81754 - CLIMATOLOGY

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Lotta contro il cambiamento climatico

Anno Accademico 2019/2020

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

Cicli Geochimici

  • L'evoluzione dell'atmosfera primordiale
  • Il ciclo dell'azoto
  • Il ciclo dell'ossigeno
  • il ciclo del carbonio
  • rate di accumulo e rimozione di gas in atmosfera

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

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
  • Struttura dell’atmosfera
  • Composizione dell’atmosfera

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 climatico: definizioni e derivazione matematica
  • Meccanismi di feedback
  • Esempi di feedback climatico
  • 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; feedback dell’albedo del ghiaccio; modello climatico del bilancio energetico (modello Budyko-Sellers)
  • Modello zero dimensionale di bilancio energetico;
  • Modello uni-dimensionale di bilancio energetico
  • Forcing radiativi IPCC
  • Modelli zero dimensionali a due strati
  • Feedback biogeochimico: modello Daisy-world

Circolazione a larga scala nell'oceano

  • Caratteristiche fisiche e chimiche dell'oceano
  • Lo strato rimescolato
  • Circolazione forzata dal vento
  • Equazioni shallow water
  • Diversi tipi di griglia nei modelli di clima
  • ENSO e Southern Oscillation Index
  • Spirale di Ekman e trasporto di Ekman
  • Trasporto di Sverdrup
  • Modello di Stommel
  • Circolazione termoalina profonda regolata dalla densità

Statistica nel clima

  • Review di concetti di probabilità di base
  • Assiomi di probabilità
  • Probabilità condizionale
  • Indipendenza
  • Persistenza come probabilità condizionale
  • Distribuzioni empiriche e analisi esplorativa dei dati: proprietà di resistenza e robustezza
  • Teorema di Bayes e inferenza nel clima
  • Indicatori di posizione, dispersione e simmetria
  • Distribuzioni discrete
  • Distribuzioni continue
  • Istogrammi
  • Scatterplots
  • Boxplots
  • Trasformazioni
  • Anomalie standardizzate
  • Correlazione di Pearson
  • Correlazione dei ranghi di Spearman
  • Autocorrelazione
  • Media mobile
  • Test di ipotesi: elementi di un test di ipotesi, livelli del test e valori p di significatività, test a una o due code, intervalli di confidenza, t-test, tipi di errore
  • Test di ipotesi parametrici e non-parametrici
  • T-test per la differenza tra medie
  • Ricampionamento
  • Bootstrap
  • Test di Mann-Kendall
  • Elementi di previsione statistica
  • Introduzione all’uso di R per la statistica nel clima

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 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.

L'esame dura mediamente 45 minuti.

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