81754 - CLIMATOLOGY

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 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.

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