81754 - CLIMATOLOGY

Conoscenze e abilità da conseguire

Dopo aver completato con successo questo corso, lo studente: - conosce le basi della climatologia fisica; - conosce i principali metodi statistici utilizzati nello studio del clima; - sa utilizzare i risultati delle simulazioni numeriche provenienti da modelli climatici a scala globale e regionale per la valutazione degli scenari climatici futuri; - acquisisce abilità nella comunicazione della materia e acquisisce familiarità con la terminologia utilizzata in climatologia; - sa usare la letteratura scientifica.

Contenuti

Il corso è organizzato i due moduli tenuti da due docenti in parallelo (2+2 ore di ciascun modulo alla settimana)

Modulo 1: Prof. Michele Brunetti

Modulo 2: Prof. Erika Brattich

Qui sotto i contenuti del corso per i due moduli:

 

Modulo 1

Il bilancio energetico globale

• La natura della radiazione elettromagnetica e le leggi fisiche della radiazione
• La legge di Planck di emissione di un corpo nero
• La temperatura di emissione di un pianeta
• L'effetto serra
• Distribuzione dell'insolazione
• Il bilancio energetico globale (radiazione solare entrante, radiazione ad onda lunga uscente, albedo)

Trasferimento di energia in atmosfera e clima

• Assorbimento ed emissione selettive di energia da parte dei gas atmosferici
• La legge di Lambert-Bouguet-Beer
• Rate di assorbimento e rate di riscaldamento
• Equazione di Schwarzchild
• Modello euristico di equilibrio radiativo
• Profili di temperatura in equilibrio radiativo-convettivo

Nubi e radiazione

• Proprietà radiative delle nubi
• Modello di effetto radiativo delle nubi
• Osservazioni del ruolo delle nubi nel bilancio energetico della Terra

Il bilancio energetico in superficie

• Immagazzinamento di calore nella superficie
• Flussi di calore sensibile e latente
• Variazione latitudinale delle componenti del bilancio energetico

Aerosol e clima

• Distribuzione degli aerosol
• Eruzioni vulcaniche e aerosol stratosferici
• Aerosol antropogenici e composti dello zolfo in atmosfera

Il ciclo idrologico

• L'acqua nel sistema clima
• Il ramo terrestre del ciclo idrologico
• Il ramo atmosferico del ciclo idrologico
• Distribuzione latitudinale del bilancio idrologico
• Il concetto di evapotraspirazione

La circolazione generale dell'atmosfera

• Il bilancio energetico dell'atmosfera e la circolazione generale
• La circolazione meridionale media
• Eddies
• Il trasporto meridiano di energia
• Il trasporto meridiano di umidità
• Bilancio del momento angolare

La teoria dei parametri orbitali ed ere glaciali e interglaciali

• Cenni storici
• Eccentricità e distanza Sole-Terra
• Inclinazione dell'asse di rotazione ed insolazione
• Variazione dell'insolazione media annuale
• Evoluzione dei parametri orbitali
• Come verificare la teoria
• La transizione del medio pleistocene

Le osservazioni della Terra

• L'Anno Internazionale della Geofisica e il sistema di osservazione globale
• Breve storia delle reti di osservazione a terra con focus sulla rete italiana

Dati proxy

• Cosa sono i dati proxy
• Ricostruzioni da documenti stirici
• Il rapporto isotopico delta-O18
• Alcuni esempi di proxies: coralli, palinologia, dendroclimatologia, carote di ghiaccio, sedimenti

Il problema della qualità dei dati in climatologia

• L'importanza della qualità dei dati in climatologia
• L'esempio delle stazioni da tradizionali di osservazioni in superficie
• Sorgenti di errori nei dati (cambiamenti strumentali, riposizionamento degli strumenti e della stazione, schermatura della radiazione solare, cambiamenti in situ, cambiamenti nelle regole di osservazione)
• I metadati
• Alcune tecniche di omogeneizzazione

Analisi alle Componenti Principali/Funzioni Ortogonali Empiriche (PCA/EOF)

• Cos'è la PCA
• Diagonalizzazione della matrice di covarianza (autovalori ed autovettori)
• Matrice di covarianza e di correlazione
• Rotazione VARIMAX
• Alcuni esempi di PCA

Teoria degli eventi estremi

• Aspetti generale della teoria degli eventi estremi
• Teorema dei tipi estremali
• La Generalized Extreme Value (GEV) distribution
• Modelli a soglia e Generalized Pareto Distribution

Processi stocastici

• Serie temporali e processi stocastici
• Definizioni di base (tempo caratteristico, processi stazionari, processi debolmente stazionari, processi debolmente ciclo-stazionari, ergodicità)
• Processi autoregressivi: media e varianza di un processo AR(p), processi AR(1), processi AR(2), stazionarietà dei processi AR
• Processi a media mobile
• Funzione di autocovarianza
• Equazioni di Yule-Walker di un processo AR(p)
• Funzione di autocovarianza di un AR(1) e un AR(2)
• Lo spettro (definizioni e proprietà)

 

Modulo 2

Introduzione

• Componenti del sistema clima

• Introduzione ai GCMs

• Scopo e limitazioni della modellistica climatica

• Sviluppo storico

• Esempi: Simulazione del XX secolo per quantificare il legame tra aumenti nelle concentrazioni di CO2 atmosferica e variazioni di temperatura; emissioni di CO2 permesse per concentrazioni atmosferiche prescritte

Variabilità climatica

• Introduzione alla variabilità climatica (ENSO, NAO)

• Scenari IPCC ed emissioni: variabilità climatica e previsione del tempo

Feedback (F) e sensibilità (S) climatica

• Sensibilità climatica e feedback climatica: definizioni e derivazione matematica

• Calcoli di F e S dovuti a: variazione di S0 dell'1%; variazione dell'1% nell'albedo planetaria; variazioni dell'1% del parametro serra; feedback di Stefan Boltzmann; feedback del vapore acqueo; feedback delle nubi; modello climatico del bilancio energetico (modello Budyko-Sellers)

• Feedback biogeochimico: modello Daisy-world; modello Budiko-Sellers

Circolazione a larga scala nell'oceano

• Caratteristiche fisiche e chimiche dell'oceano

• Lo strato rimescolato

• Circolazione forzata dal vento

• Termoalina profonda regolata dalla densità

• Circolazione termoalina profonda regolata dalla densità

• Equazioni shallow water

• Diversi tipi di griglia nei modelli di clima

Interazioni atmosfera-oceano

• Accoppiamento delle componenti fisiche del modello

• Condizioni termiche al contorno

• Condizioni idrologiche al contorno

• Flussi di momento

• Condizioni rimescolate al contorno

• Modelli accoppiati

• Equilibri multipli nel sistema clima

• Cambiamenti climatici repentini registrati nelle carote di ghiaccio polari

Paleoclima (alcuni aspetti analizzati nel modulo 1)

• Evoluzione del clima ed analisi delle diverse ere in termini di feedback

• Datazione radioattiva delle rocce e dati proxy

• Questioni aperte

• Utilizzo di dati paleoclimatici

Statistica nel clima

• Review di concetti di probabilità di base

• Assiomi di probabilità

• Indipendenza

• Persistenza

• Distribuzioni empiriche e analisi esplorativa dei dati

• Teorema di Bayes e inferenza nel clima

• Indicatori di posizione, dispersione e simmetria

• Correlazione di Pearson

• Correlazione dei ranghi di Spearman

• Distribuzioni parametriche di probabilità

• Distribuzioni discrete

• Distribuzioni continue

• Fitting di un parametro usando il criterio di massima verosimiglianza (funzione di verosimiglianza, metodo Newtorn-Raphson, stima della distribuzione campione e della massima verosimiglianza)

• Simulazioni statistiche (generatori di numeri casuali uniformi, generazione di numeri casuali non uniformi per inversione, generazione di numeri casuali non uniformi per rigetto, metodo Box-Muller per la generazione di numeri casuali Gaussiani)

• Test di ipotesi

• Elementi di previsione statistica

Testi/Bibliografia

Dennis L. Hartmann: Global Physical Climatology ; Academic Press

Peixoto and Oort: Physics of Climate; American Institute of Physics; 1st edition (February 1, 1992)

Wilks: Statistical Methods in the Atmospheric Sciences, 3rd Edition (2011)

Metodi didattici

Lezioni frontali

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame finale è volto a verificare la comprensione di tutti gli aspetti fenomenologici, matematici/statistici degli argomenti trattati nei due moduli.

L'esame finale consiste in un esame orale durante il quale vengono poste allo studente tre domande su argomenti scelti tra i due moduli.

In una delle tre domande lo studente può scegliere un argomento.

Strumenti a supporto della didattica

PC e proiettore

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Michele Brunetti

Consulta il sito web di Erika Brattich