Commessa n Istituto referente: Istituti Partecipanti: ISAC IIA

Transcript

1 Commessa n 2.01 Istituto referente: Responsabile (proposto) ISAC Istituti Partecipanti: ISAC IIA Antonello Provenzale (a.provenzale@isac.cnr.it) 1 Titolo Progetto: Cambiamenti globali Titolo Commessa: Cambiamenti climatici: Climatologia dinamica 2 Sommario La Commessa Climatologia dinamica è dedicata allo studio dei processi di base della dinamica e della variabilità del clima, con lo scopo di sviluppare migliori parametrizzazioni dei processi climatici non risolti dai modelli di circolazione generale (meccanismi di trasporto, convezione atmosferica intensa), di implementare tecniche di analisi dati non lineari (ricostruzioni dinamiche, reti neurali, analisi di regimi spazio-temporali) adatte al trattamento di dati climatici e paleoclimatici ed alla stima della predicibilità della variabilità climatica, e di sviluppare metodologie statistiche e dinamiche per valutare gli impatti della variabilità climatica a scala regionale (regime delle precipitazioni, risposta dei ghiacciai alpini, risposta degli ecosistemi naturali e antropizzati, regime dei venti e produzione di energia eolica). Molte di queste attività sono finanziate da progetti di ricerca nazionali (ENEA-MIUR, finanziamenti regionali, PNRC-CLIMESCO, PNRA) ed internazionali (progetti EU: AMMA, SEDEMED, WindEng). Se verranno reperite le risorse necessarie, questa Commessa si porrà anche l obiettivo di contribuire allo sviluppo di modelli a complessità intermedia del Sistema Terra per la simulazione di processi paleoclimatici, in collaborazione con altri enti nazionali ed europei. 3 Giustificazione della Commessa rispetto agli obiettivi del Progetto. La determinazione della variabilità climatica e la stima della predicibilità dei cambiamenti globali richiedono una comprensione approfondita dei meccanismi di base che ne sono responsabili. Questa deve accompagnare gli studi di simulazione di scenari di cambiamento climatico e l analisi dei dati misurati, per fornire migliori parametrizzazioni dei processi non direttamente risolti dai modelli, permettere un ottimale interpretazione dei dati, e suggerire nuove misure sperimentali. Parallelamente, la valutazione dei grandi cambiamenti climatici globali e degli eventi di variabilità climatica repentina richiedono l uso di modelli semplificati della variabilità climatica, da integrare su scale di tempo lunghe e sotto condizioni diverse per permettere la valutazione dei diversi possibili cambiamenti globali. Per rispondere a queste esigenze, il modulo Climatologia dinamica di questa commessa è volto all approfondimento delle competenze sui processi climatici di base e sulla loro predicibilità e parametrizzazione, alla caratterizzazione della variabilità climatica in regioni di particolare rilevanza ed alla costruzione di una gerarchia di modelli dinamici a diversi gradi di complessità per la valutazione dei cambiamenti globali del Sistema Terra. Il modulo Modelli a rete neurale per lo studio dei cambiamenti climatici è dedicato allo sviluppo ed utilizzo di una metodica per l'analisi diagnostica del clima come sistema complesso e per lo studio della predicibilità presente e futura del sistema clima, nonché come strumento per il downscaling di modelli climatici globali. Le attività della Commessa sono svolte nell ambito di progetti nazionali (MIUR, PNRA, PNRC) e internazionali (EU) di durata pluriennale, sostenuti dalle Istituzioni preposte alla sorveglianza del clima terrestre (UE, WMO, WCRP, EGU). 4 Obiettivi Obiettivi primari di questa Commessa sono la comprensione e parametrizzazione dei meccanismi di base della dinamica del clima, lo sviluppo ed implementazione di metodi di analisi dati quali reti neurali, ricostruzioni dinamiche e metodi non lineari, e la valutazione degli impatti della variabilità climatica a scala regionale. Questa commessa si pone anche l obiettivo di fornire contributi per la costruzione di modelli a complessità intermedia del Sistema Terra, da realizzare in collaborazione con altri centri di ricerca nazionali ed europei e da utilizzare per lo studio di processi paleoclimatici e per la generazione di insiemi di simulazioni. Obiettivi specifici: - Sviluppo di modelli semplificati, basati sui concetti della teoria dei sistemi dinamici, per lo studio del Sistema Terra e dei processi climatici e per la parametrizzazione dei processi non risolti dai modelli globali (e.g., processi convettivi intensi).

2 - Stima della predicibilità delle diverse scale spazio-temporali del sistema climatico e caratterizzazione dell attrattore climatico. - Sviluppo di metodi di analisi dati per la determinazione della variabilità della circolazione atmosferica ed oceanica e per la stima delle modifiche dei regimi climatici indotte da forzature antropiche. - Sviluppo e ottimizzazione di modelli a rete neurale che siano in grado di cogliere relazioni non lineari tra le diverse variabili del Sistema Terra, prevalentemente a livello diagnostico. Applicazioni di detti modelli per lo studio delle relazioni tra forzanti naturali ed antropogeniche e valori di variabili quali temperatura e precipitazioni a livello globale e regionale. - Applicazioni prognostiche di modelli a rete neurale per lo studio della predicibilità in modelli dinamici semplici e studio di fattibilità per il downscaling a rete neurale di un AOGCM su scenari futuri. - Parametrizzazione dei processi di mescolamento turbolento e di trasporto a mesoscala e a grande scala in flussi atmosferici ed oceanici di interesse climatico. - Determinazione dei processi climatici associati al monsone africano. - Sviluppo di metodologie statistiche di stima della variabilità climatica e dei suoi impatti a scala regionale. - Sviluppo di modelli a complessità intermedia della variabilità climatica e dei cambiamenti globali del Sistema Terra, da utilizzare per simulazioni di processi paleoclimatici e per lo studio del cambiamento climatico repentino. 5 Programma e risultati attesi nel 2005 Le attività di ricerca sono divise in due moduli, che si riferiscono ai due Istituti partecipanti alla Commessa. Il programma di ciascun modulo è ulteriormente diviso in diversi pacchetti di attività, corrispondenti ai diversi progetti in corso ed ai relativi finanziamenti esterni. Modulo (TA-P02-ISAC-C9): Climatologia dinamica (Responsabile: Antonello Provenzale) Attività 1. Determinazione e parametrizzazione dei principali meccanismi geofluidodinamici associati alla variabilità del clima globale. Studio della dinamica di sistemi accoppiati e forzati utilizzati come modelli concettuali di specifici processi della variabilità climatica e del cambiamento globale. Preparazione di un incontro internazionale, da tenersi nel 2006, sull uso di modelli concettuali (sistemi dinamici) per descrivere l interazione fra i diversi modi della variabilità climatica e l interazione clima-biosfera, con particolare attenzione alla modellistica e parametrizzazione della convezione atmosferica e allo sviluppo di schemi concettuali e numerici da inserire in modelli climatici globali. Attività 2. Valutazione dei limiti della predicibilità delle diverse scale spazio-temporali del sistema climatico. Caratterizzazione dell attrattore climatico e quantificazione della stabilità strutturale e della predicibilità dei regimi di flusso. Sviluppo di metodi di assimilazione dati. Attività 3. Determinazione della variabilità della circolazione atmosferica ed oceanica nel clima presente sulle scale scale temporali da stagionali a secolari, mediante utilizzo di tecniche di analisi non lineare dei dati. Stima delle modifiche dei regimi climatici del futuro indotte da forzature antropiche. Verrà iniziata la costruzione di una libreria di metodi di analisi dati non lineari per la determinazione quantitativa delle instabilità strutturali dei regimi di circolazione atmosferici ed oceanici al variare della forzatura esterna. Attività 4. Studio e parametrizzazione dei processi di scambio, di mescolamento turbolento e di trasporto a mesoscala e grande scala nei fluidi geofisici (finanziamenti PNRA, ENEA-MIUR), incluso lo studio di schemi per la simulazione numerica del trasporto in mare e in atmosfera, per la parametrizzazione dei processi di scambio a scala fine fra superficie e troposfera e l analisi, tramite modelli di trasporto lagrangiano, della variabilità delle barriere

3 dinamiche UT-LS nella regione Mediterranea, ITCZ sahariana e Vortice Polare Antartico. Attività 5. Analisi dei processi e del clima del monsone Africano (progetto europeo AMMA), comprendenti la preparazione per l effettuazione di misure di routine, simulazioni climatiche e di processi rilevanti per il clima, l effettuazione di analisi preliminari di simulazioni a scala climatica e di meccanismi atmosferici, e gli studi preparatori per l installazione di una rete di misura da destinare alla sorveglianza a medio termine degli aerosol, del trasporto e del bilancio radiativo nella regione saheliana. Attività 6. Sviluppo di metodologie di regionalizzazione della variabilità climatica e dei suoi impatti su aree limitate di particolare interesse, vulnerabilità o rappresentatività (progetto PNRC-CLIMESCO, progetto EU SEDEMED). Valutazione dell impatto della variabilità climatica sull ambiente alpino, considerando in particolare la risposta dei ghiacciai e degli ecosistemi montani (finanziamenti ARPA-Piemonte e Parco Naz. Gran Paradiso). Valutazione dell impatto della variabilità climatica sul regime dei venti e sulla produzione di energia eolica (progetti europei WindEng e POW'WOW). Downscaling statistico di scenari climatici e ricostruzione del clima a scala regionale. Sviluppo di una libreria di tecniche di disaggregazione stocastica delle precipitazioni (finanziamenti Dip. Protezione Civile). Attività 7. Integrazione delle conoscenze sui meccanismi di base e sulle parametrizzazioni dei processi climatici al fine di contribuire allo sviluppo di modelli a complessità intermedia della variabilità climatica e dei cambiamenti globali del Sistema Terra. Questi modelli, una volta sviluppati, potranno essere utilizzati per simulazioni di processi paleoclimatici e per lo studio del cambiamento climatico repentino ( abrupt climate change ). Per la fine del 2005 è previsto uno studio comparativo sullo stato dell arte delle simulazioni di processi paleoclimatici con modelli a complessità intermedia. Modulo (TA-P02-IIA-C7): Modelli a rete neurale per lo studio dei cambiamenti climatici (Responsabile: Antonello Pasini) Attività 1: Sviluppo e ottimizzazione di modelli a rete neurale a fini climatici nell'ambito di schemi di addestramento a backpropagation. Inizio di una raccolta di modelli per la creazione di una libreria. Attività 2: Applicazione di modelli a rete neurale all'analisi del rapporto tra varie forzanti (e pattern di circolazione globali o regionali) e valori di temperatura a scala globale e regionale. Attività3: Applicazione di modelli a rete neurale allo studio della predicibilità sugli attrattori di Lorenz nei casi non forzato e forzato, come semplice simulazione di un cambiamento di predicibilità in scenari climatici futuri. I risultati ottenuti nei due moduli saranno presentati e discussi in pubblicazioni su riviste internazionali ed in atti di convegni nazionali ed internazionali. E previsto un incontro scientifico di tutti i partecipanti alla Commessa, aperto a ricercatori esterni, per la fine del Sviluppo temporale delle attività nel biennio Le attività di questa Commessa proseguiranno nel biennio Alcune attività sono incluse in progetti nazionali e/o europei, già approvati, e saranno quindi continuate anche senza l acquisizione di nuove risorse. Altre attività sono legate a progetti che termineranno nel 2005 o non sono al momento sostenute da risorse esterne; lo svolgimento di questo secondo tipo di attività è pertanto subordinato al reperimento delle risorse finanziarie e umane necessarie. Nel seguito si distingue fra i due tipi di attività. Modulo (TA-P02-ISAC-C9): Climatologia dinamica Attività 1: Continuerà il lavoro di studio e parametrizzazione dei meccanismi geofluidodinamici associati alla variabilità del clima globale. Verrà organizzato, nell autunno 2006, un incontro internazionale sull uso di modelli concettuali (sistemi dinamici) per descrivere l interazione fra i diversi modi della variabilità climatica e l interazione climabiosfera, e verrà preparato un numero speciale di una rivista internazionale (presumbilmente, Nonlinear Processes

4 in Geophysics) dedicato ai contributi presentati durante l incontro. Attività 2: Continueranno le analisi relative ai limiti di predicibilità delle diverse scale spazio-temporali del sistema climatico. Per fine 2006 è prevista la compilazione di un rapporto tecnico-scientifico sui metodi di valutazione delle strutture dell'errore di previsione in modelli atmosferici e oceanici e sul miglioramento dei metodi di assimilazione dati e ottimizzazione delle reti osservative, inclusa una libreria di schemi di assimilazione dati. Lo svolgimento di tali attività è subordinato al reperimento delle risorse finanziarie corrispondenti. Attività 3: Continueranno le attività volte alla determinazione della variabilità della circolazione atmosferica ed oceanica ed alla stima delle modifiche dei regimi climatici indotte da forzature antropiche. Per fine 2006 è prevista la costruzione di una libreria di metodi di analisi dati non lineari per la determinazione quantitativa delle instabilità strutturali dei regimi di circolazione atmosferici ed oceanici al variare della forzatura esterna, e per fine 2007 la preparazione di un rapporto tecnico-scientifico contenente l analisi di output multi-modello relativi alle proprietà dinamiche dell atmosfera. Lo svolgimento di tali attività è subordinato al reperimento delle risorse finanziarie corrispondenti. Attività 4: Continueranno le attività di parametrizzazione dei processi di scambio, di mescolamento turbolento e di trasporto a mesoscala e grande scala nei fluidi geofisici. Per fine 2006 è prevista la compilazione di un rapporto tecnicoscientifico contenente la descrizione di schemi per la simulazione numerica del trasporto in mare e in atmosfera e per la parametrizzazione dei processi di scambio a scala fine fra superficie e troposfera. Per fine 2007 è prevista l implementazione in modelli climatici globali e/o regionali di schemi di trasporto in mare ed atmosfera e la compilazione di un rapporto tecnico-scientifico sull analisi tramite modelli di trasporto lagrangiano della variabilità delle barriere dinamiche UT-LS nella regione Mediterranea, ITCZ sahariana e Vortice Polare Antartico. Parte di queste attività sono finanziate da progetti nazionali (PNRA) ed europei (AMMA). Attività 5: Continuerà l analisi dei processi e del clima del monsone Africano, comprendenti misure di routine, simulazioni climatiche e di processi rilevanti per il clima, nell ambito del progetto europeo AMMA. Per fine 2006 sono previste la compilazione di un rapporto tecnico-scientifico su analisi preliminari di simulazioni a scala climatica e di meccanismi atmosferici e l installazione di una rete di misura da destinare alla sorveglianza a medio termine degli aerosol, del trasporto e del bilancio radiativo nella regione saheliana. Per fine 2007 sarà disponibile un rapporto tecnico-scientifico su simulazioni di processi con modelli a mesoscala per il confronto con i dati in-situ, la disponibilità di dati della rete di misura ed un report preliminare del confronto con modelli di trasporto. Attività 6: Continuerà l applicazione e lo sviluppo di metodologie di regionalizzazione della variabilità climatica e dei suoi impatti su scala regionale, nell ambito del progetto PNRC-CLIMESCO e di finanziamenti del Dip. Protezione Civile, di progetti europei (SEDEMED, WindEng, POW WOW ed il nuovo progetto MOD&OBS relativo allo strato limite atmosferico) e di finanziamenti di enti quali ARPA e Parco Nazionale Gran Paradiso. Per fine 2007 sarà disponibile un rapporto tecnico-scientifico su specifici aspetti dell impatto della variabilità climatica in area mediterranea ed alpina (aree glaciali, incendi, risposta degli ecosistemi), e uno studio di fattibilità sull uso di tecniche e modelli di downscaling stocastico e dinamico e di metodologie di regionalizzazione dei cambiamenti climatici, inclusa la discussione dei risultati della regionalizzazione della variabilità climatica su situazione campione. Attività 7: Subordinatamente al reperimento delle risorse finanziarie ed umane necessarie, sarà svolta l attività di integrazione delle conoscenze sui meccanismi di base dei processi climatici al fine di contribuire alla costruzione di una gerarchia di modelli a complessità intermedia della variabilità climatica e dei cambiamenti globali del Sistema Terra, in collaborazione con altri enti di ricerca italiani ed europei. Se questa attività sarà finanziata, verrà reso disponibile per fine 2007 un package numerico, e la relativa descrizione, contenente una gerarchia di modelli climatici globali a complessità intermedia per lo studio dei grandi cambiamenti globali del Sistema Terra, quali le transizioni glaciale-interglaciale e i fenomeni di cambiamento climatico repentino. Modulo (TA-P02-IIA-C7): Modelli a rete neurale per lo studio dei cambiamenti climatici Attività 1: E previsto l ulteriore sviluppo di modelli a rete neurale con considerazione di altri schemi di apprendimento (ad esempio, algoritmi genetici) che possano permettere di cogliere meglio le caratteristiche non

5 lineari del sistema clima, e la costituzione di una libreria di modelli a rete neurale a fini di studio climatico e rapporto tecnico-scientifico corrispondente. Attività 2: Sono previste ulteriori applicazioni di detti modelli, così migliorati, a studi di sensitività a forzanti globali e pattern di circolazione regionale, con particolare attenzione agli influssi sulle scale regionale e locale. Attività 3: E prevista l applicazione di modelli a rete neurale, migliorati come discusso nei precedenti punti, allo studio della predicibilità su modelli semplificati. Attività 4: E prevista l ottimizzazione e nuove applicazioni di modelli a rete neurale allo studio di downscaling statistico di AOGCMs, e la compilazione di un rapporto tecnico-scientifico su questa tecnica e sull'uso di detti modelli a tale scopo. Verrà anche svolto uno studio di fattibilità con prime applicazioni concrete su dati di un AOGCM. Per entrambe i moduli, i risultati ottenuti verranno presentati e discussi in pubblicazioni su riviste scientifiche internazionali e su atti di convegni nazionali ed internazionali, ed è prevista una specifica attività di divulgazione. I partecipanti alla Commessa si incontreranno, con cadenza al più semestrale, per discutere gli sviluppi delle attività di ricerca. E prevista, per fine 2007, l organizzazione di una conferenza nazionale sulle attività condotte al CNR nell ambito della Commessa P2-01 Climatologia dinamica. 7 Risorse dedicate (anno 2005) risorse interne K risorse esterne residui risorse totali persone/anno n ISAC 626,98 521,13 20, ,00 9,61 IIA 42,68 124,18 4,53 171,39 1,00 TOTALE 669,66 645,31 25, ,39 10,61