INTERREG III B - MEDOC PROGETTO SEDEMED

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1 INTERREG III B - MEDOC PROGETTO SEDEMED Relazione Attività A4: Estensione ed applicazione di prototipo di bollettino di siccità; previsione statistica. Coordinatore dell attività: Carlo Cacciamani Collaboratori: Stefano Marchesi, Antonella Morgillo, Valentina Pavan e Rodica Tomozeiu Bologna, 26/7/24

2 Attività A4: Estensione ed applicazione di prototipo di bollettino di siccità; previsione statistica. 1. Introduzione La disponibilità di riserve idriche è fondamentale per le attività primarie dell'uomo e gli eventi siccitosi possono avere un impatto rilevante sia sull'economia che sull'ambiente. La siccità è una normale e ricorrente caratteristica del ciclo idrologico e differisce dall'aridità in quanto quest'ultima è ristretta ad aree geografiche con poca precipitazione e risulta pertanto una caratteristica permanente del clima. La siccità viene valutata in relazione al bilancio locale tra la precipitazione e l evapotraspirazione (evaporazione + traspirazione) ed è definita anche rispetto all intervallo di tempo in cui avviene, ossia la stagione in cui si presenta, il ritardo rispetto all'inizio del periodo delle precipitazioni, l'efficacia delle piogge, ossia la loro intensità ed il numero d'eventi. Altri parametri quali la temperatura e l umidità dei terreni sono evidentemente importanti per la definizione delle condizioni di siccità. 2. Definizione operativa di siccità Una definizione operativa di siccità deve essere in grado di identificare l'inizio, la consistenza e la fine di un evento siccitoso. Tale definizione si basa solitamente sulla deviazione dalla media calcolata sugli ultimi 3 anni di dati (secondo la raccomandazione dell'organizzazione Meteorologica Mondiale) del campo di precipitazione. Di solito si distinguono le seguenti categorie di siccità: - Meteorologica - Agricola - Idrologica - Idrologica in relazione all'uso del territorio - Socioeconomica. Ciascuna categoria genera una sequenza di impatti ed è caratterizzata dalle scale dei tempi su cui si presenta il periodo siccitoso. L'impatto della siccità può essere di carattere ambientale, economico e sociale. L' impatto ambientale è misurato in base al danno provocato alle specie animali e vegetali, all'habitat naturale, alla qualità dell'acqua e dell'aria, all'erosione del suolo, agli incendi, alla degradazione della biodiversità. Alcuni danni possono avere carattere temporaneo ed essere quindi recuperati alla fine del periodo siccitoso. Altri, come l'erosione del suolo, hanno invece carattere permanente. L'impatto economico è dovuto alle ripercussioni sulle attività primarie come l'agricoltura e la pesca che dipendono direttamente dalla disponibilità di riserve d'acqua superficiali e del sottosuolo. Oltre alle ovvie perdite relative all'entità dei raccolti, i periodi siccitosi sono spesso associati ad un incremento delle popolazioni di insetti infestanti, delle malattie delle piante e dell'erosione del vento. Un impatto sociale importante si ha soprattutto in periodi di grave siccità: in questi casi diventa fondamentale la gestione delle misure di sicurezza riguardo la salute pubblica e la disponibilità di riserve idriche di emergenza. 3. Metodi di analisi Allo scopo di selezionare eventi siccitosi bisogna individuare degli indici in grado di catturare l'essenza del fenomeno. Nella letteratura internazionale sono stati discussi ed applicati diversi indici, tra questi i principali sono:

3 - Percentuale della Media; - Decili; - Palmer Drought Severity Index (PDSI); - Surface Water Supply Index (SWSI); - Standardized Precipitation Index (SPI). Nel seguito se ne darà una descrizione molto succinta, rimandando alla bibliografia per maggiori dettagli ed approfondimenti. Percentuale della Media Tale indice viene calcolato dividendo la precipitazione accumulata sulla scala temporale di interesse per quella mediata nel tempo (usualmente su un periodo di trenta anni) relativa alla stessa scala temporale. Un problema che si presenta utilizzando tale indice è che la distribuzione delle precipitazioni, su scale dei tempi inferiori all'anno, non è gaussiana. Per questo motivo la media è generalmente diversa dalla mediana e non rappresenta un buon indicatore del valore più probabile. Ciò introduce un errore nella valutazione della deviazione dai valori di precipitazione accumulata considerati normali per una determinata scala spazio-temporale. Decili Il metodo dei decili consiste nel suddividere la distribuzione di occorrenza di una serie temporale di valori di precipitazione accumulata in un determinato periodo in intervalli corrispondenti ciascuno al 1% della distribuzione totale (decile). Gibbs e Maher (1967) hanno proposto di raggruppare i decili in classi d'occorrenza secondo la seguente tabella: Classe Percentuale Periodo Decile 1-2 2% più basso Molto minore del normale Decile 3-4 2% seguente Sotto la norma Decile 5-6 2% medio Normale Decile 7-8 2% seguente Al di sopra della norma Decile 9-1 2% più alto Molto maggiore della norma PDSI (Palmer Drought Severity Index). Palmer (1965), basandosi sul concetto di offerta-domanda nell'equazione di bilancio idrico, sviluppò questo indice per avere una misura non solo della carenza di precipitazione in una certa regione, ma anche delle condizioni di umidità della regione stessa. L'indice richiede per il suo calcolo dei valori di precipitazione e di temperatura, di capacità idrica del suolo e di altre variabili meteorologiche. Tale indice, sebbene abbia vaste applicazioni ha anche alcune limitazioni. Tra queste segnaliamo la sensitività rispetto alla capacità idrica del suolo e la difficoltà di confrontare i risultati ottenuti per regioni aventi un bilancio idrologico molto diverso (l'indice, infatti, necessita per il suo calcolo di alcune costanti che sono state stimate da Palmer attraverso l'analisi di dati meteorologici relativi a nove divisioni degli Stati Uniti). L'indice varia tra -6 e +6 e la classificazione ad esso associata è mostrata nella seguente tabella:

4 Valore PDSI Classe > 4 Estremamente umido da 3 a 3.99 Molto umido da 2 a 2.99 Moderatamente umido da 1 a 1.99 Lievemente umido da.5 a.99 Incipiente periodo umido da.49 a -.49 Quasi normale da -.5 a -.99 Incipiente periodo secco da -1. a Lievemente siccitoso da -2. a Siccità moderata da -3. a Siccità severa < -4 Siccità estrema SWSI (Surface Water Supply Index) L'indice SWSI è stato sviluppato da Shafer e Dezman (1982) come complementare all'indice PDSI. Esso tiene conto anche dei rilievi orografici e dell'accumulo di neve su di loro. La procedura per il calcolo dello SWSI è legata alla conoscenza dei dati mensili di precipitazione, di bacini d'accumulo e di neve. Come il PDSI, tale indice è centrato intorno allo zero ed ha valori compresi tra -4.2 e 4.2. L'SWSI soffre delle stesse limitazioni del PDSI. SPI (Standardized Precipitation Index) L'indice SPI, sviluppato da McKee et al. (1993), ha lo scopo di quantificare il deficit di precipitazione per diverse scale dei tempi. Ognuna di queste scale riflette l'impatto della siccità sulla disponibilità di differenti risorse d'acqua. L'umidità del suolo risponde alle anomalie di precipitazione su scale temporali brevi, mentre l'acqua nel sottosuolo, fiumi e invasi tendono a rispondere su scale oggettivamente più lunghe. McKee et al. (1993) hanno calcolato lo SPI per 1, 3, 6, 12, 24 e 48 mesi. L'indice necessita per il suo calcolo dei soli dati di precipitazione. Esso è calcolato considerando la deviazione della precipitazione rispetto al suo valore medio su una data scala temporale, divisa per la sua deviazione standard. Dato che la precipitazione non è normalmente distribuita, almeno su scale temporali minori dell'anno, viene eseguito un aggiustamento della variabile in modo che lo SPI abbia distribuzione gaussiana con media nulla e varianza unitaria. Avere un indice con media e varianza fissata consente di confrontare i valori dell'indice calcolati per diverse regioni. Inoltre, esso consente di considerare periodi umidi e siccitosi nello stesso modo. Il calcolo dell indice si avvale delle seguenti relazioni matematiche: dove P è la precipiazione accomulata sulla scala temporale di interesse, H(P) è la probabilità cumulativa della precipitzione osservata e c, c 1, c 2, d 1, d 2, d 3 sono delle costanti matematiche. In tabella sono mostrate le categorie di siccità in funzione dei valori dell indice.

5 Valore SPI Classe da a -.99 Siccità lieve da -1 a Siccità moderata da -1.5 a Siccità severa < -2 Siccità estrema 4. Analisi dell indice SPI in Emilia Romagna Al fine di eseguire una prima caratterizzazione climatica della siccità nella regione Emilia Romagna, si è analizzato l andamento temporale dell indice SPI su un insieme di punti di rilevamento della precipitazione dove si aveva la disponibilità di serie storiche di dati mensili abbastanza rilevante. La figura 1 mostra la distribuzione delle stazioni considerate, che rappresenta il sottoinsieme sul quale al momento la lunghezza ed affidabilità delle serie temporali (almeno 4 anni usati sino al all anno 2) garantisce una certa stabilità alle statistiche realizzate. Tale numero adesso limitato a sole 19 stazioni, è destinato a crescere dal momento che si sta operando per colmare le molte lacune presenti nel data base ed estendere quindi la lunghezza delle serie su molte località. Già comunque con questa distribuzione di stazioni è possibile avere un quadro d assieme sulla regione abbastanza significativo ed anche qualche informazione quantitativa sulla regionalizzazione del segnale, cioè sulla sua variabilità spaziale. S.Lazzaro A. Boschi d'aveto Bobbio Varsi Bardi Bedonia Parma_Univ. Reggio Emilia Bologna Monteombraro Pianoro Ligonchio Piandelagotti Ferrara Alfonsine Lugo Ravenna Forlì' Cattolica Figura 1: Le stazioni usate per la caratterizzazione climatica della siccità in Emilia Romagna mediante l indice SPI

6 In Figura 2 sono raffigurati gli andamenti temporali dell indice SPI per l intera regione Emilia Romagna, rispettivamente a 3, 6, 12 e 24 mesi. Si può notare come sia sempre evidente un trend negativo per tutti gli intervalli temporali e come tale segnale di diminuzione sia particolarmente accentuato per i periodi temporali più lunghi di 12 e 24 mesi. Ciò denota una tendenza all aumento della siccità di tipo idrologica legata all uso del suolo sulla nostra regione. I valori negativi dell indice SPI rimangono quasi sempre nell intervallo /-1 e raramente sono inferiori a -2, indicando con ciò una qualche tendenza all aumento di condizioni di moderata siccità, solo a tratti severa. Figura 2: Andamento dell indice SPI a 3, 6, 12 e 24 mesi sulla regione Emilia Romagna E interessante notare (Figura 3) come l andamento della frequenza degli eventi siccitosi sulla regione abbia subito una flessione in corrispondenza dei decenni 6-7 e 7-8 e mostri un nuovo Frequenza eventi siccitosi SPI a 24 mesi in Emilia Romagna Figura 3:

7 aumento negli ultimi due decenni 8-9 e 9-2. In particolare, solo relativamente agli ultimi due decenni si riscontra (immagine non mostrata) una certa frequenza di eventi particolarmente siccitosi, caratterizzati da indici SPI inferiori a -2. L analisi spaziale del trend annuale dell indice SPI (Figura 5) mostra come il segnale di trend sia pressochè uniforme su tutta la regione a tutte le scale temporali, ad esclusione solo della fascia sudorientale della regione dove, al contrario, si denota una qualche tendenza alla crescita dell indice SPI. In particolare sulle aree centrali ed appeniniche della regione si notano dei valori massimi del trend dell ordine di -.35 unità SPI /anno. SPI_3 mesi SPI_6mesi E E SPI_12 mesi E SPI_24mesi E Figura 5: Andamento spaziale dell indice SPI a 3, 6, 12 e 24 mesi (i diversi colori delle aree mostrano diversi valori del trend, definito come variazione annua dell indice SPI)

8 5. Conclusioni Le elaborazioni svolte relative all analisi dell indice SPI permettono di avanzare alcune conclusioni assolutamente preliminari che sarà necessario verificare ancora in seguito disponendo di una più nutrita mole di dati. Alcuni punti importanti sono comunque emersi e sono: - Sono evidenti dei trend negativi dell indice SPI, soprattutto alle scale temporali più lunghe di 12 e 24 mesi. Tale risultato sta a significare che la regione Emilia Romagna negli ultimi 4-5 anni si è gradualmente impoverita di acqua nel terreno tendendo ad assumere condizioni di moderata siccità; - Tale segnale risulta essere abbastanza omogeneo, soprattutto sul settore centro-occidentale della regione, la fascia costiera sembra invece andare in controtendenza. Nel prossimo futuro si conta di estendere tale attività di monitoraggio, utilizzando altri indicatori (i decili, ad esempio), aumentando il numero dei punti di misura. Tale estensione dei punti di misura permetterà di realizzare delle più dettagliate analisi spaziali, finalizzate alla migliore individuazione e caratterizzazione di aree omogenee. Bibliografia Gibbs, W.J. and J.V. Maher, Rainfull deciles as drought indicators. Bureau of Meteorology Bulletin No. 48, Commonwealth of Australia, Melbourne. McKee, T.B., N.J. Doesken and J. Kleist, The relationship of drought frequency and duration to time scales. Preprints, 8th Conference on Applied Climatology, January, Anaheim, CA, Amer. Meteor. Soc., Palmer, W.C., Meteorological Drought. Research Paper No. 45, U.S. Department of Commerce Weather Bureau, Washington, D.C., 58 pp. Shafer, B.A. and L.E. Dezman, Development of a Surface Water Supply Index (SWSI) to assess the severity of drought conditions in snowpack runoff areas. Proceedings of the Western Snow Conference,

9 APPENDICE: Realizzazione di un bollettino per la siccità aggiornabile operativamente. Nell ambito del progetto SEDEMED, si è deciso di inserire la valutazione operativa dell indice SPI nella regione Emilia Romagna all interno di un pacchetto di elaborazioni operative, in gran parte realizzate a cadenza stagionale, finalizzate alla valutazione di alcuni indicatori climatici del territorio. Come parametri meteo di base vengono presi in esame la temperatura dell aria vicino al suolo e la precipitazione, dai quali sono poi stati valutati degli indicatori ed indici climatici significativi che offrono un informazione più completa sia del comportamento medio che dei valori estremi di tali parametri. Gli indicatori proposti sono calcolati su un network osservativo di 23 stazioni (vedasi Figura A1), sulle quali è disponibile un archivio completo di dati giornalieri con copertura temporale superiore a 4 anni (periodo: ) e sulle quali si dispongono di dati aggiornati al momento sino al 31/12/23. Tale data base è in parte diverso, in quanto a stazioni utilizzate, al data base utilizzato per la descrizione del comportamento statistico dell indice SPI e presentato nel presente report proprio perché non sono ancora disponibili e controllati tutti i dati relativi al periodo Pertanto, limitatamente al network di 23 stazioni sopra citato, vengono operativamente calcolate le seguenti grandezze: 1. Le anomalie delle temperature estreme giornaliere (minime e massime) dell anno appena trascorso rispetto al clima di riferimento (media ). Tali anomalie sono valutate sia a livello annuale che a scadenza stagionale e sono calcolate su tutti i punti di rilevamento selezionati ed anche come valore medio regionale; i trend sono valutati sino all anno trascorso compreso; 2. Le anomalie delle precipitazioni dell anno appena trascorso rispetto al clima di riferimento (media ). Anche per le piogge le anomalie sono valutate sia a livello annuale che a scadenza stagionale e sono calcolate su tutti i punti di rilevamento selezionati ed anche come valore medio regionale; i trend sono calcolati sino all anno trascorso compreso; 3. Le anomalie delle temperature estreme giornaliere, calcolate sia annualmente che per ogni stagione (come indici delle temperature estreme si considerano il 1 mo e 9 mo percentile della distribuzione di probabilità dedotta dalle temperature estreme giornaliere); 4. Le anomalie delle precipitazioni estreme giornaliere, calcolate sia annualmente che per ogni stagione (come indice delle precipitazioni estreme si calcola il 9 mo percentile della distribuzione di probabilità dedotta dalle precipitazioni giornaliere; 5. L indice standardizzato di precipitazione (SPI). Tale indice è calcolato a partire dai valori di precipitazione totale mensile e viene valutato con diversi periodi di accumulo della precipitazione. Tale indice è una stima delle condizioni di siccità di un territorio. Figura A1: Mappa delle stazioni utilizzate per il calcolo operativo degli inidicatori climatici e dove viene al momento realizzato il bollettino di siccità bastao sull indice SPI

10 Di seguito vengono mostrate, a titolo di esempio, le mappe dell indice SPI (calcolato con valori accumulati di precipitazione a 3, 6, 12 e 24 mesi) con dati aggiornati sino al 31/12/23. Tali grafici di andamento ed altre elaborazioni statistiche fanno parte del sito WEB che ARPA-SIM ha predisposto per il monitoraggio della siccità: SPI 3 mesi regione Emilia Romagna SPI_3messi ANNI SPI 6 mesi regione Emilia Romagna SPI_6messi ANNI

11 SPI 12 mesi regione Emilia Romagna SPI_12mesi ANNI SPI 24 mesi regione Emilia Romagna SPI_24mesi ANNI