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Premessa
L'obbiettivo di questo
lavoro è quello di fornire sia i dati sia una valutazione aggiornata
degli scenari di cambiamento climatico a livello nazionale dovuti a cause
naturali o antropogeniche.
Gli scenari di cambiamento climatico a cui si fa riferimento sono il
prodotto di modelli numerici di circolazione generale (GCM)
dell'atmosfera, i cui risultati sono disponibili alla comunità
scientifica. L'analisi di questi risultati è indispensabile ai fini
dell'elaborazione di scenari per le valutazioni di impatto sui settori
agricolo, forestale, idrologico, delle risorse costiere, etc. Questi
risultati costituiscono, in pratica, l'unica fonte di informazione
disponibile sul futuro del clima regionale, anche se il loro limite
principale è quello di non poter fornire informazioni a scale spaziali
ridotte.
GCM: generalità
I modelli di circolazione
generale (GCM) dell'atmosfera sono utilizzati sia nelle previsioni
meteorologiche che nella modellistica climatologica. Un modello climatico
è costituito da un insieme di equazioni termodinamiche e idrodinamiche
risolte con l'ausilio di opportune condizioni iniziali ed al contorno (es.
l'input di energia solare, la topografia terrestre etc.), assumendo dei
valori noti per le costanti fisiche (sia dati planetari che costanti
interne quali la composizione chimica dell'atmosfera e dell'oceano, i
calori specifici, etc.) e gli schemi di parametrizzazione dei flussi di
vapor d'acqua, massa o energia che avvengono su scale inferiori a quelle
risolte dalla schematizzazione numerica adottata.
Per comprendere interamente il sistema climatico si deve considerare sia
il comportamento di ogni componente individuale che le forti interazioni
tra le componenti. Questo obbiettivo è di difficile realizzazione
pratica, a causa della grande variabilità delle scale spazio-temporali
dei processi di interesse (es. le scale temporali dei processi atmosferici
variano tra 10-3 e 10-1 anni, ovvero su scala settimanale giornaliera e
sub-giornaliera, mentre i processi oceanici variano tra 10-1 e 103 anni e
i processi che coinvolgono la criosfera tra 100 e 105 anni).
Un modello climatico comprende sia componenti "dinamiche"
(ovvero le equazioni del moto e il trasporto su grande scala di massa,
vapor d'acqua ed energia), sia componenti, per così dire,
"fisiche" (l'input di radiazione solare, l'assorbimento o
l'emissione di questa radiazione da parte della superficie terrestre, la
formazione di nubi, la loro distribuzione, le precipitazioni e il rilascio
del calore latente, i bilanci termodinamici, etc.). Altri fattori da
considerare sono i processi di scambio tra l'atmosfera e la superficie
terrestre e tra l'atmosfera e l'oceano, la topografia, l'umidità del
suolo, la copertura vegetale etc.
I modelli GCM hanno un elevato numero di gradi di libertà, dal momento
che le equazioni di base devono essere risolte in tutti i punti
corrispondenti alla risoluzione spaziale adottata. A causa del limite
intrinseco imposto dalla risoluzione spaziale, i processi che avvengono a
scale spaziali più piccole di quelle rappresentate dal modello non
possono essere rappresentate né risolte. I fenomeni di sottogriglia
devono essere parametrizzati, quando possibile, in termini di variabili
risolte nella macroscala.
I processi atmosferici e quelli oceanici sono strettamente connessi
attraverso scambi di quantità di moto, calore e materia, e quindi
l'utilizzo di un modello accoppiato atmosfera-oceano è un obbiettivo
fondamentale. Tuttavia, proprio a causa della grande variabilità delle
scale temporali dei processi atmosferici e di quelli oceanici,
l'integrazione di un modello "fully-coupled" che comprenda
l'atmosfera, l'oceano, la terra e la criosfera è estremamente difficile.
Anche se tutti i principali processi interattivi fossero pienamente
compresi il modello dovrebbe comunque, almeno in teoria, girare col passo
di integrazione temporale della componente più veloce del sistema, ovvero
dell'atmosfera. Gli approcci utilizzati per risolvere questo problema sono
stati molteplici, in passato: una prima direzione semplifica i processi
oceanici risolvendo esplicitamente la sola componente atmosferica, una
seconda, viceversa, simula i processi atmosferici attraverso un più
semplice modello stocastico e risolve esplicitamente la componente
oceanica. Un approccio diverso è quello che accoppia i due sottosistemi
interagenti risolvendo esplicitamente sia i processi atmosferici che
quelli oceanici in base alle conoscenza di cui attualmente disponiamo e
alle attuali capacità delle risorse di calcolo.
Il modello HADCM3
Il modello HADCM3 può
essere considerato come lo stato dell'arte dei modelli climatici, in grado
di rappresentare i principali processi fisici e chimici con cui i fenomeni
climatici si realizzano. Rispetto ad altri modelli di circolazione
generale, il grosso passo avanti realizzato dall'HADCM3 consiste
nell'accoppiamento atmosfera-oceano (Atmosphere-Ocean General Circulation
Model AOGCM). Rispetto agli sforzi precedentemente fatti nei modelli AOGCM,
il modello HADCM3 non richiede correzioni nei flussi di massa e di energia
(ovvero aggiustamenti in positivo o in negativo del calore fornito al
sistema, in particolare per ciò che riguarda la superficie oceanica) per
produrre una buona simulazione.
Il modello è stato utilizzato per simulare la variabilità del clima e i
suoi cambiamenti durante i passati 100 anni, e per prevedere i cambiamenti
che si manifesteranno nei prossimi 100 anni.
Si tratta di un modello climatico sviluppato dall'Hadley Centre che
fornisce una dettagliata rappresentazione tridimensionale delle maggiori
componenti del sistema climatico. Il modello gira principalmente sui
supercomputers Cray T3E del Met Office. Il modello è costituito da un
insieme di modelli che sono organizzati in varie differenti
configurazioni.
Atmosfera Modellodi
circolazione atmosferica (AGCM) Chimica dell'atmosfera Modello di
circolazione atmosferica accoppiato al modello di circolazione oceanica (AOGCM)
Modelli climatici regionali (RCM)
Superficie terrestre Ciclo del carbonio
Oceano Modelli di circolazione oceanica 3D (OGCM)
Il modello di circolazione
atmosferica generale (AGCM) è costituito da una rappresentazione
tridimensionale dell'atmosfera accoppiata con la superficie terrestre e la
criosfera. Un modello siffatto è simile ai modelli numerici comunemente
impiegati per le previsioni meteorologiche, ma dal momento che deve
produrre proiezioni per decadi o secoli, anziché per pochi giorni, adotta
un livello di discretizzazione spaziale molto meno dettagliato.
Al modello AGCM inoltre vanno forniti i dati relativi alla temperatura
della superficie marina e alla copertura del ghiaccio marino; quindi, di
per sé, un modello AGCM non potrebbe essere usato per le previsioni
climatiche, perché non è in grado di rappresentare la variabilità delle
condizioni marine. I modelli AGCM sono utili per studiare i processi
atmosferici, la variabilità del clima e la sua risposta ai cambiamenti di
temperatura della superficie marina.
Il corrispondente modello di circolazione oceanica OGCM è una
rappresentazione tridimensionale dell'oceano e dei ghiacci, che di per sé
servono a definire la circolazione oceanica i processi interni, ma
necessitano dei campi atmosferici (quali la temperatura dell'aria).
Il ciclo del carbonio terrestre è modellato all'interno dello schema
della superficie terrestre dell'AGCM, e il ciclo del carbonio marino
all'interno dell'OGCM. La modellazione del ciclo del carbonio è
importante per cogliere parecchi importanti feedbacks climatici dipendenti
dalla concentrazione di anidride carbonica, quali ad esempio la cattura e
il rilascio di CO2 da parte delle piante o dell'oceano.
Caratteristiche
All'interno dell'HADCM3
l'atmosfera e' schematizzata attraverso 19 livelli con risoluzione
orizzontale di 2.5° in latitudine e di 3.75° in longitudine, di modo che
la griglia globale è costituita da 96 x 73 celle aventi una risoluzione
superficiale di 417 Km x 278 Km in prossimità dell'equatore, che si
riduce a 295 Km x 278 Km alla latitudine di 45°. Il passo di integrazione
temporale è di 30 min , anche se i dati vengono archiviati con
risoluzione temporale più grande. Sono utilizzate 6 bande spettrali per
rappresentare l'effetto della radiazione solare e 8 per quella terrestre,
e sono rappresentati anche gli effetti di gas minori (NH4, N2O,
CFC11,CFC12,HCFC22...). I processi idrologici rappresentati comprendono la
rappresentazione del congelamento e dello scioglimento dell'acqua nel
suolo, il runoff superficiale, il deflusso profondo, l'evapotraspirazione.
Nell'HADCM3 l'oceano è rappresentato attraverso 20 livelli con
risoluzione orizzontale di 1.25° x 1.25° (sei celle oceaniche per ogni
cella atmosferica); i livelli verticali sono distribuiti in modo tale da
fornire una risoluzione più alta in prossimità della superficie marina.
Nell'accoppiamento atmosfera-oceano i flussi di calore superficiale sono
rappresentati in modo realistico, e la climatologia della temperatura
della superficie marina e del ghiaccio marino rappresentano dei forti
miglioramenti rispetto agli sforzi precedenti.
Modello delle quote
utilizzato in HADCM3 (griglia 96*73)
Definizione di Scenario
Le simulazioni numeriche
assumono che le future emissioni dei gas responsabili dell'effetto serra
seguiranno lo scenario IS92a, in cui la concentrazione della CO2 in
atmosfera diverrà più del doppio nel corso del ventunesimo secolo.
Questo scenario si riferisce ad una situazione in cui le attività
produttive continueranno le proprie emissioni mantenendo il trend del
periodo precedente e senza che vengano prese le misure opportune per
ridurre le emissioni.
Bisognerà comunque fare attenzione che le previsioni dei modelli
climatici sono sottoposte a una grande incertezza di fondo, a causa della
nostra limitata conoscenza sul funzionamento del sistema climatico e al
grande costo computazionale richiesto per modellare la variabilità del
clima sull'intero pianeta.
Gli esperimenti di cambiamento climatico comprendono sia un esperimento di
cambiamento climatico che perturba il sistema incrementando la CO2 che un
esperimento di controllo che simula il sistema in assenza di perturbazioni
(ovvero assumendo una concentrazione della CO2 e degli altri gas-serra
pari a quella attuale). La differenza tra i risultati delle simulazioni
fornisce la stima della sensitività del clima alle variazioni simulate di
CO2 e quindi un possibile scenario di cambiamento climatico. È infatti
importante sottolineare come gli scenari di cambiamento climatico non
rappresentino una previsione del clima futuro (che sarebbe impossibile
date le difficoltà intrinseche alla predicibilità del clima, le
incertezze proprie dei risultati prodotti dai modelli, la limitata
disponibilità di dati sul clima presente e l'incertezza sugli scenari di
emissione futura) quanto piuttosto una valutazione della sensibilità del
clima rispetto all'incremento della concentrazione atmosferica dei
gas-serra.
Descrizione del lavoro
svolto
L'attività si è
concentrata sul recupero dei dati degli scenari di cambiamento climatico
dal sito FTP dell'Hadley Center ftp:\\ link1.cru.uea.ac.uk.
Il formato dei dati relativi alle uscite degli scenari fornito dall'Hadley
Center è raccolto in una serie di file ASCII compressi tipo gzip, nei
quali sono raccolte tutte le variabili prodotte dal modello identificate
da un header che specifica il run del modello e le sue caratteristiche. A
questo segue la matrice dei dati formata da 7008 elementi che
rappresentano i valori del parametro per ciascun punto di griglia.
I singoli file compressi sono relativi ai vari decenni e coprono un
periodo che parte dal 1860 e finisce al 2099. Le configurazioni del
modello prevedono diverse ipotesi come abbiamo già illustrato nella parte
introduttiva.
Quelle che abbiamo ritenuto le più idonee, anche grazie ai suggerimenti
del Dott. David Viner, responsabile della gestione dati presso l'Hadley
Center, sono le seguenti :
· H3GGa1 - Scenario di un
aumento di concetrazione fino all'1% dei gas serra (su base annua)
(GGa1 = Greenhouse gases forced IS92a ).
· H3CON - Scenario di
controllo dove non si hanno forzanti climatiche.
Il formato temporale dei
dati acquisito e disponibile è mensile e giornaliero per l'H3Gga1 e solo
giornaliero per l'H3CON. E' necessario precisare che, per motivi di
omogeneizzazione, le impostazione correnti dei run del modello prevedono
un anno fittizio di 360 giorni suddiviso in 12 mesi di 30 giorni, in modo
da realizzare delle uscite omogenee relative ai vari mesi e facilitare le
statistiche relative all'analisi temporale dei dati.
Sono state costruite una serie di procedure per la lettura dei dati (vedi
Appendice I) che hanno permesso la parserizzazione di tali file e la loro
trasformazione in file di dati sequenziali di tipo binario.
Successivamente sono stati estratti, grazie a degli script (Appendice II),
i dati relativi ai punti di griglia prossimi al territorio italiano. La
scelta di questo ambiente di calcolo è sembrato opportuna per la buona
disponibilità di risorse algoritmiche e la possibilità agevole di uscite
grafiche.
La localizzazione dei punti di griglia è presentata nelle figure
sottostanti.
Posizione dei punti relativi per l'Italia del grigliato HADCM3
Posizione dei punti relativi per l'Italia del grigliato HADCM3 per il
vento a 10 metri
Relativamente ai i run di
controllo alcuni parametri non sono ancora disponibili e la causa di
questa mancanza sembra dovuto ad una mancanza di fondi necessari per lo
svolgimento dei run relativi.
Nella legenda sottostante vengono riportate tutte le variabili climatiche
che può fornire il modello. Quelle acquisite ai fini del progetto
CLIMAGRI sono riportate in rosso e corsivo per quanto riguarda lo scenario
mentre quelle sottolineate identificano i parametri presenti nel run di
controllo. Le caratteristiche dei file ASCII relativi agli scenari sono
riportate nell'Allegato III.
E' necessario sottolineare che per il run dello scenario H3GGa1 i dati
disponibili sono sia giornalieri che mensili mentre per il run di
controllo il dato è solo giornaliero, quindi il dato mensile presente nei
files è una elaborazione successiva.
Inoltre il file relativo alla pressione superficiale sul livello del mare
(mean sea level pressure) risultano mancanti i dati del run di controllo
relativi al decennio 1870 al 1879 essendo il file scaricato dal sito FTP
corrotto. Sono comunque già state avviate le dovute richieste e non
appena disponibili, i dati relativi saranno messi a disposizione del
progetto.
Tabella riassuntiva della disponibilità dei dati presso l'Hadley Center
Sito FTP:(ftp:\\ link1.cru.uea.ac.uk).
I parametri in rosso e
corsivo sono quelli per cui si è proceduti all'estrazione dei dati per
l'area italiana ed i files relativi sono identificabili dalla sigla "GLOB"
compresa nel nome.
I parametri sottolineati si riferiscono al run di controllo e sono
identificabili dalla sigla "CONTR" presente nel nome del file.
Disponibilita CodiceFile
Unità Misura HadCM3GGA1Scenario (1%) HadCM3CON(Controllo)
Umidità Specifica Sphu GG MESE ND ND
Temperatura superficialeMare Terra Stat ° C GG MESE ND ND
Neve Cumulata Snat GG MESE ND ND
Nuvolosità(radiazione onda lunga -OLR) Tcwl Watt/m2 GG MESE ND ND
Flusso totale radiazione incidente o e corte Dswf GG MESE ND ND
Flusso netto radiazione incidente o e corte Nswf GG MESE ND ND
Flusso calore sensibile Suhf GG MESE ND ND
Flusso umidità superficiale Evap GG MESE ND ND
Temperature Media(1.5Metri) Temp ° C GG MESE GG MESE
Temperature Massima(1.5Metri) Tmak ° C GG MESE GG MESE
Temperature Minima(1.5Metri) Tmik ° C GG MESE GG MESE
Umidita Relativa(1.5Metri) Rhum % GG MESE ND ND
Velocita del Vento(10 Metri) Wind m/sec GG MESE ND ND
Velocita del VentoMassima(10 Metri) Wmax ND ND ND ND
Quota pioggia (larga scala) Synr GG MESE o ND
Quota neve(larga scala) Syns GG MESE GG ND
Disponibilita CodiceFile Unità Misura HadCM3GGA1Scenario (1%)
HadCM3CON(Controllo)
Contributo pioggia (convettiva) Conr GG MESE GG ND
Contributo neve (convettiva) Cons GG MESE GG ND
Contributo pioggia (totale) Totr ND ND ND ND
Contributo neve (totale) Tots ND ND ND ND
Precipitazione totale Prec mm/gg GG MESE GG MESE
Drenaggio Superficiale Runs GG MESE ND ND
Drenaggio sottosuperficiale Runb GG MESE ND ND
Contenuto umidità del suolo Soil GG MESE ND ND
Altezza Geopotenziale - GG MESE ND ND
Pressione media (slm) Mslp hPa GG MESE GG MESE
Umidità media (geopotenziale) - GG ND ND ND
Temperatura (geopotenziale) - ND ND ND ND
Indirizzi internet
I siti per avere maggiori
informazioni sulla disponibilità di dati del modello HADCM3 sono i
seguenti:
http://www.cru.uea.ac.uk/link/hadcm3/HadCM3vars.html
http://www.cru.uea.ac.uk/link/hadcm3/experiments/1hadcm3_contents.html
Appendice I
Modello di header originale
del file di uscita del modello
Climate Impacts LINK Project
Hadley Centre Unified Model 22-Aug-99
Start year is xxxx Grid= 96 * 72
Year= xxxx Month= x Day= x
HadCM3 - H3GGa1 Stash Code= 3249 Msproc= 128
Nome variabile (m/s)
xxxx Format is 10F8.2; missing value is 9999.99
Appendice II
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# read .pl -Script per la lettura degli scenari HADCM3
# e trasformazione in file testo sequenziali
# In argomento file dati HADCM3
#####################################################
($file,$out)=@ARGV;
open(new,">$out");
open(old,"$file");
while ($a=<old>){
if($a=~m\.issing\g)
{
read(old,$vali1,56766);
@val=split(/\s+/,$vali1);
foreach $val(@val)
{print new "$val\n"; }
}
};
close(old);
close(new);
Appendice III
Nei file allegati le tabelle
con i dati meteo corrispondenti ai punti selezionati nel reticolato del
GCM sono cosi' strutturate:
2880 righe * 30 colonne
dove: 2880 = 12 (mesi) * 240
(anni dal 1860 al 2099)
Il numero dei punti del GCM HADCM3 è pari a, per tutti i parametri, : 30
= punti del reticolato GCM di 30 < latitudine < 50 e 5 <
longitudine < 20 e la loro posizione dipende dal tipo di parametro.
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