secchi .................................................................. Errore. Il segnalibro non è definito.
5.1. Metodologia di calcolo per le sequenze di giorni con precipitazione nulla............ Errore. Il
segnalibro non è definito.
5.2. Risultati relativi all’individuazione dei periodi secchi dal 1961 al 2007 in Italia e nelle 6
macro aree climatiche ........................................................... Errore. Il segnalibro non è definito.
5.2.1
Analisi climatica dei periodi secchi nel semestre ottobre-marzo Errore. Il segnalibro
non è definito.
6. Analisi delle interrelazioni tra ondate di caldo e regimi climatici (Canonical Correlation
analysis) .................................................................................... Errore. Il segnalibro non è definito.
6.1. Matrici di input per l’applicazione del metodo CCA.. Errore. Il segnalibro non è definito.
8. Messa a punto del sistema pre-operativo di previsione .... Errore. Il segnalibro non è definito.
9. Conclusioni .................................................................................................................................. 6
Bibliografia .......................................................................................................................................... 7
2
Unità di ricerca per la climatologia e la meteorologia applicate all’agricoltura
Introduzione
La presente ricerca si inserisce nel quadro di un completamento del sistema operativo di previsioni
agrometeorologiche a breve termine (fino a 6 giorni) già in uso presso il CRA-CMA (ex UCEA) e
disponibili su web (www.cra-cma.it e www.politicheagricole.it), con la ricerca, sperimentazione e
possibile integrazione di nuovi strumenti e output di previsioni climatiche a lungo termine (1-3
mesi) e ad alta risoluzione a supporto dell’attività agricola.
Gli obiettivi dell’UO CRA-CMA nell’ambito del progetto TEMPIO sono rappresentati
essenzialmente dall’individuazione temporale e spaziale di eventi anomali legati alle variabili di
temperatura e precipitazione, dall’analisi climatica del territorio italiano realizzata sulla base di
fenomeni climatici, quali, in particolare, ondate di calore, di freddo e periodi siccitosi ed infine dalla
messa a punto del sistema pre-operativo di fornitura delle previsioni mensili.
In particolare, gli obiettivi che questa UO si era proposta di raggiungere nel corso del progetto
possono essere riassunti nel modo che segue:
•
•
•
studiare l’evoluzione, la variabilità e la distribuzione statistica di alcuni aspetti del clima
a livello nazionale negli ultimi 50 anni con riferimento a ondate di calore e periodi
siccitosi nella stagione calda, a ondate di freddo e giorni con gelo nella stagione fredda;
valutare le previsioni mensili delle anomalie di temperatura e precipitazioni tramite i dati
osservati al suolo, con lo scopo di validare i risultati del modello messo a punto in
TEMPIO;
adattare ed implementare le previsioni ad un livello sub-areale del territorio nazionale e
su una scala temporale da 1 a 3 mesi, da diffondere tramite web.
Al termine del 1° anno di lavoro, l’ UO CRA-CMA aveva raggiunto la maggior parte degli obiettivi
che erano stati prefissati nel programma progettuale, vale a dire:
1. acquisizione, verifica e validazione delle serie storiche di dati estratti dall’archivio della
Banca Dati Agrometeorologica Nazionale (BDAN) e realizzazione di un rchivio
specifico per il Progetto Tempio;
2. analisi delle distribuzioni territoriali, della variabilità e delle tendenze delle medie
mensili della temperatura minima, massima e media e della precipitazione cumulata
mensile;
3. individuazione delle anomalie mensili di temperatura e precipitazione;
4. analisi delle distribuzioni territoriali, della variabilità e delle tendenze dei fenomeni di
ondate di calore, ondate di freddo, numero di giorni con gelo, periodi secchi.
Le variazioni apportate rispetto al programma sopra elencato hanno riguardato sostanzialmente due
tematiche: le analisi relative alla temperatura (punto 3) e le analisi relative ai periodi secchi (punto
4). Per quanto riguarda la prima tematica, l’analisi della variabilità, della tendenza e della
distribuzione territoriale della media mensile della temperatura media era stata inserita tra gli
Relazione Finale - Progetto TEMPIO
Unità di ricerca per la climatologia e la meteorologia applicate all’agricoltura
obiettivi in quanto funzionale alla verifica di congruità tra dati da stazione e dati di Rianalisi 1. Tale
verifica è stata effettuata in corso d’opera tramite il confronto dei dati di Rianalisi con la tendenza e
la variabilità dei parametri di temperatura minima e temperatura massima. Il confronto così definito
è stato sufficiente per l’individuazione dei limiti geografici cui far riferimento per l’utilizzo dei dati
di Rianalisi nei modelli di previsione (cfr. cap. 3). Per quanto riguarda lo studio delle sequenze di
giorni secchi, invece, l’ UO CRA-CMA ha portato a termine quanto previsto nel corso del secondo
anno. La decisione di far slittare il piano di attività in corso d’opera ha fatto seguito alla presenza di
significative lacune di dati nelle serie storiche di alcune stazioni a terra, particolarmente di quelle
degli Osservatori appartenenti alla rete tradizionale CRA-CMA (ex UCEA), che utilizzano
strumentazione meccanica e i cui dati sono registrati su schede cartacee successivamente
digitalizzati 2. Tali lacune sono state colmate previo reinserimento dei dati dalle schede cartacee, per
cui si è deciso di rimandare l’analisi prevedendo l’aggiornamento dell’intero dataset con
l’inserimento anche dei dati relativi all’anno 2007.
In sintesi, il lavoro svolto nel 1° anno di attività del progetto, come detto, ha riguardato
sostanzialmente la definizione e l’individuazione di eventi di precipitazione e temperatura
straordinari per intensità e durata, verificatesi nel periodo 1961-2007. Tale obiettivo è stato
perseguito affrontando preliminarmente la questione, tra l’altro, della base di riferimento da
utilizzare a fini della catalogazione degli eventi individuabili come anomali rispetto ad un livello
climatico tipo. L’analisi effettuata a questo riguardo ha consentito di trarre anche alcune
considerazioni sommarie relativamente al tema dei cambiamenti climatici. In secondo luogo, sono
stati calcolati gli scarti mensili dai valori climatici tipo col duplice fine di verificare, da un lato,
l’allineamento dei dati di Rianalisi con i dati a terra relativamente agli eventi più estremi ed alla
variabilità del fenomeno e, dall’altro, di determinare periodi particolarmente interessanti dal punto
di vista dell’eccezionalità per poter mettere in relazione i fenomeni atmosferici a grande scala con le
manifestazioni a livello di superficie terrestre derivate dal realizzarsi di tali fenomeni. La terza ed
ultima fase ha riguardato, invece, l’analisi più specifica delle ondate di caldo e di freddo, per lo
studio delle quali è stato necessario utilizzare la temperatura a scala giornaliera. Infatti, le ondate di
calore e le ondate di freddo sono caratterizzate rispettivamente dalla persistenza di una temperatura
massima ovvero di una temperatura minima al di sopra e al di sotto di un valore soglia pari al 90° e
al 10° percentile per almeno 6 giorni consecutivi (Klein Tank and Konnen, 2003). Anche in questo
caso, l’individuazione temporale di questi fenomeni ha consentito di evidenziare una connessione
tra le manifestazioni a livello di superficie terrestre secondo le macro aree individuate e le
interrelazioni a livello oceanico-atmosferico dalle quali potrebbero essere generati (Baldi et al.,
2006). I periodi di freddo, inoltre, sono stati analizzati anche per valori di soglia inferiori a 0 °C,
determinando in tal maniera uno studio specifico sui giorni di gelo, la cui conoscenza, tra l’altro, è
molto significativa per la pianificazione e la salvaguardia delle attività agricole. Le analisi relative
agli scarti mensili, alle ondate di caldo e di freddo ed ai giorni di gelo sono state ripetute includendo
gli avvenimenti verificatisi nell’anno 2007 e sono state corredate anche da valutazioni descrittive di
carattere statistico, come, ad esempio, il numero di giorni al di sopra ovvero al di sotto delle soglie,
gli anni che hanno registrato un maggior numero di eventi, etc.
1
Si tratta di campi ricostruiti a partire da un modello globale forzato con i dati osservati (stazioni a terra, profili
verticali, campi stimati da satellite). Le tecniche fisico-statistiche adottate consentono di produrre serie storiche di dati
su un grigliato regolare con risoluzione 0.5°X0.5°, temporalmente e spazialmente omogenee. In particolare, in questo
progetto, relativamente all’analisi delle anomalie mensili, sono stati utilizzati i dataset di Rianalisi globali dell’
NCEP/NCAR Reanalisys 1.
2
Nel caso specifico, le lacune a cui si fa riferimento riguardano eventi giornalieri in cui non si è verificata
precipitazione e che sono stati registrati come dati mancanti anziché come dato con valore di precipitazione pari a “0”.
Questa puntualizzazione si rende necessaria alla luce del fatto che le stesse serie storiche sono state utilizzate per
l’analisi delle precipitazioni mensili, nel qual caso i dati mancanti non hanno influito sul risultato finale così come
sarebbe accaduto valutando sequenze di giorni consecutivi senza precipitazione (periodi secchi).
Relazione Finale - Progetto TEMPIO
Unità di ricerca per la climatologia e la meteorologia applicate all’agricoltura
Il lavoro relativo al 2° anno di attività del progetto ha riguardato:
a) lo studio per la suddivisione del territorio italiano in aree climatiche omogenee
secondo il carattere di variabilità spaziale dei parametri di temperatura e precipitazione ed
ha prodotto come risultato 4 mappe climatiche con l’individuazione di un numero di aree
omogenee così come brevemente descritto di seguito:
- Temperatura: 7 macro aree
- Ondate di caldo: 9 aree
- Precipitazione autunnale-invernale: 9 aree
- Precipitazione primaverile-estiva: 6 aree;
b) l’analisi del trend delle medie mensili e trimestrali di temperatura e precipitazione
relative a ciascuna area:
- verifica statistica della presenza di trend (Mann-Kendall, test non parametrico)
- analisi di break-points per la determinazione di anni di rottura tra periodi caratterizzati
da livelli medi differenti;
c) l’individuazione delle sequenze di giorni secchi (≤ 5 mm/giorno) relative alle singole
stazioni e alle macro aree individuate in precedenza e analisi climatica dei periodi secchi
su ciascuna area;
d) l’analisi delle interrelazioni tra ondate di caldo e regimi climatici (Canonical
Correlation analysis) finalizzata alla comprensione dei sistemi atmosferici prevalenti
nell’arco di un periodo stagionale. Il metodo applicato consiste nell’ individuare una
relazione di tipo lineare tra un’anomalia termica stagionale e le cosiddette weather type
classification, vale a dire un catalogo dei tipi di tempo registrati giornalmente nel periodo
in questione. Tale relazione consente di definire il regime atmosferico prevalente che
possa aver determinato l’anomalia stagionale oggetto di studio. Il risultato ottenibile da
questo metodo di analisi si colloca ad un livello intermedio tra modello di previsione a
grande scala e analisi climatica territoriale ed è, a tutt’oggi, in fase di determinazione;
e) la messa a punto del sistema pre-operativo di previsione disponibile sperimentalmente
su web (http://www.cra-cma.it/tempio).
La presente relazione è articolata secondo otto capitoli in modo tale da fornire un quadro delle
attività complessivamente svolte da questa UO in Tempio. Il Cap. 1 ed il Cap. 2 contengono
rispettivamente il riferimento ai dati utilizzati per lo sviluppo delle elaborazioni ed alcuni cenni dei
risultati ottenuti nel primo anno di attività. Il Cap. 3 tratta dello studio per la suddivisione del
territorio italiano in aree climatiche omogenee, mentre nel Cap. 4 si fa riferimento allo studio del
trend delle medie annuali e trimestrali di temperatura e precipitazione e nel Cap. 5 all’analisi dei
periodi secchi.
Inoltre, tenendo conto che alcune di queste sono in stretta connessione con le attività dell’altra UO
CNR-Ibimet, per il Cap. 6 si riportano degli accenni rimandando ulteriori approfondimenti alla
relazione dell’altra UO CNR-Ibimet.
Infine, il Cap. 8 contiene una descrizione del sito web realizzato nell’ambito del Progetto Tempio,
ivi inclusi i risultati più significativi, mentre il Cap. 9 riporta le conclusioni finali.
Relazione Finale - Progetto TEMPIO
Unità di ricerca per la climatologia e la meteorologia applicate all’agricoltura
8. Conclusioni
Posto che il fine ultimo di TEMPIO era lo sviluppo e la messa a punto di un modello atmosferico di
previsione meteorologica stagionale ai fini della ottimizzazione organizzativa delle attività agricole
con prodotti da diffondere sul sito web del CRA-CMA (ex UCEA) e MIPAAF, in sintesi i risultati
applicativi ottenuti dalla presente ricerca sono stati:
1)
2)
3)
4)
disponibilità di serie storiche di dati termometrici e pluviometrici integrate nella BDAN;
tabelle e grafici relativi al territorio nazionale riguardanti le anomalie mensili, stagionali di
precipitazione e temperatura minima e massima, e gli aspetti inerenti la variabilità e la
tendenza di tali anomalie;
classificazione del territorio agricolo nazionale in aree sottoposte, per determinati periodi, a
fenomeni critici quali ondate di calore ovvero di periodi particolarmente siccitosi;
produzione di previsioni climatiche (mensili e stagionali) in un formato ritagliato per
successive analisi di sostenibilità delle colture dal punto di vista della resa media, del
rischio e costi produttivi, della disponibilità delle risorse idriche e della difesa fitosanitaria
su web.
L’attività di verifica dei risultati del modello di previsione stagionale ed il confronto con altri
modelli di previsione stagionale è stata svolta in collaborazione con l’UO CNR-Ibimet e si può fare
riferimento alla relazione scientifica dell’altra UO.
Relazione Finale - Progetto TEMPIO
Unità di ricerca per la climatologia e la meteorologia applicate all’agricoltura
Bibliografia
Bai J., Perron P., 2003: “Computation and Analysis of Multiple Structural Change Models”,
Journal of Applied Econometrics, 18, 1-22.
Baldi M., Dalu G., Maracchi G., Pasqui M, Cesarone F., 2006: “Heat waves in the
mediterranean: a local feature or a larger-scale effect?”, Int. J. Climatol. 26: 1477–1487.
Barnston A.G. and Livezey R.E., 1987: “Classification, seasonality and persistence of low
frequency atmospheric circulation patterns”, Monthly Weather Review, 115, pp 1825-1850.
Beltrano M.C., Lucarelli P., 2006: “Quality control and Italian Agrometeorological Network
(RAN) management”, http://web.meteo.pt/resources/im/pdfs/publicacoes/iceaws/ORAL/36_Oral.pdf
Brunetti M, M. Maugeri, F. Monti, T. Nanni, 2006 (a): “Temperature and precipitation
variability in Italy in the last two centuries from homogenized instrumental time series”, Int. J.
Climatol. 26: 345–381.
Brunetti M, M. Maugeri, T. Nanni, 2006 (b): “Trends of the daily intensity of precipitation in
Italy and teleconnections”, Il Nuovo Cimento, Vol. 29 C, N. 1, pp. 105–116.
Chatfield C. and Collins A.J., 1980: "Introduction to Multivariate Analysis", Chapman \& Hall,
London.
Chiaudani A., Borin M., Berti A., Mariani L., 2008: “Due metodi di analisi di discontinuità a
confronto: piecewise e strucchange in funzione agroclimatica”, 11° Convegno nazionale di
Agrometeorologia - AIAM S. Michele all’Adige (TN) 10 - 12 giugno 2008.
Chiaudani A., Mariani L., 2007: “Alcune valutazioni in chiave agrometeorologica con particolare
riferimento al Veneto”, http://agriregionieuropa.univpm.it/dettart.php?id_articolo=225, Anno 3,
n. 9.
Degaetano A.T., 1996: "Delineation of Mesoscale Climate Zones in the Northeastern United States
Using a Novel Approach to Cluster Analysis"; J. Climate, 9, pp. 1765-1782.
Hipel K.W., McLeod A.I., 2005: “Time Series Modelling of Water Resources and Environmental
Systems”,
Electronic
reprint
of
book
originally
published
in
1994,
http://www.stats.uwo.ca/faculty/aim/1994Book/
Kalkstein L.S., Tan G., Skindlov J.A., 1987: "An Evaluation of Three Clustering Procedures for
Use in Synoptic Climatological Classification"; J. Appl. Meteor., 26, pp. 717-730.
Kaufman L, Rousseeuw PJ. 1990: “Finding Groups in Data. An Introduction to Cluster Analysis.”
John Wiley & Sons: New York.
Klein Tank A. M. G., Konnen G. P., 2003: “Trends in indices of daily temperature and
precipitation extremes in Europe 1946-99”, Journal of Climate 16, pp. 3665-3680.
Mann H.B., 1945: “Nonparametric tests against trend”, Econometrica, 13,245-259.
Mann H. B., Whitney D. R., 1947: “On a test of whether one of two random variables is
stochastically larger than the other”, Annals of Mathematical Statistics, Vol. 18, pp. 50-60
Mennella C., 1973: “Il clima d’Italia”, F.lli Conte Editori – Napoli.
R Development Core Team, 2004: A language and environment for statistical computing, R
Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria, ISBN 3-900051-00-3\\
http://www.R-project.org
Rial J.A., Pielke R., Beniston M., Claussen M., Canadell J., Cox P., Held H., Noblet-Ducoudré
N., Prinn R., Reynolds F., Salas J., 2004: “Nonlinearities, feedbacks and critical thresholds
within the earth’s climate system”, Climatic Change, 65, 11–38.
Rousseeuw P.J., 1987: “Silhouettes: a graphical aid to the interpretation and validation of cluster
analysis”. Journal of Computational and Applied Mathematics, 20, 53-65.
Seidel J., Lanzante R., 2004: “An assessment of three alternative to linear trends for characterizing
global atmospheric temperature changes”, Journal of Geophysical Research, Vol.109, 1-10.
Soliani L. (con la collaborazione di Sartore F. e Siri E.), 2005: “Statistica univariata e bivariata
parametrica e non parametrica per le discipline ambientali”, http://www.dsa.unipr.it/soliani/soliani.html
Relazione Finale - Progetto TEMPIO
Unità di ricerca per la climatologia e la meteorologia applicate all’agricoltura
Toreti A., Desiato F., 2007:“Temperature trend over Italy from 1961 to 2004”, Theoretical and
Applied Climatology, 0177-798X, 1434-4483 (online).
Toreti A., Fioravanti G., Perconti W. and Desiato F., 2009: `Annual and seasonal precipitation
over Italy from 1961 to 2006', Int. J. Climatol., Published online in Wiley InterScience
(www.interscience.wiley.com) DOI: 10.1002/joc.1840.
Zeileis A., Kleiber C., Krämer W., Hornik K., 2003: “Testing and dating of structural changes in
practice”, Computational Statistics and Data Analysis, 44, 109-123.
2
Yates F., 1934:“Contingency tables involving small numbers and the test χ ”, Journal of the
Royal Statistical Society, Suppl. 1, pp. 217-235.
Welch B. L., 1938: “The Significance of the Difference between two Means when the population
Variances are unequal”, Biometrika, 29, 1938
Werner P.C., Gerstengarbe F.W., Fraederich K., Oesterle K., 2000: “Recent climate in the
North Atlantic/European sector”, International Journal of Climatology, Vol.20, Issue 5, 2000, 463471
WMO, 1984: “Technical regulations”, Publication N.49, Vol. I, Geneva, CH.
WMO, 1989: “Calculation of Monthly and Annual 30-Year Standard Normals”, WCDP-n.10,
WMO-TD/N.341, Geneva, CH.
WMO, 2007: A warm autumn and winter in Europe. WMO MeteoWord, N.1, February 2007,
Geneva, CH .
Relazione Finale - Progetto TEMPIO