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In futuro precipitazioni più intense nella regione Euro-Mediterranea

Secondo i modelli matematici, nella regione Euro-Mediterranea col procedere del surriscaldamento globale in un potenziale scenario ad alte emissioni aumenterà l’intensità delle precipitazioni e la frequenza degli eventi di precipitazioni molto intense.

 

In un lavoro pubblicato sulla rivista Journal of Climate, con alcuni colleghi ho studiato come possono variare gli eventi di precipitazione intensa in un clima più caldo sulla regione Euro-Mediterranea.

La ricerca ha utilizzato i risultati ottenuti da 20 modelli climatici (vedi elenco in appendice in fondo al post) partecipanti al quinto Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5, Meehl  and Bony 2012, Taylor et al. 2012), gli stessi modelli utilizzati nella stesura del quinto Assessment Report (AR5) dell’IPCC.

I cambiamenti associati alle precipitazioni intense sono stati valutati mediante il confronto dei risultati ottenuti durante l’ultimo quarantennio del ventunesimo secolo (2061-2100) e il periodo storico (1966-2005) assumendo come scenario di clima futuro l’RCP8.5 (Representative Concentration Pathway 8.5), Riahi et al. 2011).

L’RCP8.5 é lo scenario peggiore fra quelli valutati dall’IPCC; è un scenario estremo in cui c’è un elevato consumo di combustibili fossili, con un incremento molto elevato di concentrazioni di gas serra in atmosfera. La concentrazione di CO2 che si raggiunge alla fine del ventunesimo secolo e’ circa 940 ppmv, oltre il doppio del valore di concentrazione attuale.

Come misura dell’intensità associata agli eventi di precipitazione più forti, è stata utilizzata la differenza tra il novantanovesimo (99p) e il novantesimo (90p) percentile delle precipitazioni giornaliere. Il 90p (che rappresenta il valore di precipitazione superato solo da 10% dei giorni con piogge maggiori) é utilizzato come soglia per definire un evento di precipitazione intensa, mentre il 99p é invece utilizzato come soglia per definire un evento estremo di precipitazione (c’è solo l’1% dei giorni con pioggia che ha precipitazione più intense). La nuova metrica (99p-90p) é quindi una misura della larghezza della parte destra della distribuzione di probabilità della precipitazione, quella associata cioè agli eventi più intensi. Più il valore di (99p-90p) è elevato, maggiore è la differenza fra la pioggia estrema e la pioggia intensa. Notare che l’utilizzo di 99p-90 fornisce informazioni diverse dal solo valore di 99p e 90p. Anche con una riduzione delle piogge totali e una riduzione delle piogge intense, ci potrebbe essere infatti una valore maggiore delle precipitazione estreme, meglio evidenziato da un aumento del valore della metrica 99p-90p.

La capacità dei modelli di rappresentare gli eventi intensi di pioggia é stata verificata confrontando, nel periodo 1997-2005, la metrica 99p-90p ottenuta dai 20 modelli considerati (si è preso il valore medio dei 20 risultati), con il dato osservativo di precipitazione (dato GPCP, Global Precipitation Climatology Project, Bolvin et al. 2009).

I risultati sono mostrati nella Figura 1.

FIG. 1. Misura della larghezza della coda destra della distribuzione di precipitazione, rappresentata come 99p-90p durante il periodo 1997-2005 nelle osservazioni (pannelli di sinistra) e nei modelli CMIP5 (media su 20 modelli, pannelli di destra). I pannelli superiori sono riferiti all’inverno (djf, da dicembre a febbraio), i pannelli inferiori sono riferiti all’estate (jja, da giugno ad Agosto). L’unità di misura é mm/d.

 

Si nota come i modelli tendono a sottostimare la metrica 99p-90p sia in inverno che in estate nella parte inferiore (sotto i 45N) del dominio Euro-Mediterraneo, mentre tendono a sovrastimare tale metrica nella parte superiore dello stesso dominio, durante l’inverno. Questa difformità (bias in termini tecnici) rispetto alle osservazioni, risulta migliorata se si considerano solo i modelli a risoluzione più alta di 1.5o (quelli in grassetto in Tabella1, in fondo al post). Il risultato ottenuto nella media di insieme dei modelli é comunque sufficientemente simile a quanto rappresentato nelle osservazioni, da renderci confidenti circa la possibilità di trarre informazioni utili dalle simulazioni modellistiche relative agli scenari futuri.

Sono state quindi simulate le variazioni nelle precipitazioni, alla fine del secolo (2061-2100, con lo scenario RCP8.5) rispetto al periodo storico (1966-2005): è stato stimato l’incremento percentuale delle precipitazioni medie, delle precipitazioni intense (90p) e della metrica della quota di precipitazioni estreme (99p-90p).

Per quanto riguarda la precipitazioni totali, i risultati ottenuti (Figura 2, colonna a sinistra) indicano durante l’inverno (a sinistra in alto) un generale aumento della precipitazione media nella parte Nord dell’Europa, e una riduzione nella parte Sud (la latitudine 45N é utilizzata per separare le due zone menzionate).  In estate (a sinistra in basso) la variazione é simile, ma con uno spostamento a Nord della linea di cambiamento di segno.

Le variazioni future delle piogge intense (90p, Figura 2 al centro) seguono quanto descritto per le precipitazioni medie.

L’utilizzo della metrica 99p-90p permette come detto di evidenziare le variazioni nella larghezza della parte destra della distribuzione di precipitazione, specialmente sulle regioni nelle quali sia 90p che 99p aumentano/calano. I pannelli a destra della Figura 2 mostrano infatti che la metrica (99p-90p) cambia in maniera nettamente differente nel futuro rispetto al valore della precipitazione totale e di  quella intensa (90p): alla fine del secolo, 99p-90p aumenta (colore blu in figura 2) su quasi tutto il dominio Euro-Mediterraneo, anche sulle regioni dove la precipitazione media ed il novantesimo percentile mostrano una riduzione netta (colore rosso in figura 2). É questo il caso dell’Europa sotto i 55N durante l’estate, dove la larghezza della parte destra della distribuzione aumenta nonostante in media la regione diventi più secca.


FIG. 2. Variazioni future (2061-2100 – 1966-2005) nella precipitazione media (pannelli di sinistra), 90mo percentile della  precipitazione (90p, pannelli centrali) e  larghezza della coda destra della distribuzione di precipitazione  (99p-90p, pannelli di destra) seguendo lo scenario RCP8.5, come ottenuto mediando i risultati dei modelli CMIP5. I pannelli superiori si riferiscono all’inverno, quelli inferiori all’estate. L’unità di misura é  [%]. Le regini bianche sulla terra indicano regioni con precipitazione stagionale inferiore a 0.5 mm/d.

 

La conclusione è che l’entità degli eventi più estremi sembra crescere, in questo scenario ad alte emissioni, più della precipitazione media sulla gran parte del dominio Euro-Mediterraneo. Questo risultato è confermato da altri studi e ha una solida spiegazione fenomenologica, come sarà spiegato in un successivo post.

 

 

Testo di Enrico Scoccimarro, Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), Bologna e Centro Euro-Mediterraneo sui Cambiamenti Climatici (CMCC), Lecce, Italy

Tratto dall’articolo: Scoccimarro E., S. Gualdi, A. Bellucci, M. Zampieri, A. Navarra: Heavy precipitation events in a warmer climate: results from CMIP5 models. Journal of Climate, DOI: 10.1175/JCLI-D-12-00850.1 (Ottobre 2013)

Per informazioni: enricopuntoscoccimarrochiocciolinabopuntoingvpuntoit

 

Riferimenti bibliografici

-Allan R.P. and Soden, B.J, 2008: Atmospheric Warming and the Amplification of Precipitation Extremes. Science. (321): 1481-1484.

-Allen, M. R., and W. J. Ingram, 2002: Constraints on the future changes in climate and the hydrological cycle. Nature, 419, 224–232.

-Bolvin, D. T., R. F. Adler, G. J. Huffman, E. J. Nelkin, J. P. Poutiainen, 2009: Comparison of GPCP monthly and daily precipitation estimates with high-latitude gauge observations. J. Appl. Meteor. Climatol., 48, 1843-1857.

-Chou, C., J. D. Neelin, C. Chen, and J. Tu, 2009: Evaluating the ‘rich-get-richer’ mechanism in tropical precipitation change under global warming. J. Climate, 22, 1982–2005.

-Giorgi, F., E.-S. Im, E. Coppola, N. S. Diffenbaugh, X. J. Gao, L. Mariotti, Y. Shi, 2011: Higher Hydroclimatic Intensity with Global Warming. J. Climate, 24, 5309–5324.

-Kunkel, K. E., Pielke R. Jr. and Changnon, S. A., 1999: Temporal fluctuations in weather and climate extremes that cause economic and human health impacts: A review. Bull. Am. Met. Soc. 80,1077–1098.

-Meehl, G. A., J. M. Arblaster, and C. Tebaldi, 2005: Understanding future patterns of increased precipitation intensity in climate model simulations. Geophys. Res. Lett., 32, L18719, doi:10.1029/ 2005GL023680.

-Meehl,  G.A. and S. Bony, 2012: Introduction to CMIP5. WCRP Coupled Model Intercomparison Project – Phase 5: Special Issue of the CLIVAR Exchanges Newsletter, No. 56, Vol. 15, No. 2.

-O’Gorman, P.A. & T. Schneider, 2009: The physical basis for increases in precipitation extremes in simulations of 21st-century climate change. Proceedings of theNationalAcademyof Sciences 106, 14773-14777.

- Pall P., Allen M.R., Stone D.A., 2007: Testing the Clausius-Clapeyron constraint on changes in extreme precipitation under CO2 warming. Clim Dyn 28:351–363.

-Riahi K,S Rao, V Krey, C Cho, V Chirkov, G Fischer, G Kindermann,N Nakicenovic, P Rafaj, 2011: RCP 8.5—A scenario of comparatively high greenhouse gas emissions. Climatic Change. 109:33-57. DOI 10.1007/s10584-011-0149-y.

-Taylor, K.E., R.J. Stouffer, G.A. Meehl, 2012: An Overview of CMIP5 and the experiment design.” Bull. Amer. Meteor. Soc., 93, 485-498, doi:10.1175/BAMS-D-11-00094.1.

-Tebaldi C., K. Hayhoe, M.J. ARBLASTER and G. A. MEEHL, 2006: Going to the Extremes. An Intercomparison of Model-Simulated Historical and Future Changes in Extreme Events. Climatic Change 79: 185–211 DOI: 10.1007/s10584-006-9051-4.

-Trenberth, K. E., A. Dai, R. Rasmussen, and D. Parsons, 2003: The changing character of precipitation. Bull. Amer. Meteor. Soc., 84, 1205–1217.

 

 

Tabella 1. Modelli CMIP5 considerati in questo studio. Valori in grassetto indicano risoluzione orizzontale più fine di 1.5o.

 

8 responses so far

8 Responses to “In futuro precipitazioni più intense nella regione Euro-Mediterranea”

  1. Paolo Caston ott 24th 2013 at 09:04

    Ciao
    non ho chiaro perchè l’aumento della differenza P99-P90 indica un aumento dell’intensità: se entrmbi diminuiscono ma P90 diminuisce di più, la diffenza aumenta anche se le piogge sono meno intense nel complesso, no?

  2. enricoon ott 24th 2013 at 11:10

    Ciao,
    e’ proprio come dici,
    ovvero quello che cambia nello scenario futuro analizzato e’ l’ampiezza del range in cui puo’ cadere il valore di pioggia associato agli eventi che entrano nella categoria heavy (>90p): si possono cioe’ allontanare (spostare verso destra) di piu’ dal valore che li definisce tali. La metrica e’ relativa al periodo considerato (presente o futuro), quindi l’allungamento della coda puo’ avvenire anche se, rispetto al clima presente, cala oltre al 90p anche il 99p (come dicevi tu appunto).

  3. [...] Nel precedente post abbiamo visto come nella zona Euro-Mediterranea i modelli utilizzati da numerosi centri di ricerca prevedono in uno scenario ad alte emissioni l’aumento della frequenza e entità degli eventi di precipitazioni molto intense, rappresentate dallo “stiramento” della coda della distribuzione della precipitazione. [...]

  4. Il Principe e il clima « Oggi Scienzaon ott 31st 2013 at 12:28

    [...] Enrico Scoccimarro, ricercatore dell’INGV e del CMCC, spiega da  Climateranti i modelli e le loro proiezioni per quanto e dove pioverà di più sull’area [...]

  5. Paolo Gabriellion nov 4th 2013 at 00:49

    “Il risultato ottenuto nella media di insieme dei modelli é comunque sufficientemente simile a quanto rappresentato nelle osservazioni, da renderci confidenti circa la possibilità di trarre informazioni utili dalle simulazioni modellistiche relative agli scenari futuri”.

    Mi sembra la frase chiave. Tuttavia questa conclusione non e’ evidente a fronte di quanto mostrato in Fig. 1 dove, come evidenziato, esiste una notevole incongruenza tra cio’ che e’ avvenuto e quello che e’ stato ricostruito nel periodo storico in questione.

    Eventi di precipitazione come quelli che hanno interessato recentemente le Cinque Terre hanno mostrato che basta 1 evento estremo per aver un impatto devastante. Ed e’ la simulazione di questa categoria di eventi che darebbe le informazioni piu’ utili. Ma probabilmente siamo ancora lontani, giusto?

  6. enricoon nov 4th 2013 at 09:57

    Si, la caratterizzazione degli eventi estremi, con tempi di ritorno ben oltre (ad esempio 50 anni) quelli presi in considerazione nel lavoro discusso, e’ molto importante e ancora piu’ difficile da ottenere con i modelli alla risoluzione spaziale descritta. Un recente lavoro che abbiamo pubblicato su Geophysical Research Letters (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/grl.50940/abstract) affronta proprio questo argomento, su scala globale: utilizzando gli otto modelli di circolazione generale con la risoluzione piu’ alta (un sottocampione dei 20 utilizzati nel lavoro qui descritto) un’aumento percentuale (oltre al 30% in molte regioni) dei tempi di ritorno a 50 anni e’ atteso sia nella proiezione RCP8.5 al 2020–2059 che nella proiezione al 2060–2099. L’affidabilita’ di tale risultato risulta alta solo alle medie e alte latitudini, alla fine del secolo, anche in Europa soprattutto durante l’inverno boreale.

  7. Paolo Gabriellion nov 5th 2013 at 05:16

    Grazie mille. Modellare eventi estremi mi sembra veramente uno sforzo eroico, decisamente di frontiera. Se possibile avrei ancora due curiosita’ legate allo studio sugli eventi di precipitazione con alti tempi di ritorno.

    1) La distribuzione degli eventi estremi e’ modellata utilizzando la distribuzione di Pareto. Come avviene la scelta del particolare tipo di distribuzione da adottare per modellare questi fenomeni?

    2) Potrebbe aver senso utilizzare un approccio frattale, sulla base degli studi di Mandelbrot, per modellare la distribuzione degli eventi estremi?

  8. Andreaon nov 5th 2013 at 13:03

    La scelta della Generalized Pareto Distribution e’ naturale quando si analizzano i valori estremi sopra una determinata soglia (i.e. peaks over thresholds) ed è giustificata nel contesto della extreme value theory. Infatti si dimostra che se la distribuzione (opportunamente normalizzata) degli eccessi converge verso una distribuzione non degenere, allora quest’ultima appartiene alla famiglia parametrica GPD. Per quanto riguarda l’identificazione della sotto-famiglia (i.e. heavy tail, bounded oppure exponential) si deve stimare il cosiddetto shape parameter.

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