- Docente: Michele Brunetti
- Crediti formativi: 6
- SSD: FIS/06
- Lingua di insegnamento: Inglese
- Moduli: Michele Brunetti (Modulo 1) Erika Brattich (Modulo 2)
- Modalità didattica: Convenzionale - Lezioni in presenza (Modulo 1) Convenzionale - Lezioni in presenza (Modulo 2)
- Campus: Bologna
- Corso: Laurea Magistrale in Fisica del sistema terra (cod. 8626)
Conoscenze e abilità da conseguire
At the end of the course the student: - knows the basics of physical climatology; - knows the main statistical methods used in climate analysis; - can use the results of both numerical global climate simulations and regional climate models for future climate scenarios evaluation: - acquires abilities in communication on the subject and becomes familiar with the English terminology used in climatology; - knows how to use scientific literature.
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
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Introduzione ai GCMs
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Scopo e limitazioni della modellistica climatica
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Sviluppo storico
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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
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Sensibilità climatica e feedback climatica: definizioni e derivazione matematica
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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)
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Feedback biogeochimico: modello Daisy-world; modello Budiko-Sellers
Circolazione a larga scala nell'oceano
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Caratteristiche fisiche e chimiche dell'oceano
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Lo strato rimescolato
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Circolazione forzata dal vento
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Termoalina profonda regolata dalla densità
-
Circolazione termoalina profonda regolata dalla densità
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Equazioni shallow water
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Diversi tipi di griglia nei modelli di clima
Interazioni atmosfera-oceano
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Accoppiamento delle componenti fisiche del modello
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Condizioni termiche al contorno
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Condizioni idrologiche al contorno
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Flussi di momento
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Condizioni rimescolate al contorno
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Modelli accoppiati
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Equilibri multipli nel sistema clima
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Cambiamenti climatici repentini registrati nelle carote di ghiaccio polari
Paleoclima (alcuni aspetti analizzati nel modulo 1)
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Evoluzione del clima ed analisi delle diverse ere in termini di feedback
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Datazione radioattiva delle rocce e dati proxy
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Questioni aperte
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Utilizzo di dati paleoclimatici
Statistica nel clima
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Review di concetti di probabilità di base
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Assiomi di probabilità
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Indipendenza
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Persistenza
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Distribuzioni empiriche e analisi esplorativa dei dati
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Teorema di Bayes e inferenza nel clima
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Indicatori di posizione, dispersione e simmetria
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Correlazione di Pearson
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Correlazione dei ranghi di Spearman
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Distribuzioni parametriche di probabilità
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Distribuzioni discrete
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Distribuzioni continue
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Fitting di un parametro usando il criterio di massima verosimiglianza (funzione di verosimiglianza, metodo Newtorn-Raphson, stima della distribuzione campione e della massima verosimiglianza)
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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)
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Test di ipotesi
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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