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PROF. LEONARDO VALERIO NOTO
IMPATTI IDROLOGICI DEI CAMBIAMENTI
CLIMATICI
19 APRILE 2018
Seminario:Ambiente, Economia ed Etica:un connubio spesso difficile
Associazione Idrotecnica ItalianaSezione Sicilia Occidentale
ORDINE DEGLI INGEGNERI DELLA PROVINCIA DI PALERMO
Associazione Nazionale di Ingegneria
Sanitaria Ambientale
Delegazione Sicilia
INTRODUZIONE
Acqua risorsa fondamentale per la vita sul nostro pianeta
Acqua totale: 1.386miliardi km³ Acqua fiumi: 2.000 km³
Velocità di trasferimentovariabili da migliaia di annifino a media di 9 giorni(acqua in atmosfera)
INTRODUZIONE
Acqua minaccia per la vita
GLOBAL WARMING e CLIMATE CHANGE
Riscaldamento globale o surriscaldamento globale (global
warming) è un termine popolarmente usato per descrivere
l'aumento nel tempo della temperatura media
dell'atmosfera terrestre e degli oceani.
Il termine global warming è
evoluto nel tempo nel termine
climate change per enfatizzare
che l’inquinamento
dell’atmosfera sta sfociando in
una serie di eventi meteo
estremi e non soltanto nel
riscaldamento.
Gruppo Intergovernativo sul
Cambiamento Climatico (IPCC -
http://www.ipcc.ch) delle Nazioni Unite.
La temperatura globale media è aumentata di 0,6 ±0,2 °C dalla fine del XIX secolo e che "la maggior parte del riscaldamento osservato durante gli ultimi 50 anni è attribuibile alle attività umane".
CAUSE CLIMATE CHANGEL'attività umana ha intensificato il naturale e benefico effetto serra, grazie alla diminuzione della biomassa degli ecosistemi artificiali agricoli e dei loro suoli.
dell'effetto serra. Un'impennata nella concentrazione di gas serra si è avuta con l'utilizzo di combustibili fossili, che ha intaccato le riserve geologiche di carbonio.
Altre cause sono con la maggior produzione di metano dovuta ad un'esplosione dell'allevamento intensivo e delle colture a sommersione.
Anche il vapore acqueo e altri prodotti di sintesi, quali i cfc e altri gas serra, contribuiscono all'intensificazione
Cambiamento climaticoè inequivocabile
The 'Anthropocene' is a term widely used since its coining by Paul Crutzen and Eugene Stoermerin 2000 to denote the present time interval, in which many geologically significant conditions and processes are profoundly altered by human activities.The 'Anthropocene' has emerged as a popular scientific term to designate the period of Earth's history during which humans have a decisive influence on the state, dynamics and future of the Earth system.
Changes in global average surface temperature
50 years 0.128oC
100 years 0.074oC
Period Rate / decade
Changes in global average surface temperature
Anni con temperatura più elevata dal 1880 al 2015
Changes in global average surface temperature
FIGURE SPM.1BOBSERVED CHANGE IN SURFACE TEMPERATURE 1901-2012
All Figures © IPCC 2013
OS
SE
RV
AZ
ION
I
OS
SE
RV
AZ
ION
I Analisi dei Trend di Temperatura su Sicilia
.Viola et al. (2014)
Viola, F., Noto, L.V., Lo Conti, F., La Loggia, G. Spatial distribution of temperature trends in Sicily. (2014) International Journal of Climatology, 34 (1), pp. 1-17.
Anomalia più bassa 1940
Anomalia più alta 2001
FIGURE SPM.2OBSERVED CHANGE IN ANNUAL PRECIPITATION OVER LAND
All Figures © IPCC 2013
OS
SE
RV
AZ
ION
I
Tre
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ne Analisi dei Trend di Precipitazione su Sicilia
.Cannarozzo et al. (2006)
Cannarozzo, M., Noto, L.V., Viola, F. Spatial distribution of rainfall trends in Sicily (1921-2000). (2006) Physics and Chemistryof the Earth, 31 (18), pp. 1201-1211.
PR
EV
ISIO
NI
I GCM sono “i soli credibili strumenti disponibili per simulare i processi fisici che determinano il clima della Terra” (IPCC)
I GCM (Global Circulation Model) sono modelli a circolazione generale nel senso che riescono a simulare la termo-dinamica atmosferica su tutto il globo terrestre e fino alla stratosfera. Riescono a fare proiezioni sullo sviluppo del clima fino a un secolo.
I Global Circulation (o Climate) Model
GLI SCENARI
PR
EV
ISIO
NI
IPCC AR5 è basato su un nuovo set di scenari che sostituiscono Special Report on Emissions Scenarios(SRES) usati in AR4 e Ar3.
I nuovi scenari sono chiamati RepresentativeConcentration Pathways (RCPs). In AR5 ci sono 4 RCP:•RCP8.5•RCP6•RCP4.5•RCP2.6
http://tntcat.iiasa.ac.at:8787/RcpDb/dsd?Action=htmlpage&page=welcome#intro
FIGURE SPM.7AGLOBAL AVERAGE SURFACE TEMPERATURE CHANGE
All Figures © IPCC 2013
PR
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ISIO
NI
FIGURE SPM.8A,BMAPS OF CMIP5 MULTI-MODEL MEAN RESULTS
All Figures © IPCC 2013
PR
EV
ISIO
NI
All Figures © IPCC 2013
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NI S
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UD
EU
RO
PA
Cambiamenti su Temperatura Giugno-Agosto
All Figures © IPCC 2013
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NI S
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UD
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RO
PA
Cambiamenti su Pioggia Aprile - Settembre
300km
50km
10km
1m
Po
intModelli climatici input
Modelli di impatto idrologico
Unire gli output dei modelli climatici ai modelli di impatto ambientale
Climate Necessario lo sviluppo di Scenari
P. Gachon
Analisi di impattoA
NA
LIS
I D
I IM
PA
TT
O
Necessità di downscaling
spazio-temporale
DOWNSCALING METHODS Scenarios
Analisi di impatto
Analisi di impatto: Sorgenti di errori
IMPATTI SUL CICLO IDROLOGICOA
NA
LIS
I D
I IM
PA
TT
O
Esempio di analisi di impatto: risorsa idrica I
Bacino Imera Meridionale a DrasiAnalisi dell’effetto dei cambiamenti climatici su Imera Meridionale (approccio multiensamble)Viola et al. (2016)
Modello idrologico EHSM
Viola, F., Francipane, A., Caracciolo, D., Pumo, D., La Loggia, G., Noto, L.V. Co-evolution of hydrological components under climate change scenarios in the Mediterranean area (2016) Science of the Total Environment, 544, pp. 515-524.
IMP
AT
TO
ID
RO
LOG
ICO
I
AWE-GEN (Advanced WEather GENerator) (Fatichi et al., 2009) is anhourly weather generator capable of:
reproducing low and high-frequency characteristics of hydro-climatic variables andtheir statistical properties
simulating vapor pressure, wind speed, atmospheric pressure and shortwave radiation
simulating the inter-annual variability of the precipitation process and a wide set ofstatistics including rainfall extremes
taking into account non-stationary change of climate (climate change)
AWE-GEN employs both the physically-based and the stochastic approaches
Generatori di variabili meteoclimatiche
AWE-GEN (Advanced WEather GENerator) A
NA
LIS
I D
I IM
PA
TT
O
Esempio di analisi di impatto: risorsa idrica I
Due orizzonti temporali:• 2055• 2090Due scenari di emissione (RCP):• RCP4.5• RCP8.5
Usa AWE-GEN
Generati 25 realizzazione di 20 anni (500 anni equivalenti) ciascuna per ogni RCP e per ogni scenario
IMP
AT
TO
ID
RO
LOG
ICO
I
Esempio di analisi di impatto: risorsa idrica IStima non parametrica della probabilità(MKDE - Multivariate Kernel Density Estimator)
red = 25%, orange + red = 50%, red + orange + yellow = 75% of the bivariate distributions mass
RCP4.5 - 2055
RCP4.5 - 2090 RCP8.5 - 2090
RCP8.5 - 2055
IMP
AT
TO
ID
RO
LOG
ICO
I
Invaso Garciacurrent active capacity =63 Mm3 (total
capacity of 80 Mm3)
Modello TOPDM (Noto, 2014)
Effetti del climate change su affidabilità e soddisfacimento del target idrico dell’invaso.Arnone et al. (2015)
Esempio di analisi di impatto: risorsa idrica II
Arnone, E., Noto, L.V., Caracciolo, D., La Loggia, G. Modifications in Water Resources Availability Under Climate Changes: A Case Study in a Sicilian Basin (2014) Water Resources Management, 29 (4), pp. 1117-1135.
Bacino Belice a Casa Balate
IMP
AT
TO
ID
RO
LOG
ICO
II
Esempio di analisi di impatto: risorsa idrica II
• BaselineDue orizzonti temporali:• 2050• 2100Uno scenario di emissione (SRES):• A1B
Usa AWE-GEN
IMP
AT
TO
ID
RO
LOG
ICO
II
Esempio di analisi di impatto: risorsa idrica II
Variazioni di deflusso superficiale e volumi immagazzinati groundwater
IMP
AT
TO
ID
RO
LOG
ICO
II
Andamento deflussi superficiale nei mesi
Monthly discharge
Bilancio idrico del
serbatoio
The reliability of a system is defined asthe probability that a system will perform
the required function for a specified
period of time under stated conditions
(Chow et al. 1988).Rv is the complement of probability of
failure, i.e. the probability that the
“demand” will exceed the “capacity”
Vnew
Ipotetico volume che
permette di mantenere
inalterato Rv
Target reductionRiduzione del target prefissato
Analisi soddisfacimento-target
Esempio di analisi di impatto: risorsa idrica II
IMP
AT
TO
ID
RO
LOG
ICO
II
Esempio di analisi di impatto: risorsa idrica III
Cinque baciniSicilia Occidentale
Analisi dell’effetto dei cambiamenti climatici sul regime idrologico di corsi d’acqua effimeri (curve di durata) Pumo et al. (2016)
ModABa — MODel for Annual flow durationcurves assessment in ephemeral small BAsins(Pumo et al., 2014)
Pumo, D., Caracciolo, D., Viola, F., Noto, L.V. Climate change effects on the hydrological regime of small non-perennial riverbasins (2016) Science of the Total Environment, 542, pp. 76-92.
IMP
AT
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ID
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LOG
ICO
III
Esempio di analisi di impatto: risorsa idrica III
• BaselineDue orizzonti temporali:• 2055• 2090Due scenari di emissione (RCP):• RCP4.5• RCP8.5
Usa AWE-GEN
Calibrazione del modello sui dati storici -> Buona capacità di riprodurre l’osservato
RCP4.5 RCP8.5IM
PA
TT
O I
DR
OLO
GIC
O I
II
Esempio di analisi di impatto: risorsa idrica III
Effetto sulle curve di durataIM
PA
TT
O I
DR
OLO
GIC
O I
II
Esempio di analisi di impatto: risorsa idrica III
Effetto sui volumi () e sulla ripartizione deflusso (superficiale, baseflow) – RCP8.5
IMP
AT
TO
ID
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LOG
ICO
III
Intensificazione delle pioggeEsiste un’alta probabilità basata sulla teoria fisica che i cambiamenti climatici e il
global warming producano un aumento della evaporazione e della precipitazionecausando un’intensificazione del ciclo idrologico.
(Huntington, 2006; Arnell et al., 2001; Held and Soden, 2000).
La base teorica per tale affermazione sta nella relazione di Clausius-Clapyeron che implica che l’umidità specifica aumenterebbe quasi
esponenzialmente con la temperatura.
Recenti modelli suggeriscono che come conseguenza di questa relazione, la precipitazione dovrebbe aumentare di circa il 3-4% per ogni °C (Allen e Ingram,
2002) o di circa il 6% per ogni °C (Westra et al., 2013) con grandi variazioni in funzione della latitudine.
Analisi su dati SICILIA(rete SIAS)
Esempio di analisi di impatto: eventi estremi
Effetti dei cambiamenti climatici sulle piogge di progetto - Forestieri et al. (2018)
IMP
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TO
ID
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ICO
IV
Procedura di downscalingstatistico su multiensamble da RCM (Regional Climate Model)
Forestieri, A., Arnone, E., Blenkinsop, S., Candela, A., Fowler, H., Noto, L.V. The impact of climate changeon extreme precipitation in Sicily, Italy (2018) Hydrological Processes, 32 (3), pp. 332-348.
Conclusioni
Da Trend Storici/Modelli Climatici:• Aumento Temperatura (sicuro)• Diminuzione attesa precipitazioni (mediamente probabile)
Da Analisi di impatto:• Riduzione delle risorse idriche superficiali e sotterranee
(mediamente probabile)
Previsioni basate su modelli climatici/idrologici (sofisticati ma pur sempre modelli).
Accanto ai cambiamento climatici ci sono altri fenomeni come la crescita della popolazione, lo sviluppo economico e le relative variazioni di uso del suolo hanno impatti diretti e interconnessi sulla crescente domanda di acqua dolce.
Conclusioni
Principio di precauzione ci obbliga a mettere in atto azioni per mitigare possibili effetti/impatti del cambiamento climatico e rendere più sostenibile lo sfruttamento delle risorse idriche.
« In order to protect the environment, the precautionary approach shall be widely
applied by States according to their capabilities. Where there are threats of serious
or irreversible damage, lack of full scientific certainty shall not be used as a reason
for postponing cost-effective measures to prevent environmental degradation »
Earth Summit – Conferenza di Rio, 1992
Cosa fare?- Riduzione delle perdite / efficientamento delle reti di
distribuzione (programma pluriennale).- Mantenere massima capacità sistema di invasi.- Riuso in agricoltura (normativa e costi)- Limitazione delle perdite idrologiche (ravvenamento
falda – Dlgs 100/2016)- Innovazione tecnologica in agricoltura (irrigazione)
"L'epoca della procrastinazione, delle mezze misure, del mitigare, degli espedienti inutili, del differire sta giungendo alla fine. Ora stiamo entrando nell'epoca dove ogni azione causa conseguenze.”Sir Winston Churchill