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Dalla scala meteorologica sinottica alla mesoscala per spieg

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by

Janis Patiño

on 20 January 2015

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Transcript of Dalla scala meteorologica sinottica alla mesoscala per spieg


Dalla scala meteorologica sinottica alla mesoscala per spiegare la provenienza dei fenomeni estremi



Scopo del lavoro
• Esiste qualche collegamento tra i moti atmosferici a grande scala e la generazione dei fenomeni estremi?

• Più in generale, è possibile mettere in relazione le variazioni climatiche con le grandezze idrologiche?

• Siamo in grado di prevedere l’influenza che le variazioni nel clima avranno sulle grandezze idrologiche?




Cenni di climatologia


1. La circolazione atmosferica

2. Le scale dei moti climatici



1. La circolazione atmosferica

La circolazione globale
A livello planetario i moti atmosferici sono causati e/o influenzati da:

gradienti di pressione
differente esposizione ai raggi solari
rotazione terrestre, attraverso l’accelerazione di Coriolis

Vi sono modelli più (o meno) accurati che tengono conto di fattori via via più complessi
Modello a una cella: la cella di Hadley
Modello più semplice, prevede una cella chiusa in ogni emisfero:

A causa della diversa esposizione solare, equatore e regioni polari sviluppano un ΔT, dunque un gradiente di pressione.

Le masse d’aria fredda polare cercano di contrastarlo muovendo verso l'equatore. L’aria calda equatoriale risale e ritorna ai poli.
Modello a tre celle
Più complesso, per terra in rotazione: prevede tre celle convettive distinte per ogni emisfero.

Le masse in alta quota dirette verso i Poli non riescono a raggiungerli perché deflesse verso Est dalla Forza di Coriolis. La
cella di Hadley
si chiude a 30°.

Parte dell’aria continua nella zona extratropicale (30°-60°) finché non incontra l’aria fredda polare, formando la
cella di Ferrel
.

La cella convettiva
polare
(60°-90°) è dovuta a differenze di pressione fra le calotte polari e le regioni a latitudini di 60°.
Esempio: implicazioni sul clima
L’equatore (

): Formazione di nubi alte fino a 10-15 km, dove l’aria si raffredda e l’acqua condensa. Piogge torrenziali, brevi e quotidiane, tipiche dei climi caldo-umidi.
30°
: Discesa di aria fredda che scendendo si riscalda. E’ la causa del clima caldo-secco delle regioni desertiche a queste latitudini.

60°
: Risalita di aria calda, con formazione di nubi e precipitazioni.
Circolazione globale effettiva

Nella pratica le cose sono più complesse, a causa di:
presenza dei continenti
differente capacità termica di questi rispetto agli oceani
presenza dei ghiacciai

Col tempo si sono sviluppati modelli sempre più accurati e affidabili (General Circulation Models, GCM), che riescono a simulare le condizioni reali.
2. Scale dei moti climatici
Le scale climatiche
Cella di Walker
Dovuta alla differenza di temperatura tra l’Oceano Pacifico Est ed Ovest.
Genera precipitazioni notevoli nella zona Ovest del pacifico, dove l’aria calda risale e forma delle nubi.
Esempio (scala sinottica):
la circolazione monsonica

E’ dovuta a differenze di temperatura continenti-oceani; d'estate i primi sono più caldi, per via della diverse caratteristiche termiche.

Comporta:
venti umidi che vanno dall’oceano ai continenti;
formazione di grandi celle convettive: sui continenti, c’è risalita di aria calda e umida, e dunque, spesso, nubi e precipitazioni.

D’inverno la circolazione si inverte (ma è meno intensa).
Esempio (scala sinottica):
la circolazione monsonica
Esempio (mesoscala): la brezza

I gradienti di temperatura innescano gradienti di pressione e dunque venti

La risalita dei fronti caldi porta alla formazione di nubi.
Dovuta a gradienti di temperatura terra-mare; più forte in estate;

La scala temporale è giornaliera: la terra tende a reagire più velocemente alle variazioni di esposizione. E’ più calda del mare nel pomeriggio, più fredda al mattino.
Brezza marina (sea-breeze)

Vento freddo che soffia dal mare verso la terra (purché ΔT > 5°C).

Innesca un fenomeno circolatorio più grande (sea-breeze circulation), che include un ritorno d’aria verso l’oceano in alta quota.

Il fronte freddo spinge in alto aria calda e potenzialmente umida. Se l’atmosfera è instabile, spesso porta precipitazioni temporalesche.

Brezza di terra (land-breeze)

Circolazione inversa, più debole, che si verifica quando il ΔT è opposto.

Entrambe le fasi sono influenzate o annullate dai venti a scala sinottica.
Esempio (microscala): influenza dell’orografia
3.
La variabilità climatica
- Il caso europeo: North Atlantic Oscillation (NAO)
- Il caso sudamericano: El Niño Southern Oscillation (ENSO)

La variabilità climatica
Può essere studiata attraverso l'osservazione delle
anomalie climatiche
: variazioni nelle grandezze climatologiche (es. T al livello del mare) rispetto allo stato climatico medio della grandezza, ovvero alla grandezza stessa mediata su un certo periodo di tempo

Lo
stato climatico medio
è dovuto sostanzialmente a:
Radiazione solare;
Orbita e posizione della terra;
Composizione dell’atmosfera;
Interazioni dell’atmosfera con altri comparti del “sistema Terra” (l’oceanosfera, la biosfera, ghiacci, vulcani, ecc)

La variabilità climatica (2)
Molti fenomeni di variabilità tendono a ripresentarsi con un certo periodo, tipico del fenomeno in questione

Esistono a diverse
scale temporali
:

Il caso europeo: North Atlantic Oscillation (NAO)
La North Atlantic Oscillation (NAO)
Consiste nell’oscillazione di masse d’aria tra l’artico e l’Atlantico sub-tropicale, dovuta alla presenza di due centri di bassa/alta pressione.

Intensità e posizione dei due centri oscillano continuamente con periodo non ben determinato
E’ una anomalia climatica
internally generated
, nel senso che è una conseguenza delle dinamiche del sistema atmosfera

L’interazione fra i due poli è fra le prinicipali cause di variabilità meteorologica, in Europa e non solo
L’indice NAOI
NAOI > 0
(fase positiva): inverni caldi e secchi nel Mediterraneo, umidi nel Nord Europa

NAOI < 0
(fase negativa): inverni umidi nel Mediterraneo, secchi in Nord Europa

Rogers (1984): è la differenza tra le pressioni atmosferiche al livello del mare tra Ponta Delgada, Azzorre e Akureyri, Islanda

Al segno dell'indice NAOI corrispondono le due diverse fasi del NAO

La fase del fenomeno esercita forte controllo sulle precipitazioni; a seconda della fase, i venti dell’Atlantico vengono deviati verso Nord (NAO+) o verso Sud (NAO-) nel loro percorso


Esempio (Mediterraneo)
Gran parte degli studi a riguardo ricercano correlazioni statistiche tra l’indice NAOI e le variabili idrologiche.
Esempio (2) (Calabria)
Esempio (3) (Iraq)
Esempio (4) (Lisbona, Portogallo)
In arancio: mesi in cui è stato registrato almeno un evento franoso
Cerchi: mesi in cui ne è stato registrato uno
Quadrati: mesi in cui ne è stato registrato più d’uno
Il caso sudamericano : El Niño Southern Oscillation (ENSO)
El Niño Southern Oscillation (ENSO)
E’ un fenomeno climatico accoppiato (oceano-atmosfera)
E’ il principale responsabile della variabilità climatica nella frangia tropicale dell’Oceano Pacifico.

El Niño e la sua fase opposta, La Niña, sono le componenti oceaniche, mentre la componente atmosferica è conosciuta come Oscillazione dal Sud.
Fase El Niño
È La fase calda del ciclo ENSO, in cui la piscina calda si sposta verso le coste sudamericane. Si verificano:

un aumento della temperatura superficiale marina (SST) nella zona Est del Pacifico equatoriale;

valori di pressione atmosferica più elevati nel fianco Ovest, e più bassi nel fianco Est.
Fase La Niña
E’ la fase fredda del ciclo ENSO, in cui la cella di Walker si intensifica. Nella zona Est del Pacifico:

le temperature superficiali SST e il livello del mare diminuiscono
il termoclino si solleva

Le condizioni atmosferiche sono molto più secche del normale sulla costa Est (Sud America), più umide sulla costa Ovest (Malesia, Indonesia, Australia).
Caratterizzazione dell’ENSO
Indici Oceanici: Oceanic Niño Index (ONI)
Indici Atmosferici: Southerm Oscillation Index (SOI)
Indici Misti: Multivariate ENSO Index (MEI)

Esempio: evento El Niño 1991-1992 (Colombia)
Nel 1992 è avvenuto un evento il Niño per il quale la Colombia non era preparata. I livelli dei bacini sono stati ridotti fino al 20% della loro capacità.


Questo evento mise alla luce gravi errori nella pianificazione energetica del paese; furono necessari 13 mesi di razionamento energetico.
Esempio: evento La Niña 2010-2011 (Colombia)


In questo inverno si sono avute le precipitazioni più intense e abbondanti mai registrate nel paese, nelle regioni Andina, dei Caraibi e del Pacifico.
Gen-Feb-Mar Apr-Mag-Giu Lug-Ago-Set Ott-Nov-Dic
(
El Niño
) (
La Niña
)
Molto al di sotto del normale (0-30%)
Moderatamente al di sotto del normale (30-60%)
Leggermente al di sotto del normale (60-90%)
Normale (90-110%)
Leggermente al di sopra del normale (110-140%)
Moderatamente al di sopra del normale (140-170%)
Molto al di sopra del normale (>170%)
Relazione tra NAO ed ENSO
La connessione esiste ma è
molto debole
(Walker e Bliss, 1932).
Polonsky e Sizov (1991) hanno dimostrato che:

l’oscillazione NAO tende ad essere più forte durante gli eventi ENSO;

Dalla scala meteorologica sinottica alla mesoscala per spiegare la provenienza dei fenomeni estremi
Yuri Marcela Dávila Torres
Edoardo Iavarone
Janis Patiño Higuita
Docente
Prof. Pierluigi Claps

Supervisione
Andrea Libertino
Anno Accademico 2014-15
Altre anomalie (
externally forced
)
Vi sono anomalie non generate dai fenomeni atmosferici e oceanici:

- Cicli solari
- Eruzioni vulcaniche
- Azioni antropiche

Conclusioni
Nonostante la complessità dei sistemi climatici, è evidente che gli eventi locali sono correlati (in modo diretto o indiretto) ai fenomeni di variabilità a scala sinottica.

La condizione attuale delle anomalie climatiche può influenzare fortemente la generazione dei fenomeni estremi, e modificarne le probabilità;

La previsione meteorologica non può prescindere dallo studio dei fenomeni (più o meno noti) a larga scala, attraverso l’uso di modelli numerici sempre più accurati;

I modelli di previsione meteorologica a scala sinottica (GCM) e a scala locale (LAM) sono ormai molto accurati, ma hanno tutt’ora dei limiti (spesso intrinseci);
Esempio: General Circulation Models (
GCM
)
Indagano la scala sinottica, sulla base di:
una grande mole di osserazioni (da satelliti, radar, sonde, aerei, stazioni..) per caratterizzare lo stato attuale dell’atmosfera;
la risoluzione di equazioni differenziali su un reticolo spaziale;
l’iterazione del calcolo su vari intervalli di tempo.

Forniscono previsioni per (circa) i 15 giorni successivi, oltre i quali la previsione diventa casuale.


Conclusioni (2)
Al monitoraggio di tipo meteorologico va affiancato un monitoraggio climatico (
Climate monitoring
), che studi il clima nella sua globalità accoppiando:
modelli meteorologici atmosferici
modelli oceanici
modelli di uso del suolo
modelli di impatto antropico
...

Bibliografia
Brandimarte L. et al. (2011), Relation between the North Atlantic Oscillation and Hydroclimatic Conditions in Mediterranean Areas, Water Resource Management, 25, 1269-1279
Dijkstra, H. A. (2006). The ENSO phenomenon: theory and mechanisms. Advances in Geosciences, 6(6), 3-15.
Ferrari E. et al. (2013) Influence of the North Atlantic Oscillation on winter rainfall in Calabria (southern Italy). Theoretical and applied Climatology, 114, 479-494
Hidalgo-Muñoz J.M. et al. (2011) Trends of extreme precipitation and associated synoptic patterns over the southern Iberian Peninsula. Journal of Hydrology, 409, 497-511
Hurrell J.W. (1995) Decadal trends in the North Atlantic Oscillation: regional temperatures and precipitation, Science, 269(5224), 676-679.
IDEAM. Análisis del impacto del fenómeno La Niña 2010-2011 en la hidroclimatología del país. Available at www.ideam.gov.co. Accessed 12 December 2014.
IDEAM (2007). Actualización del componente Meteorológico del modelo institucional del IDEAM sobre el efecto climático de los fenómenos El Niño Y La Niña en Colombia. Actividades desarrolladas en el marco del contrato de prestación de servicios No IDEAM 063-2007. Available at www.ideam.gov.co. Accessed 12 December 2014.
Khidher S.A., Pilesjo P. (2014) The effect of the North Atlantic Oscillation on the Iraqi climate 1982-2000. Theoretical and applied Climatology.
McCarronS. (2006), Physical Geography, Pearson
Orozco, O.L. & Y. Escobar. (2008). Incidencia de El Niño-Oscilación del Sur en la precipitación y la temperatura del aire en Colombia, utilizando el Climate Explorer. Ingeniería & Desarrollo, 23, 114-118.
OSSO (2002). Los pasos de El Niño en Colombia 1980-2001: Algunas interpretaciones, oportunidades y utilizaciones. Informe año 2. Proyecto IAI-LA RED “ Gestión de riesgos de desastres ENSO en América Latina”. Available at www.osso.org.co. Accessed 12 December 2014.
Polonsky A. et al. (2004) Relationship between the north atlantic oscillation, euro-asian climate anomalies and pacific variability. Pacific oceanography, 2(1-2), 52-66
Trigo R.M. et al. (2005), The influence of the North Atlantic Oscillation on Rainfall Triggering of Landslides near Lisbon, Natural Hazards, 36, 331-354
WallaceJ., Hobbs P. (2006), Atmospheric Science, Elsevier
Ci interessa capire se queste scale si influenzino reciprocamente
Esempio: Limited Area Models (
LAM
)
Indagano la mesoscala, o comunque aree ristrette. Sono “guidati” dai modelli globali, nel senso che ricavano da essi le condizioni iniziale e al contorno.
BOLAM (BOlogna Limited Area Model)
DALAM (Data Assimilation Limited Area Model)
CMM5 (Climate Mesoscale Model 5)

IFS (Integrated Forecast System, mantenuto dall’European Centre for Medium-Range Weather Forecast - ECMWF)
GFS (Global Forecasting System)

\
Introduzione
2. Le scale climatiche
E' stagionale: tipica dell'emisfero estivo, si inverte durante l'inverno
variabilità intrastagionali (es. monsoni, stratificazione degli oceani)
variabilità interannuali
variabilità a scala maggiore (ad es. decennali, o con periodi non determinati)

Le ultime risultano più difficili da
studiare, a causa della scala grande
o del periodo ignoto
L'oscillazione nella regione desertica è di oltre 110.000 km quadrati
Piscina calda
Cella di Walker
Quota critica
Il periodo invernale
in corrispondenza col fenomeno La Niña 2010-2011 ha provocato uno dei più gravi casi di emergenza del paese.
Quota di esondazione
gli indici NAOI e SOI tendono a variare in fase, a causa dell’interazione tra la cella di Walker e quella di Hadley nell’emisfero Nord
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