Migliorare la previsione dei fenomeni meteo estremi con i modelli climatici ad altissima risoluzione: lo studio

I modelli climatici ad alta risoluzione possono migliorare la previsione delle precipitazioni estreme.

Uno studio internazionale che coinvolge gli scienziati della Fondazione CMCC (Centro Euro-Mediterraneo sui Cambiamenti Climatici), presenta il primo ensemble di simulazioni climatiche regionali ad altissima risoluzione, aprendo promettenti prospettive per le indagini sul clima e sui cambiamenti climatici a scala locale e regionale.

La Fondazione CMCC ha aderito allo studio proponendo una configurazione del modello climatico "convection-permitting’"che inoltre attiva la parametrizzazione urbana e tiene conto, mediante un “tile approach”, delle aree urbanizzate e del flusso di calore prodotto dalle attività antropogeniche.

L'approfindimento a cura di: Paola Mercogliano, direttrice della divisione Regional Models and geo-Hydrological Impacts alla Fondazione CMCC e Marianna Adinolfi ricercatrice CMCC.

Cambiamenti climatici: le conseguenze su città, territori e infrastrutture 

La resilienza delle città e dei territori ai cambiamenti climatici è strettamente legata alla capacità di definire ed implementare misure e strategie efficaci all’interno dei piani di adattamento definiti dai decisori locali.

Sono diversi gli elementi che concorrono a limitare gli impatti dei cambiamenti climatici, tra questi vi è assolutamente la capacità di saper valutare l’evoluzione futura della pericolosità climatica.

Particolarmente complessa, in tale senso, è la capacità dei modelli climatici, anche ad elevata risoluzione spazio-temporale nel rappresentare l’evoluzione attesa per i fenomeni temporaleschi che solitamente sono molto localizzati nel tempo e nello spazio.

Tale problematica è stata al centro del lavoro della comunità scientifica che sviluppa modelli climatici e che ha cercato di progredire nell’evoluzione dei modelli con la finalità di riuscire in una buona rappresentazione di tali fenomeni e quindi di poter essere di supporto a una più adeguata valutazione delle misure di adattamento.

Soprattutto tali tematiche sono notevoli per quanto attiene la progettazione resiliente al cambiamento climatico nei territori urbani. Infatti nelle aree urbane le dinamiche che portano agli allagamenti a partire da piogge intense avvengono su tempi rapidi che richiedono, per una valutazione degli impatti, una caratterizzazione delle piogge molto accurata.

Tale problematica va ad acuire il problema della generale intensificazione degli eventi estremi, fenomeno oramai statisticamente osservato già da diversi anni e che, senza adeguate politiche di mitigazione, è atteso possa generalmente crescere nei prossimi con un incremento in frequenza ed intensità di tali fenomeni.

Senza adeguati piani di adattamento, i fenomeni estremi a cui oggi assistiamo, sono destinati a impattare fortemente le infrastrutture, causando l’esondazione di corpi idrici e allagamenti, mettendo in crisi i sistemi di collettamento e rivelando l’incapacità delle reti fognarie di gestire grandi flussi d’acqua. 

Inoltre, specie, nel contesto italiano, la necessità di comprendere fenomeni che possono durare anche solo poche ore e interessare una scala geografica anche molto piccola (dell’ordine di qualche chilometro), si fa ancora più forte in alcuni specifici contesti geografici, ad orografia complessa, dove eventi di pioggia estrema - tipici della stagione estiva - possono determinare gravi conseguenze. 

I modelli climatici ad altissima risoluzione

I modelli climatici ad altissima risoluzione, attualmente sviluppati dalla comunità scientifica, stanno dimostrando, come risulta da diversi lavori scientifici pubblicati, di essere in grado di migliorare la capacità dei modelli della precedente generazione di rappresentare tali piogge estreme su scala orarie.

Uno studio internazionale che ha coinvolto anche alcuni ricercatori della divisione REMHI (modelli regionali ed impatti geo-idrologici) della Fondazione CMCC ha presentato il primo “ensemble” di simulazioni climatiche regionali ad altissima risoluzione, riportando risultati incoraggianti in tal senso.

Lo studio è stato condotto da ricercatori di tutta Europa in riferimento all’iniziativa “CORDEX-FPS Flagship Pilot Study on convective phenomena” e presenta il primo insieme di simulazioni climatiche ad altissima risoluzione prodotte da modelli climatici a scala regionali diversi, perlopiù indipendenti ma con caratteristiche simili, su scala chilometrica e con orizzonte temporale di un decennio.

Tali modelli climatici, denominati ‘convection permitting’, sono già ampiamente utilizzati nelle previsioni meteorologiche, ma richiedono grandi risorse di supercalcolo, che limitano il loro uso nella modellazione del clima a lungo termine. Il continuo miglioramento nella potenza dei calcolatori, tuttavia, sta rendendo sempre più accessibile il loro utilizzo nello sviluppo degli scenari climatici.

Nell’ambito di tale lavoro scientifico, recentemente pubblicato, il confronto tra i valori di precipitazioni riprodotti dalle simulazioni climatiche e i dati osservati sul periodo (2000-2009) ha dimostrato l’efficacia dei modelli “convection permitting” nel simulare gli eventi reali ottenendo, in particolare, risultati soddisfacenti per il modello configurato dalla Fondazione CMCC.

Inoltre, i risultati ad alta risoluzione (3 km) sono stati confrontati con modelli a risoluzione inferiore (12 km), dimostrando che l’alta risoluzione fornisce un miglioramento significativo delle prestazioni del modello.

In particolare, in Figura 1 si riportano, relativi alla stagione estiva, la frequenza oraria delle precipitazioni (prima colonna), intensità di precipitazione (seconda colonna) e 99.9 percentile (valore particolarmente estremo) della precipitazione oraria (terza colonna) nel confronto tra i dati osservati (prima riga), modelli a più alta risoluzione di circa 3km (seconda riga) e modelli a minor risoluzione di circa 12km (terza riga).

Da Figura 1 si evince che l’ensemble delle simulazioni a 12 km sovrastima la frequenza oraria degli eventi estivi (in particolare sulle Alpi) rispetto all’ensemble a 3 km nel confronto con le osservazioni. Si evince anche la sottostima dell’intensità e degli eventi estremi (99.9 percentile). 

I miglioramenti più significativi delle simulazioni ad alta risoluzione rispetto a quelle a bassa risoluzione sono stati riscontrati soprattutto in estate, periodo in cui il modello a bassa risoluzione sovrastimava la frequenza e sottostimava l’intensità delle precipitazioni giornaliere e orarie. In media, l’ensemble dei modelli ad alta risoluzione mostra un incremento dell’intensità degli eventi estremi di precipitazione oraria di circa il 40% ed una riduzione della loro frequenza del 50% rispetto ai modelli a più bassa risoluzione. Inoltre, l’incertezza, ovvero la variabilità tra i modelli, per quanto riguarda la frequenza oraria della pioggia è quasi dimezzata dai modelli ad alta risoluzione. 

Figura 1: Frequenza oraria delle precipitazioni (prima colonna), intensità di precipitazione (seconda colonna) e 99.9 percentile della precipitazione oraria (terza colonna) nel confronto tra i dati osservati (prima riga), ensemble dei modelli a più alta risoluzione di circa 3km (seconda riga) ed ensemble dei modelli a minor risoluzione di circa 12km (terza riga).

Risulta evidente quindi che queste simulazioni sono più performanti rispetto alle simulazioni meno risolute nella rappresentazione delle precipitazioni nel clima attuale, e quindi offrono una promettente prospettiva per le indagini sul clima e sui cambiamenti climatici a scala locale e regionale. 

Il CMCC ha aderito allo studio proponendo una configurazione del modello climatico ‘convection-permitting’ che inoltre attiva la parametrizzazione urbana e tiene conto, mediante un “tile approach”, delle aree urbanizzate e del flusso di calore prodotto dalle attività antropogeniche.

Questa configurazione consente di migliorare le performances del modello climatico in particolare nei contesti urbani. 

La comunità scientifica sta quindi lavorando per fornire ai decisori informazioni climatiche sempre più accurate al fine di permettere di formulare misure efficaci per adattarsi, riducendo l’impatto dei cambiamenti climatici anche nei contesti più complessi da valutare quali quelli urbani e ad orografia complessa.

Per maggiori informazioni:

Ban, N., Caillaud, C., Coppola, E., Pichelli, E., Sobolowski, S., Adinolfi, M., … & Zander, M. J. (2021). The first multi-model ensemble of regional climate simulations at kilometer-scale resolution, Part I: Evaluation of precipitation. Climate Dynamics, 1-28. https://doi.org/10.1007/s00382-021-05708-w