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

nd

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rici

di p

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pit

azio

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

EV

ISIO

NI

FIGURE SPM.8A,BMAPS OF CMIP5 MULTI-MODEL MEAN RESULTS

All Figures © IPCC 2013

PR

EV

ISIO

NI

All Figures © IPCC 2013

PR

EV

ISIO

NI S

U S

UD

EU

RO

PA

Cambiamenti su Temperatura Giugno-Agosto

All Figures © IPCC 2013

PR

EV

ISIO

NI S

U S

UD

EU

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

TO

ID

RO

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

RO

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

AT

TO

ID

RO

LOG

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