L’approccio territoriale al bilancio idrico negli scenari di cambiamento climatico: il 

software CRITERIA ed il progetto Agroscenari

Fausto Tomei, Giulia Villani, Rodica Tomozeiu, William Pratizzoli, Vittorio Marletto

Giornate di Studio:“Un approccio integrato allo studio dei flussi di massa e di energia nel sistema

suolo-pianta-atmosfera: esperienze e prospettive di applicazione in Sicilia”Palermo, 1-2 dicembre 2010

RegioneSiciliana Servizio Informativo

Agrometeorologico Siciliano

Centro Studi di Economia applicata all'Ingegneria

Progetto AgroScenariScenari di adattamento dell’agricoltura italiana ai cambiamenti climatici

Ruolo di Arpa Simc – Emilia‐RomagnaLinea di ricerca 1 ‐ Acquisizione, calibrazione e downscaling di 

scenari climatici futuri a livello localeProdurre scenari regionalizzati di cambiamento climatico 2021‐2050

Linea di ricerca 5 ‐ Irrigazione e cambiamenti climaticiDefinire strategie di adattamento focalizzate sull’irrigazione per colture arboree, 

erbacee e orticole

Colture ad oggi analizzateActinidia in Romagna (area di Faenza)

Pomodoro in Val Padana (area di Piacenza)

http://www.agroscenari.it/

Simulazioni di impatto agronomico: catena modellistica 

Statisticaldownscalingprec., wet days, tmin, tmax (mean

and std. deviation)

Global climatescenarios(AOGCM)

Output (Agronomical

impacts)

Water balance and crop growth

model(Criteria)

local observed

data

Daily meteo series

(Weather Generator)

Observed large scale

fields (ERA40)

Tomei F., Villani G., Pavan V., Pratizzoli W. and Marletto V.  (2009) Report on  the quality of seasonal predictions of wheat yield and irrigation needs  in Northern  Italy.  Ensembles  Project,  6th  Eu  R&D  Framework  Programme,  Research  Theme  6,  Assessments  of  Impacts  and  Climate Change, available as Deliverable 6.22 from http://ensembles‐eu.metoffice.com

Cambiamento climatico

• cambiamenti nel valore medio (1)• cambiamenti nella varianza (2)

(2)(1)

Pro

babi

lity

of o

ccur

renc

e

scenario A1B - prevede unbilancio fra tutte le fonti(dove per bilancio siintende una non eccessivadipendenza da nessun tipoparticolare di fonteenergetica- IPCC-AR4)

Scenario di emissione: A1B

Progetto Agroscenari: linea di ricerca 1 

• Dataset predittandi: analisi UCEA, presenza dati: 1951-2009 • Clima di riferimento : 1961-1990• Scenario: 2021-2050

Modelli ENSEMBLES (predittori) utilizzati:

ERNSEMBLES –Model STREAM1

INSTITUTIONS Resolution AGCM OGCM

INGV-SINTEX-G INGV-Italy 1.125°×1.125° ECHAM4 (T106L19) OPA 8.2 FUB-EGMAM Freie Universitaet

Berlin(Germany) 3.75°×3.75° ECHAM4 (T30L39) HOPE-G (T42 with

equatorial refinement, L20)

METO-HC (HADGEM1)

Met Office's Hadley Centre (UK)

1.875°×1.875° HadGAM1( includes land and river routing components)

HadGOM1( includes sea ice components)

IPSL-CM4 Inst.Pierre Somon Laplace (France)

3.75°×3.75° LMDZ (96x72x19) OPA8.2

ECHAM5 MPI OM Max-Planck Institute(Germany)

1.875°×1.875° ECHAM5.2.02 (T63L31)

MPI-OM Vers. 1.0 (GR1.5L40)

Modello statistico di downscaling (SD)

Oristano

Destra Sele

Beneventano

Marche

Faenza

Val Padana

Progetto Agroscenari: aree di studio

Weather Generator ‐ input

Variable code Input data of WG Unit Tmax mean of maximum temperature °C Tmin mean of minimum temperature °C Txsd standard deviation of maximum temperature °C Tnsd standard deviation of minimum temperature °C Prcp mean of total precipitation mm Fwet fraction of wet days - Tdw difference between maximum temperatures on dry and wet

days °C

Richardson, C. W., and Wright, D. A.  (1984). WGEN: A model  for generating daily weather variables. U.S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service, ARS‐8, 83 pp.

Stöckle, C.O., Campbell, G.S., and Nelson, R.  (1999). ClimGen manual. Biological Systems Engineering Department, Washington State University, Pullman, WA. 28 pp.

posizione

modelli

periodo di riferimento e periodo di scenario

grandezze…

stagione

Weather generator – XML input

Weather generator ‐ output

Tmin Tmax Prec

1/1/2005 2/23/2005 5/1/2005 7/1/2005 9/1/2005 11/4/2005 1/7/2006 3/8/2006 5/7/2006 7/7/2006 9/6/2006 11/9/2006

Tem

pera

ture

(°C

)

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

-5

Prec

ipita

tion

(mm

)

150

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Anno reale (2005)

Anno generatocon clima 1991‐2008

Uncertainty  

Downscaling

n models

m replicates

Output statistical distribution

Weather generator

k runs

Model inputn x m x k

daily series

PRAGA – gestione dati meteorologici

PRAGA ‐modelli agro‐ambientali

Neve ‐ contenuto equivalente in acqua Innevamento rilevato da satellite 

Potenziale fotovoltaico annuo Bilancio idrico 3D

CRITERIA – Simulazioni agronomiche

Bilancio idrico e crescita colturale

Contenuto idrico del profilo di suolo

Leaf Area Index (m m -̂1) Transpiration (mm) Evaporation (mm)

01/01/08 02/02/08 14/03/08 24/04/08 04/06/08 15/07/08 25/08/08 05/10/08 15/11/08 26/12/08

(m m

^-1

)

4

3.5

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0

(mm

)

7

6

5

4

3

2

1

0

Indice di area fogliareEvapotraspirazione potenziale

CRITERIA Geo

Descrizione pedologica

Mappa dei suoli

Mappe irrigazione

Traspirazione realeTraspirazione massimaIrrigazioniAcqua utile

Irrigazione

Tessitura

Layers description

Curva di ritenzione dei suoli

Dati pedologiciDati pedologici

Descrizione degli strati

Crop rotationTillages

Dati colturaliDati colturali

Parametri colturali

Dati meteorologici giornalieriDati meteorologici giornalieri

Temperature massimeTemperature minimePrecipitazioni

Criteria BdP ‐ input

Criteria at a glance

Bittelli, M., Tomei, F., Pistocchi, A., Flury, M., Boll, J., Brooks, E.S., Antolini, G.  (2010) Development and testing of a physically based, three‐dimensional model of surface and subsurface hydrology, Advances in Water Resources, 33 (1), 106‐122.

• Water balance: numerical model (based on Richard’s equation) and 

empirical model

• Crop and roots growth model

• Water stress and irrigation

• Crop yield: integrated with Wofost 7.1 for wheat 

• Evaluation functions (potential and actual ET, capillary rise…)

• Nitrogen model (adaptation to LEACHM and SOILN model)   in 

progress

Criteria BdP – pagina web

Il software e il manuale sono disponibili alla pagina web:http://www.arpa.emr.it/dettaglio_documento.asp?id=708&idlivello=64

Fabbisogno irriguo del kiwi

y = 1.0025xR2 = 0.9321

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

[mm]

[mm

]

Irrigazione del kiwi a Brisighella (Faenza)calibrazione

Brisighella, Kiwi: confronto tra le irrigazioni mensili effettuate e quelle stimate da Criteria

kiwi Spada - irrigazioni mensili

0

20

40

60

80

100

120

140

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91

[mm

]

CRITERIA REALI

kiwi Spada - irrigazioni annuali

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009

[mm

]

CRITERIA REALI

Parametri actinidia Valori

LAI max [m2 m‐2] 3.5

Kc max [ ‐ ] 1.1

Profondità radicale [m] 1

Irrigazione giornaliera di riferimento [mm] 5

Turno irriguo [days] none

Sensibilità della coltura allo stress idrico [ ‐ ] 0.5

Percentuale di stress controllato [ ‐ ] 90%

Inizio del periodo di irrigazione [°D] 200

Fine del periodo di irrigazione [°D] 3500

Sommatoria gradi giorno della fase di crescita: [°D] (con soglia di 5°) 1600

Caso puntuale: scenario di richiesta irriguaactinidia (2021‐2050) Tredozio (cella Ucea 1362)

Faenza

-40%

-30%

-20%

-10%

0%

10%

20%

30%

40%

DJF MAM JJA SON

ECHAM5 EGMAM_R1 EGMAM_R2INGV IPSL METO_HCMedian

Caso spazializzato: carta di uso del suolo 2008

Frumento

Pesco

Vite

Ortive

Prati stabili

Kiwi

Caso spazializzato: l’analisi territoriale dei fabbisogni irrigui delle colture nell’area di Faenza 

Simulazione del fabbisogno irriguo (mm) delle colture per il periodo 1961-1990 e 2021-2050 su carta di uso del suolo agricolo del 2008

1961‐1990 2021‐2050

Domanda irrigua kiwi ‐ area collinare di Faenza carta uso del suolo 2008

Domanda irrigua ortive ‐ area collinare di Faenza carta uso del suolo 2008

Fabbisogno irriguo del pomodoro

Caso puntuale: scenario di richiesta irriguaPomodoro, 2021‐2050, Piacentino ‐ cella Ucea 1410

Parametri comuni per il pomodoro

LAI max: 4

Kc max: 1

Profondità radicale: 0.6 m

Sommatoria gradi giorno della fase di crescita: 575°d +150°per 

il trapianto (con soglia di 10°)

Irrigazione giornaliera di riferimento: 40 mm

Risorsa idrica non limitante Risorsa idrica limitata

Turno irriguo: ‐ Turno irriguo: 10 giorni

Sensibilità: 0.65 Sensibilità: 0.75

Percentuale di stress controllato: 1 Percentuale di stress controllato: 0.75

Il modello è stato calibrato su dati osservati dell’Azienda Sperimentale Tadini (Piacenza)  gestita dalla Provincia diPiacenza

Anomalie di precipitazione 2021‐2050 rispetto al periodo di riferimento 1961‐1990 per la cella UCEA 1411

Piacenza

-40%

-30%

-20%

-10%

0%

10%

20%

30%

40%

DJF MAM JJA SON

ECHAM5 EGMAM_R1 EGMAM_R2INGV IPSL METO_HCMedian

Faenza

-40%

-30%

-20%

-10%

0%

10%

20%

30%

40%

DJF MAM JJA SON

ECHAM5 EGMAM_R1 EGMAM_R2INGV IPSL METO_HCMedian

Distribuzione del fabbisogno irriguo annuale del pomodoro, area di Piacenza, scenario a risorsa idrica potenziale

Distribuzione del fabbisogno irriguo annuale del pomodoro, area di Piacenza, scenario a risorsa idrica limitata

SWD: percentuale di deficit di acqua prontamente disponibile nel profilo radicato durante la fase di maturazione

Soil Water Deficit medio nello scenario a risorsa idrica limitata

• CON3: suolo franco argilloso CIC=0.31 PA=0.176

• SMB2: suolo franco argilloso limoso CIC=0.345 PA=0.174

• BEL1: suolo franco limoso CIC=0.354 PA=0.170

• TEG2: suolo argilloso limoso CIC=0.33 PA=0.176

• BAR1: suolo franco limoso CIC=0.349 PA=0.168

• CAS1: suolo franco limoso CIC=0.290 PA=0.145

De Lorenzi F., Bonfante A., Tomozeiu R., Patanè C., Villani G., Basile A., Tomei F., Menenti M. (2010). Il segnale climatico sulle produzioni: interrelazioni tra strategie irrigue e risposte delle cultivars. Atti del Congresso Nazionale della SocietàItaliana di Agronomia (SIA), Roma. 20-22 Settembre 2010.

Il cambiamento climatico in attovariazione di precipitazione cumulata stagionale 1991‐2008 vs 1961‐1990

Piacenza

-40%

-30%

-20%

-10%

0%

10%

20%

30%

40%

DJF MAM JJA SON

ECHAM5 EGMAM_R1 EGMAM_R2INGV IPSL METO_HCMedian -40%

-30%

-20%

-10%

0%

10%

20%

30%

40%

Winter Spring Summer Autumn

[%]

Study area mosaic: NIGERIASAT-1 (21/02/2010) + UK-DMC (25/02/2010)Black area: clouds still presentVector: Reclamation consortia

Progetto ColtClassificazione delle colture in atto tramite TelerilevamentoBilancio idrico territoriale con immagini da satellite

ANZOLA DELL'EMILIA

ARGELATOBARICELLA

BAZZANO

BENTIVOGLIO

BOLOGNA

BORGO TOSSIGNANO

BUDRIO

CALDERARA DI RENO

CASALECCHIO DI RENO

CASALFIUMANESE

CASTEL D'AIANO

CASTEL GUELFO DI BOLOGNA

CASTEL MAGGIORE

CASTEL SAN PIETRO TERME

CASTELLO D'ARGILE

CASTELLO DI SERRAVALLE

CASTENASOCRESPELLANO

CREVALCORE

DOZZA

FONTANELICE

GALLIERA

GRANAROLO DELL'EMILIA

GRIZZANA

IMOLA

LOIANO

MALAMBERTO

MONTE S. PIETRO

MARZABOTTO

MEDICINA

MINERBIO MOLINELLA

MONTERENZIO

MONTEVEGLIO

MONZUNO

MORDANO

OZZANO DELL'EMILIA

PIANORO

PIEVE DI CENTO

SALA BOLOGNESE

SAN GIORGIO DI PIANOSAN GIOVANNI IN PERSICETO

SAN LAZZARO DI SAVENA

SAN PIETRO IN CASALE

SANT'AGATA BOLOGNESE

SASSO MARCONISAVIGNO

VERGATO

ZOLA PREDOSA

ARGENTA

CENTO

FERRARAFOMIGNANA

MASI TORELLO

M

MIRABELLO

POGGIO RENATICO

PORTOMAGGIORE

SANT'AGOSTINO

TRESIGALVIGARANO MAINARDA

VOGHIERA

BASTIGLIABOMPORTO

CAMPOSANTO

CASTELFRANCO EMILIA

RANGONE

DI MODENA

CAVEZZO FINALE EMILIA

UIGLIA

O SUL PANARO

MEDOLLA

TESE

NONANTOLA

RAVARINO

SAN CESARIO SUL PANARO

SAN FELICE SUL PANARO

SAN PROSPERO

SAVIGNANO SUL PANARO

SPILAMBERTO

VIGNOLA

ZOCCA

BAGNARA DI ROMAGNA

CASTEL BOLOGNESE

CONSELICE

FAEN

MASSA LOMBARDA

RIOLO TERME

SANT'AGATA SUL SA

SOLAROLO

Criteria

H2O - Irrigazione (mm)Conduzione Colturale:Storia della particella

01/06/2010 - 30/08/2010

0 40 80 120 160 200 240 280

Gallo A., Pratizzoli W., Spisni A., Mariani C., Pavan V., Villani G., Tomei F., Marletto V. (2010). Possibile la stima precoce delle esigenze irrigue estive. Rivista Agricoltura Novembre 2010, pp. 82‐83

Irrigazione

Progetto Colt

Bibliografia− De Lorenzi F., Bonfante A., Tomozeiu R., Patanè C., Villani G., Basile A., Tomei F., Menenti M.  (2010).  Il segnale climatico 

sulle  produzioni:  interrelazioni  tra  strategie  irrigue  e  risposte  delle  cultivars.  Atti  del  Congresso Nazionale  della  SocietàItaliana di Agronomia (SIA), Roma. 20‐22 Settembre 2010.

− Spisni A., Pratizzoli W., Tomei F., Mariani M.C.; Villani G., Pavan V., Tomozeiu R.,Marletto V.  (2010). Forecasting seasonalwater needs under  current and  future  climate. Atti del  Simposio di European Space Agency (ESA), Bergen. 27 Giugno‐2 Luglio 2010.

− Tomei F., Pavan V., Antolini G., Marletto V., Villani G., Ventura F. (2008). Seasonal weather predictions and crop modellingfor  wheat  yield  forecasting  in  Northern  Italy. Multi‐functional  agriculture  ‐ Agriculture  as  a  Resource  for  Energy  and Environmental  Preservation.  Atti  del  Congresso  internazionale  ESA  (European Society  of  Agronomy),  Bologna.  15‐19 Settembre 2008.

− Tomei F., Villani G., Pavan V., Marletto V. (2009). Previsioni meteorologiche stagionali e modelli colturali per la previsione di resa  del  frumento  in  Emilia‐Romagna.  Clima  e  agricoltura,  strategie  di  adattamento  e mitigazione.  Atti  del  Congresso nazionale AIAM (Associazione Italiana di Agrometeorologia), Sassari. 15‐17 Giugno 2009.

− Tomei F., Villani G., Pavan V., Pratizzoli W., Marletto V. (2009). Report on the quality of seasonal predictions of wheat yield and  irrigation  needs  in  Northern  Italy.  Ensembles  Project,  6th  Eu R&D  Framework  Programme,  Research  Theme  6, Assessments of Impacts and Climate Change.

− Tomei F., Antolini G., Tomozeiu R., Pavan V., Villani G. and Marletto V. (2010). Analysis of precipitation in Emilia‐Romagna(Italy) and impacts of climate change scenarios. Atti del Workshop  internazionale di Statistics in hydrology Working Group(STAHY‐WG), Taormina. 23‐25 Maggio 2010.

− Tomozeiu R., Tomei F.,Villani G., Pasqui M.  (2010). Climate change scenarios of  temperature and precipitation over  fiveItalian regions for the period 2021‐2050 obtained by statistical downscaling models. Atti del Congresso europeo di EuropeanMeteorology Society (EMS), Zurich.13‐17 Settembre 2010.

− Villani G., Tomozeiu R.,Tomei F., Marletto V. (2010). Scenari di cambiamento climatico e loro impatto sull’agricoltura irrigua romagnola.  Agrometeorologia nella  gestione  integrata  dei  sistemi  agro‐forestali  e  dell’ambiente.  Atti  del  Congresso nazionale AIAM (Associazione Italiana di Agrometeorologia), Bari. 9‐10 Giugno 2010.

ARPA Servizio Idro Meteo ClimaArea agrometeorologia, territorio e clima

www.arpa.emr.it/sim

Il gruppo: G. Antolini, L. Botarelli, V. Marletto, A. Pasquali, V. Pavan, W. Pratizzoli,  R. Renati, F. Tomei, R. Tomozeiu, G. Villani, 

A. Volta, A. Spisni, M. Mariani

RegioneSiciliana Servizio Informativo

AgrometeorologicoSiciliano

Centro Studi di Economia applicata all'Ingegneria