ROMA 23 GIUGNO 2016
COMPORTAMENTI INDIVIDUALI
Cambiamenti tendenze e ciclicità negli eventi climatici estremi: un rebus da risolvere
E RELAZIONI SOCIALI
IN TRASFORMAZIONE
UNA SFIDA PER LA
STATISTICA UFFICIALE
AREA TEMATICA 2. TEMI EMERGENTI
Alma Mater Studiorum
Università di Bologna
TEMI EMERGENTI
23 GIUGNO 2016
11.15 | 12.45
Cambiamenti tendenze e ciclicità negli eventi
climatici estremi: un rebus da risolvere
Alberto Montanari | Università di Bologna
Simon-Micael Papalexiou | Technical University of Athens
[email protected] – www.albertomontanari.it
Presentazione disponibile su www.albertomontanari.it
Alma Mater Studiorum
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AREA TEMATICA 2. TEMI EMERGENTI
Cambiamenti tendenze e ciclicità negli eventi climatici estremi: un rebus da risolvere
Il Rebus
Il cambiamento climatico è argomento di estrema attualità ed
emergenza. Ad esso si attribuisce la responsabilità di scompensi che
impattano la distribuzione a livello globale delle risorse idriche,
nonché le condizioni di rischio idrologico e geologico.
Il cambiamento climatico viene spesso quantificato sulla base di
percezione soggettiva. Sono infatti numerose le testimonianze di
eventi climatici che non hanno precedenti, che a loro volta
generano condizioni di scompenso di cui non si ha memoria
precedente.
Tuttavia, l’implementazione di una efficace strategia di mitigazione
deve necessariamente basarsi su stime quantitative ed oggettive.
Quesito scientifico affrontato nella seguente presentazione:
Il cambiamento climatico è responsabile di variazioni significative nel regime delle
piogge estreme, a loro volta causa di fenomeni di dissesto? Oppure le cause del
dissesto devono essere ricercate in altre ragioni?
Source: http://www.srh.noaa.gov/
Si tratta di un quesito di importanza fondamentale per la mitigazione del rischio
idraulico nel nostro Paese
Presentazione disponibile su www.albertomontanari.it
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Cambiamenti tendenze e ciclicità negli eventi climatici estremi: un rebus da risolvere
Premessa
L’analisi statistica dei dati è ovviamente
l’approccio più indicato, piuttosto che
la percezione soggettiva. Tuttavia i dati
storici disponibili in idrologia e
meteorologia sono scarsi, frammentari,
con copertura non omogenea ed
incerti. Le relative variabili casuali sono
caratterizzate da spiccata variabilità
spazio temporale.
Le piogge estreme responsabili della
maggior parte dei dissesti nel Paese
sono di breve durata, dell’ordine dei
pochi minuti. Sono disponibili pochi
dati a scala temporale così fine.
Presentazione disponibile su www.albertomontanari.it
Metodologia
Analisi condotta a scala globale, su dati di altezza di pioggia
giornaliera. La base dati è quella del Global Historical Climatology
Network-Daily database (versione 2.60,
www.ncdc.noaa.gov/oa/climate/ghcn-daily).
Sono state selezionate le stazioni con contano 5 o più anni di dati,
con flag di qualità inferiore a 1% (il sito web innanzi menzionato
fornisce ulteriori dettagli).
Al fine di selezionare I dati più affidabili, sono stati rimossi tutti I
valori con flag “G” (failed gap check) e “X” (failed bounds check).
Sono state selezionate 68 014 stazioni distribuite su tutto il globo
(vedi mappa pagina seguente). Si tratta della prima analisi di questo
tipo su una base dati di così notevole estensione
Si è voluto identificare test caratterizzati da robustezza e semplicità
di applicazione e comprensione.
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Cambiamenti tendenze e ciclicità negli eventi climatici estremi: un rebus da risolvere
Distribuzione delle stazioni
Le celle sono definite da un
intervallo di latitudine pari a
Δφ = 2.5° ed intervallo di
longitudine Δλ = 5°
Numero di stazioni per cella
Presentazione disponibile su www.albertomontanari.it
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Cambiamenti tendenze e ciclicità negli eventi climatici estremi: un rebus da risolvere
Test 1. Progressione nel tempo del numero
annuale di massimi
•
•
•
In un campione di dati giornalieri di lunghezza pari a N anni sono individuati gli N valori massimi e si conteggia il numero di volte
che si verificano in ogni anno.
L’analisi è ripetuta per tutte le stazioni disponibili e si computa la somma di tutte le occorrenze di valori massimi, per ogni anno e
per tutte le stazioni. Il numero totale di stazioni varia di anno in anno. Poichè il numero atteso di massimi è pari in media ad uno
per anno, si dovrebbe osservare per ogni anno un numero di massimi approssimativamente pari al numero delle stazioni per
quell’anno.
La differenze percentuale (PD) per ogni anno fra il numero osservato di massimi ed il numero di stazioni è raffigurato in un
grafico.
By Brocken Inaglory - Own work,
CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w
/index.php?curid=2133657
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Differenza percentuale del numero atteso di massimi
Test 1. Progressione nel tempo del numero
annuale di eccedenze - Risultati
•
•
•
Per l’emisfero nord(NH) si osserva un trend crescente
nel numero di massimi per anno dal 1900 fino ai
tempi recenti.
Una simile tendenza si v erifica a livello globale.
Nell’emisfero sud non si notano evidenti tendenze.
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Cambiamenti tendenze e ciclicità negli eventi climatici estremi: un rebus da risolvere
Test 2. Progressione nel tempo del numero di
eccedenze in finestre temporali di 30 anni
•
In un campione di dati giornalieri di lunghezza pari a N anni sono individuati gli N valori massimi e si conteggia il numero medio di
massimi in tutte le stazioni all’interno di una finestra temporale mobile di estensione trentennale, ottenendo quindi per ogni
stazione la serie temporale nj dove j indica l’anno iniziale di ogni periodo trentennale. n indica invece il numero di massimi nello
stesso periodo. Se il processo stocastico è stazionario nj dovrebbe essere uguale approssimativamente a 30, poichè ci attendiamo
il verificarsi di circa un evento per ogni anno. Infine viene computato il valore medio di nj fra tutte le stazioni disponibili.
Source: United States Air Force, VIRIN 040304-F-0000S-002
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Test 2. Progressione
nel tempo del numero
di eccedenze in
finestre temporali di
30 anni - Risultati
•
•
•
Nell’emisfero nord(NH) si nota un trend crescente e la stessa
tendenza è rinvenuta a livello globale.
Nell’emisfero sud (SH), ancora una volta, non si notano
tendenze significative.
Si notano, tuttavia, ciclicità che erano pure emerse nel test 1,
sia pure con minore evidenza. L’aggregazione dei dati su
finestre temporali più ampie rende le ciclicità più evidenti
Numero medio di massimi
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Cambiamenti tendenze e ciclicità negli eventi climatici estremi: un rebus da risolvere
Test 3. Progressione nel tempo della tendenza
degli estremi
Anno
Numero di finestre temporali
•
•
In una serie di precipitazioni giornaliere di durata N anni si identificano gli N estremi maggiori (nell’esempio della figura di sinistra
sottostante sono indicati con punti rossi). Successivamente si stima una retta regressione sugli estremi così individuati . L’operazione
viene ripetuta per ognuna delle serie trentennali disponibili in ogni stazione (alcune delle rette di regressione sono visualizzate nella
figura di sinistra).
L’analisi è ripetuta per tutte le stazioni con almeno 30 anni di dati, ovvero un numero di stazioni pari a 25,296. La figura di destra
mostra il numero delle stazioni per ogni periodo trentannale che inizia dopo l’anno 1901.
Successivamente si calcola la percentuale di stazioni le cui rette di regressione hanno pendenza positiva.
Pioggia giornaliera (mm)
•
Anno iniziale delle finestre temporali considerate
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Tendenza crescente retta di regressione (%)
Tendenza crescente retta di
regressione (%)
Test 3. Progressione nel tempo della tendenza
degli estremi - Risultati
Anno iniziale delle finestre temporali
•Per l’emisfero nord (NH) dal 1965 si osserva una rapida
crescita della percentuale di stazioni con tendenza
crescente. Si nota però la presenza di ciclicità. Lo stesso
andamento si osserva a livello globale.
•Per l’emisfero sud (SH) non si osservano tendenze
significative.
Anno iniziale delle finestre temporali
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Cambiamenti tendenze e ciclicità negli eventi climatici estremi: un rebus da risolvere
Ciclicità nelle serie meteoclimatiche
Il caso della serie di Padova
•
La serie temporale di altezze di precipitazione giornaliera più estesa al mondo è quella di Padova: le osservazioni sono disponibili
dal 1725 (Camuffo, 1984). I dati del periodo 1725-2006 sono stati recentemente analizzati da Marani e Zanetti (2015), i quali
hanno rivenuto ciclicità di periodo variabile.
Referenze
Marani, M., and S. Zanetti (2015), Long-term oscillations in rainfall extremes in a 268 year daily time series, Water Resour. Res., 51, 639–647,
doi:10.1002/2014WR015885.
Camuffo, D. (1984), Analysis of the series of precipitation at Padova, Italy, Clim. Change, 6, 57–77.
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Ciclicità nelle serie meteoclimatiche
•
Ciclicità simili sono state osservate anche in numerose serie di deflussi fluviali, nonché altre serie temporali di natura geofisica (si
veda https://en.wikipedia.org/wiki/Climate_oscillation).
Evoluzione della concentrazione di isotopi di ossigeno in fossili durante il
Fanerozoico (dal tempo presente fino a 540 milioni di anni or sono. Si veda
Veizer et al., 1999). La figura è stata successivamente aggiornata on-line nel
2004. L’andamento della concentrazione di isotopi è rappresentativo
dell’andamento della temperatura.
• Le ciclicità possono essere associate a fenomeni di persistenza a lungo
termine, detta anche memoria lunga. Ad essa corrisponde il decadimento
secondo una legge di potenza della funzione di autocorrelazione dei dati.
• In idrologia la persistenza a lungo termine viene anche chiamata “Effetto di
Hurst”, per onorare l’ingegnere inglese Harold Edwin Hurst che per primo
riscontrò questo fenomeno analizzando I deflussi del Fiume Nilo.
Harol Edwin Hurst
(1880-1978)
Veizer, J., Ala, D., Azmy, K., Bruckschen, P., Buhl, D., Bruhn, F., Carden, G.A.F., Diener, A., Ebneth, S.,
Godderis, Y., Jasper, T., Korte, C., Pawellek, F., Podlaha, O. and Strauss, H. (1999) 87Sr/86Sr, d13C and
d18O evolution of Phanerozoic seawater. Chemical Geology 161, 59-88.
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Ciclicità nelle serie meteoclimatiche
•
•
•
•
La presenza di fenomeni di persistenza a lungo termine implica, appunto, una predisposizione del processo ad esibire cicli di
periodicità variabile. Koutsoyiannis e Montanari (2007) hanno infatti associato alla persistenza a lungo termine fluttuazioni su scale
temporali multiple.
I fenomeni di persistenza a lungo termine sono spesso ignorati dalla letteratura specializzata in fenomeni climatici, la quale spesso
asserisce che questi ultimi possono essere ben rappresentati da processi di tipo Markoviano. Infatti, la persistenza a lungo termine
non è riprodotta dai modelli climatici.
La presenza di persistenza a lungo termine origina quindi il dubbio che le fluttuazioni climatiche possano essere dovute ad un ciclo
locale, di durata a noi ignota, piuttosto che a derive irreversibili.
Il dibattito sulle possibili origini dei cambiamenti climatici non impatta sulla necessità di strategie di mitigazione degli impatti
avversi, che devono tuttavia essere progettate tenendo in dovuta considerazione le nostre conoscenze scientifiche, ancora
limitate, sul clima. E’ unanimemente riconosciuto che la mitigazione debba essere perseguita con strategie di tipo no-regret.
Queste devono essere messe a punto considerando adeguatamente lo stato dell’arte in merito alla persistenza a lungo termine del
clima.
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Conclusioni
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L’analisi di serie di pioggia giornaliera a scala globale sembra confermare una recente tendenza ad un aumento della frequenza
degli estremi.
Ulteriori analisi indicano che la tendenza è originata dall’incremento dei giorni piovosi, piuttosto che da variazioni nella
distribuzione di probabilità dei valori di pioggia.
Resta tuttavia incognito se detta tendenza sia da ascrivere a fluttuazioni cicliche, piuttosto che a cambiamenti irreversibili.
Per arricchire lo stato attuale della conoscenza è indispensabile intensificare il monitoraggio. Abbiamo ancora pochissimi dati
disponibili di piogge a scala temporale fine. E’ necessario sensibilizzare le autorità e gli enti in merito all’importanza dei dati.
Arricchire la conoscenza è un prerequisito indispensabile per la pianificazione di strategie di mitigazione dei cambiamenti
climatici, e quindi per la riduzione del rischio idrologico e geologico nel Paese.
I dati devono essere “open”. Solo la condivisione dell’informazione può permetterci un cambio di passo.
L’approccio interdisciplinare è indispensabile, ancorchè difficile. E’ giunto il tempo di accantonare la competizione fra discipline in
favore della cooperazione.
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Cambiamenti tendenze e ciclicità negli eventi climatici estremi: un rebus da risolvere
Grazie infinite!!
Con Stephen Hurst, il figlio di
Harold Edwin Hurst, nel 2013
Presentazione disponibile su www.albertomontanari.it
Suggerimenti a [email protected]
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