Studio di eventuali variazioni delle strutture meteorologiche e dei regimi pluviometrici italiani

Transcript

1 Studio di eventuali variazioni delle strutture meteorologiche e dei regimi pluviometrici italiani D. Vento, S. Esposito, C. Epifani, E. Di Giuseppe Ufficio Centrale di Ecologia Agraria UCEA Roma Introduzione Il fenomeno meteorologico precipitazione si manifesta con una notevole molteplicità di tipologie riguardanti, per esempio, le caratteristiche fisiche (pioggia, neve, grandine con tutte le loro specificità) o le modalità quantitative (valori cumulati di precipitazione su diversi periodi di tempo, valori estremi, ecc.) o le modalità qualitative (numero di volte in cui una precipitazione si presenta in una certa unità di tempo, ricorrenze in genere, ecc.) sicché anche l analisi della caratterizzazione climatica delle precipitazioni va fatta a largo spettro, prendendo in considerazione nel modo più ampio possibile i variegati aspetti che il fenomeno presenta. Essendo la variabilità la caratteristica precipua della precipitazione, particolarmente complesso si presenta il problema di individuare, all interno di tale variabilità, elementi certi di variazione sistematica, associabili a veri e propri cambiamenti climatici. L attenzione del presente studio è incentrata sui valori estremi delle quantità di precipitazione caduta in un dato periodo di tempo e su una caratteristica specifica della precipitazione che è la sua persistenza nel tempo, aspetti la cui caratterizzazione climatica interessa una vastissima classe di operatori non solo del settore agricolo, ma, più in generale, coloro i quali operano nella gestione delle risorse idriche e dei bacini, nel campo dell ingegneria idraulica e nella prevenzione delle situazioni di emergenza meteorologica. Obiettivi generali della ricerca Nell ambito degli obiettivi generali del progetto CLIMAGRI, le finalità specifiche di questa linea di ricerca sono: individuare e valutare le variazioni climatiche di alcuni aspetti specifici del fenomeno precipitazione, con particolare riguardo agli eventi rari (precipitazioni intense e lunghe sequenze di eventi piovosi o di assenza di pioggia). In maniera più puntuale, i settori su cui si è avviata l attività di ricerca con approcci metodologici in parte già utilizzati nello studio delle precipitazioni e in parte originali, tendono essenzialmente a: mettere in luce se, eventualmente, i fenomeni di precipitazione estremi siano aumentati nel corso degli ultimi anni, per quanto attiene sia alla frequenza degli eventi sia alla loro intensità; individuare, sulla base di serie molto lunghe e complete di successioni di eventi (come giorni consecutivi con pioggia e con assenza di pioggia), eventuali 17

2 variazioni climatiche a livello dei grandi sistemi generatori del tempo meteorologico con particolare riferimento alla precipitazione (regimi pluviometrici). Metodologia 1. Eventi estremi Lo studio si incentra da una parte sulle precipitazioni a 24 ore, di cui esiste una raccolta molto ampia e abbastanza completa, su quelle a 12 ore (con campionatura più ristretta) e dall altra sulle misure di precipitazioni a 10 minuti rilevate da strumentazione automatica la cui disponibilità (primi anni 90) comincia ad essere suscettibile di analisi storica. 1.1 Precipitazioni a 24 ore e 12 ore Il dataset utilizzato consiste in 70 serie storiche di precipitazioni a 24 ore e 35 serie storiche a 12 ore appartenenti a diverse Reti (Aeronautica Militare, ex Servizio Idrografico e Mareografico, UCEA, Reti regionali, ecc) che coprono l intero territorio nazionale e che vanno dal 1951 al 2000 con una completezza di almeno il 97% dei dati (per la distribuzione spaziale delle stazioni si veda fig 5). Il campione, sul quale sono state eseguite le analisi, è costituito dalle misurazioni delle precipitazioni giornaliere e semigiornaliere che superano il 99 centile su base annuale e il 98 su base semestrale. La condizione di completezza al 97%, conseguita con il ricorso ai dati originali disponibili su supporto cartaceo, assicura che tra i dati mancanti non ci siano più di due estremi con una probabilità superiore all 80%. Per quanto riguarda l analisi delle frequenze, per ogni stazione sono messi a confronto il numero degli eventi estremi appartenenti al periodo con quello degli eventi appartenenti al periodo , sull intero anno, per il semestre invernale e per quello estivo. La stazione è classificata con SI se la frequenza del secondo periodo supera quella del primo, con NO al contrario, NC (Nessun Cambiamento) se è rimasta invariata (sono state adottate opportune metodologie per rendere oggettiva la classificazione). Nel caso in cui si ottenga SI o NO, si sottopongono i risultati al test binominale per saggiare l ipotesi che quanto ottenuto non sia attribuibile alla casualità del campione ma sia piuttosto una caratteristica dell universo. Riguardo all analisi dell intensità, si confrontano le medie e le mediane delle precipitazioni estreme relative ai due periodi, procedendo in modo analogo per classificare le stazioni. In questo caso si fa uso dei test della t di Student sulle medie e i test del chi quadrato e di Mann-Witney per le mediane. I risultati delle singole stazioni vengono poi analizzati nel loro insieme, come distribuzione sul territorio, in termini di frequenze complessive di SI, NO, NC per aggregazioni geografiche omogenee. 1.2 Precipitazioni a 10 minuti Lo studio si basa sull analisi di 20 serie storiche di precipitazioni a 10 minuti (fig. 1) che vanno dal 1993 al 2003 fornite dalle stazioni automatiche della Rete Agrometeorologica Nazionale (RAN) gestita dall Ufficio Centrale di Ecologia Agraria (UCEA) nell ambito del Sistema informativo Agricolo Nazionale (SIAN). 18

3 I dati sono stati raggruppati secondo 3 differenti scale temporali a 10, 60 e 180 minuti, al fine di fornire una descrizione climatica sia a scala brevissima, sia a scala più lunga e ne sono state valutate le caratteristiche medie ed estreme. Per quanto riguarda le caratteristiche medie della fenomenologia, una prima analisi riguarda l andamento nel tempo delle medie mensili delle precipitazioni in 10 minuti (intese come valori mediati per ogni singolo mese e per ogni singolo anno). Esso costituisce una serie temporale di cui viene calcolata la retta di trend (in Fig 2 viene presentato, come esempio, i risultati della stazione di Pietranera). Si sono poi valutati i valori medi mensili sull intero periodo disponibile (intesi come valori mediati per ogni singolo mese ma su tutti gli anni) delle precipitazioni in 10, 60, 180 minuti. Tali valori sono stati normalizzati e confrontati con i valori medi della quantità cumulata mensile della precipitazione (intesa come precipitazione totale mensile mediata su tutti gli anni) (Fig 3). mm di pioggia Pietranera (AG) - 10 min y = x ago-91 ago-93 ago-95 ago-97 ago-99 ago-01 ago-03 Fig 1 - Mappa delle 20 stazioni RAN incluse nel dataset Fig. 2 - Trend della media mensile per ciascun anno Per quanto riguarda le caratteristiche climatiche degli eventi estremi, sono stati considerate le unità di precipitazione superiori al 93-esimo centile, vale a dire quelle che si presentano con frequenza minore del 7%. Per ciascuna delle scale temporali di 10, 60 e 180 minuti è stato esaminato l andamento nel tempo della ripartizione in termini percentuali di questi eventi rari su ciascun anno. Infine, sempre per ogni singola aggregazione temporale, abbiamo riportato l andamento nel tempo dei valori massimi annuali (Fig 4). mm di pioggia gen feb Pietranera (AG) 10 min mar apr mag giu lug ago set ott nov dic Media 10 min norm. Media 60 min norm. Media 180 min norm. Media Mensile Fig - 3 Confronto tra media mensile e medie normalizzate a 10, 60 e 180 minuti mm di pioggia Monsampolo (AP) - 10 min y = x Fig. - 4 Massimo annuale di precipitazione

4 Occorre precisare che la valutazione della significatività di un trend calcolato sulla base di un periodo così breve come un decennio è certamente molto difficoltosa e va intesa solamente come una prima e parziale informazione deducibile dai dati. Dunque il ricorso a rigorose tecniche di significatività statistica lascia grande spazio ad una lettura casuale dei fenomeni proprio per la piccola consistenza del campione. D altro canto, non è propriamente corretto calcolare un trend lineare nel caso dei fenomeni estremi. L applicazione di tale metodologia, infatti, suppone implicitamente che i dati in analisi si distribuiscano secondo una legge normale; mentre gli eventi estremi seguono altri tipi di distribuzione (in particolare Gumbel per i massimi annuali). 2. Sequenze plurisecolari di giorni con pioggia e con assenza di pioggia Il presente studio riguarda appunto una caratteristica specifica della precipitazione che è la sua persistenza o assenza nel tempo. In particolare, considerata come unità di base la presenza o la assenza di precipitazione nelle 24 ore di un giorno (cioè definendo giorno piovoso e giorno secco rispettivamente quello con presenza o assenza di precipitazione, si veda più avanti) si è: individuato il modello statistico teorico che sia in grado di interpretare, appunto a livello statistico, le caratteristiche delle interazioni tra la tipologia di un giorno e quelle dei giorni contigui, passando dal campione all intero universo ; verificato se il modello teorico individuato mostri caratterizzazioni diverse tra il trentennio più vicino a noi e il periodo secolare precedente, al fine di portare un ulteriore contributo conoscitivo alla problematica dei cambiamenti climatici in atto, peraltro relativo ad un aspetto piuttosto rilevante delle precipitazioni o meglio della assenza di precipitazioni. E stata analizzata la serie ultrasecolare (dal 1858 al 2000) delle precipitazioni giornaliere rilevate a Milano sia nella loro aggregazione annuale sia separatamente per il semestre freddo (mesi da ottobre a marzo) che per il semestre caldo (da aprile a settembre), avuto riguardo al fatto che il clima italiano, in generale, presenta una ben netta caratteristica stagionale. Definito giorno piovoso (W-wet) quello in cui si è avuta una precipitazione uguale o maggiore di 1 mm, ed ovviamente giorno secco (D-dry) quello in cui non si è avuta precipitazione o comunque non superiore a 1 mm, ogni set di dati si presenta come successione di W e D. Come da prassi, viene definita sequenza di lunghezza n (spell) la successione di n giorni consecutivi di uguale modalità (giorni secchi o piovosi) immediatamente preceduta e seguita da un giorno di modalità opposta (giorno piovoso o secco). Così, ad esempio una sequenza di 4 giorni piovosi è individuata dalla successione DWWWWD. I campioni sono dunque formati da queste sequenze. E evidente che ogni lacuna nel set di dati (mancanza di uno o più giorni consecutivi) interrompe sia la sequenza precedente sia quella successiva che quindi non entrano a far parte del campione. 20

5 Primi risultati e conclusioni 1. Eventi estremi 1.1 Precipitazioni a 24 ore e 12 ore I risultati relativi all analisi della frequenza (Fig 5) mostrano che il 74% delle stazioni (o in termini di area che il 70% dell intera superficie dell Italia) presenta un aumento del numero di eventi estremi nel periodo rispetto al o nell anno o almeno in una stagione. In particolare, il fenomeno è consistente in tutto il nord, zona alpina compresa, e nella zona del versante tirrenico della penisola. Nella fascia adriatica e ionica prevalgono ancora i SI ma in modo molto meno netto. In Sardegna al contrario, non ci sono aumenti ma solo diminuzioni. Fig 5 - Stazioni che presentano un aumento della frequenza degli eventi estremi a 24 ore negli ultimi 25 anni o nell anno o almeno in una stagione. Fig 6 - Stazioni che presentano un aumento della intensità degli eventi estremi a 24 ore negli ultimi 25 anni o nell anno o almeno in una stagione. Per quanto attiene all intensità dei fenomeni estremi (Fig. 6), l aumento annuale, o almeno stagionale, riguarda il 71% delle stazioni pari al 74% della superficie nazionale. Nell insieme, 37 stazioni su 70, cioè oltre la metà, mostrano un contemporaneo aumento della frequenza e dell intensità, 28 presentano un aumento o della frequenza o dell intensità e solo 5 (di cui 3 in Sardegna) non mostrano né aumenti di frequenza né aumenti di intensità. I risultati dell analisi del data-set a 12 ore confermano quelli a 24 ore: le percentuali delle stazioni che presentano un aumento in frequenza e o in intensità sono equivalenti. Si nota, inoltre, un deciso aumento percentuale delle stazioni che presentano un risultato positivo al test di significatività statistica: in un certo senso, il fenomeno si presenta in maniera più marcata. 1.2 Precipitazioni a 10 minuti Pure nei limiti oggettivi legati alla consistenza spaziale e temporale delle misurazioni disponibili, si ritiene che lo studio presentato fornisca un quadro quantomeno interessante e già in qualche modo utile agli utenti su una fenomenologia sostanzialmente ancora non conosciuta ma di grande impatto su molteplici aspetti delle attività umane. 21

6 In generale, i risultati ottenuti mostrano una consistente variabilità intrinseca dovuta sia al fatto che le stazioni appartengono a zone climatiche diverse e sia alla brevità del periodo. Tuttavia emergono delle caratteristiche comuni: 1) i valori medi delle precipitazioni a breve periodo (da 10 a 180 minuti) sono più elevati nei mesi estivi proprio quando l andamento annuale delle precipitazioni nel clima italiano presenta un minimo. Chiaramente ciò è dovuto al fatto che le precipitazioni molto intense e di breve durata sono essenzialmente dovute a fenomeni di instabilità; 2) i valori medi più elevati sembrano accentrarsi nell ultima parte del periodo decennale per la maggioranza delle stazioni, le quali appunto presentano un trend positivo, anche se non molto consistente; 3) il trend dei valori estremi sia in relazione alle frequenze sia per i massimi annuali è positivo per i 2/3 circa delle stazioni. Si tratta di una circostanza che rende plausibile l ipotesi che ci sia una tendenza di fondo e complessiva all aumento degli eventi estremi, anche se a livello di singola stazione il test di significatività statistica è negativo; 4) c è una consistente interrelazione tra i fenomeni estremi alle varie scale di tempo almeno fino alla precipitazione cumulata su tre ore, nel senso che molto spesso precipitazioni estreme a 10 minuti coincidono temporalmente con precipitazioni estreme a 180 minuti, con un evidente aspetto di persistenza. 2. Sequenze plurisecolari di giorni con pioggia e con assenza di pioggia Le prove comparate tra diverse distribuzioni teoriche che sono state utilizzate da vari studiosi in analoghe ricerche condotte in diversi paesi (Catene Markoviane, binomiali negative, esponenziali e logaritmiche) hanno individuato nello schema dell interazione debole di Eggenberger-Polya (E.&P.) quello più adatto a rappresentare le caratteristiche climatiche delle sequenze nel territorio italiano. I due parametri che definiscono la distribuzione di E.&P discendono sostanzialmente dalla media e dalla varianza: il confronto tra l ultimo trentennio (2 periodo) e il secolo precedente (1 periodo) non può essere ricondotto al confronto tra le due medie e le due varianze fondato sull impiego di appositi test (t-student e F-Fisher) perché la distribuzione non è quasi-normale. Pertanto, si è proceduto a verificare se la distribuzione di E.&P. con i parametri tratti dal primo periodo fitti anche i dati del secondo periodo: nel caso positivo si può sostenere che i due campioni appartengono allo stesso universo; nel caso negativo, invece, si può ritenere che il secondo periodo sia climatologicamente diverso dal primo. Il confronto tra i dati dell ultimo trentennio e il secolo precedente per quanto riguarda la stazione di Milano ha mostrato che le differenze dei parametri caratteristici della distribuzione di E.&P. sono statisticamente rilevabili e significativi, nel senso di un aumento delle sequenze più lunghe dei giorni non piovosi. L indagine ha mostrato che l ultimo trentennio e il periodo secolare precedente non differiscono per le sequenze dei giorni piovosi; invece differiscono significativamente nelle sequenze dei giorni secchi sia relativamente al semestre freddo sia al semestre caldo (Tab. 1 e 2). Infatti, c è un significativo aumento della durata media delle sequenze di giorni secchi, dell ordine del 10 20%, in questi ultimi trent anni rispetto all andamento secolare precedente sia nel semestre caldo che nel semestre freddo essenzialmente dovuto all aumentata frequenza delle sequenze più lunghe ( 25 giorni) (Tab. 3 e 4). 22

7 Tab. 1 - Confronto frequenze dry spell 1 e 2 periodo semestre freddo. Tab. 2 - Confronto frequenze dry spell 1 e 2 periodo semestre caldo dry spell 3 giorni dry spell 25 giorni dry spell 3 giorni dry spell 25 giorni 1 periodo 0,479 0,036 2 periodo 0,458 0,055 Tab. 3 - Probabilità delle dry spell semestre freddo 1 periodo 0,447 0,016 2 periodo 0,443 0,017 Tab. 4 - Probabilità delle dry spell semestre caldo. Sulla base dei dati sperimentali, si può dunque affermare che il quadro climatico complessivo relativo a quest ultimo trentennio si manifesta, rispetto all andamento secolare precedente e relativamente alla stazione presa in esame, favorevole al manifestarsi sempre più frequente di lunghi periodi di tempo con assenza di precipitazioni, fornendo un ulteriore contributo a quelle caratteristiche di siccitosità che per altre vie e per altri aspetti sono già state messe in luce o, comunque, vengono ipotizzate come conseguenza degli impatti climatici delle attività antropiche. Bibliografia essenziale Smith R.L., Statistics of extremes, with applications in environment, insurance and finance. Chapter 1, Extreme Values in Finance, Telecommunications and the 23

8 Environment, edited by B. Finkenstadt and H. Rootzen, Chapman and Hall/CRC Press, London, pp Coles S., An introduction to statistical modelling of extreme values, Springer Series in Statistics, Verlag UK Karl T.R., Knight R.W., Secular Trends of Precipitation Amount, Frequency, and Intensity in the United States, Bulletin of the American Meteorological Society Nicholls N. and Kariko A., 1992: East Australian rainfall events: Interannual variations, trends, and relationships with the Southern Oscillation. Fifth Int. Meeting Stat. Climatol., 5, J82 J86 Yu B., Neil D.T., Global warming and regional rainfall: the difference between average and high intensity rainfalls. Int. J. Climatol., 11: Brunetti M., Maugeri M., Nanni T., 2001: Changes in total precipitation, rainy days and extreme events in North Eastern Italy. Int. J. Climatol., Brunetti M., Buffoni L., Maugeri M., Nanni T., Precipitation intensity trends. in Northern Italy Int. J. Climatol. 20: Karl T.R., Knight R.W., Plummer N., Trends in high-frequency climate variability in the twentieth century. Nature 377: Coles S., An introduction to statistical modelling of extreme values, Springer Series in Statistics, Verlag UK Gabriel K.R. and Neumann J., A Markov chain model for daily rainfall occurence at Tel-Aviv. Quart. J. R. Met. Soc., 88, De Arruda H.V., and Pinto H.S., An Alternative Model for dry-spell probability analysis. Mon. Wea. Rev., 108, Berger A. and Goossens CHR., Persistence of wet and dry spells at Uccle (Belgium). J. Clim. Vol 3,