Un modello markoviano non omogeneo per la definizione di scenari di cambiamento climatico delle aree costiere: il caso della Piana Pontina

This study addresses to the possible changes in Agro-Pontino rainfall under different global warming scenarios for the 21st century. The Agro-Pontino-plain is a reclamation region and presents the typical hydro-geological features of Mediterranean coastal environments. It is densely populated and productive, therefore, climate changes could adversely affect the socio-economic development of the area. Currently, due to the coarse resolution of Global-Circulation-Models, local climate variables simulations for limited size area are not accurate. Nonetheless, GCMs simulations of large-scale upper-air fields are generally considered reliable, therefore to bridge the gap between GCMs and local-scale processes different downscaling techniques are carried out. Here, a Hidden Markov Model and a Non-homogeneous Hidden Markov Model are developed using a 54-years record (1951-2004) of daily rainfall amount at 9 stations in Agro-Pontino-plain and re-analysis fields of atmospheric variables. In HMM and NHMM runs, we directly consider the entire year, rather than an a priori demarcation of seasons. The idea is to identify, directly using the HMM, the seasonal precipitation characteristics which may be related to the temporal sequence of ‘hidden states’ of atmosphere, subsequently modeled as dependent on appropriate fields of selected atmospheric variables. Daily rainfall variability is described in terms of occurrence of 5 ‘hidden weather states’ identified by the HMM and associated to variables representing the main characteristics of large-scale atmospheric circulation as obtained by re-analysis data, then, using NHMM, calibration and validation tests are made to identify the optimal predictors - GeoPotential Height and Temperature at 1000 hPa, Meridional & Zonal Wind at 850 hPa and Precipitable Water - to reproduce better the observed rainfall features on Agro-Pontino-plain.

Questo studio è finalizzato alla valutazione dei possibili cambiamenti del regime pluviometrico nella Pianura dell’Agro-Pontino che si determinano nei differenti scenari di riscaldamento globale ipotizzati per il 21°secolo. L’ area oggetto dello studio, fascia costiera compresa fra il Mar Tirreno e la dorsale Lepino-Ausona, ubicata nel Lazio meridionale, costituisce un rilevante esempio di regione di bonifica e presenta le tipiche caratteristiche idro-geologiche degli ambienti costieri del Mediterraneo. È densamente popolata ed è sede di importanti attività agricole e industriali che dipendono in modo determinante dalla disponibilità di acqua da fonti superficiali e sotterranee, quindi le modifiche climatiche e le possibili conseguenti alterazioni del ciclo idrologico hanno una diretta influenza sullo sviluppo socio-economico della zona. Allo stato attuale dell’arte nè i modelli di circolazione generale dell’atmosfera (GCM), nè quelli regionali (RCM), consentono una riproduzione del regime pluviometrico giornaliero sufficientemente accurata per zone di relativamente limitata estensione, quale la regione suddetta. Ciò nonostante, essi riproducono con sufficiente fedeltà i campi alla grande scala delle variabili rappresentanti la circolazione atmosferica globale. Pertanto è necessario ricorrere a tecniche di downscaling per ottenere simulazioni sufficientemente accurate delle precipitazioni locali, basate sull’individuazione di relazioni statistiche fra le suddette variabili alla grande scala e le precipitazioni locali. Nel presente lavoro, sono state applicate le tecniche di downscaling statistico, ‘Hidden Markov Model’ (HMM) e ‘Non-homogeneous Hidden Markov Model’ (NHMM), a 54 anni (1951-2004) di dati delle precipitazioni giornaliere di 9 stazioni dell’Istituto Idrografico e Mareografico di Roma e dell’ Aeronautica Militare ricadenti nell’area di studio. L’HMM e l’NHMM sono utilizzati sull’intero hanno solare piuttosto che su stagioni delineate a-priori per riprodurre le attuali caratteristiche di piovosità giornaliera e quelle future sulla Piana dell’Agro-Pontino, con particolare riferimento alle caratteristiche di stagionalità, che vengono catturate attraverso un’opportuna scelta delle variabili atmosferiche, descriventi le caratteristiche metereologiche e climatiche alla grande scala, influenzanti il regime di precipitazione locale. L’idea consiste nell’identificare, direttamente utilizzando l’HMM, le caratteristiche stagionali di piovosità associate agli ‘stati nascosti’ (HS) e descrivere la variabilità giornaliera delle precipitazioni; successivamente selezionare le variabili atmosferiche (predictors) che più influenzano il regime pluviometrico e analizzare le distribuzioni spaziali associate ai differenti stati piovosi; infine, mediante l’NHMM si sono effettuate prove di calibrazione (1951-1994) e validazione (1995-2004) per individuare l’insieme ottimale di predittori atmosferici (“Mean Sea Level Pressure (MSL)”, “Temperature at 1000 hPa (T)”, “Meridional Wind (MW)” e “Zonal Wind (ZW) at 850 hPa” e “Precipitable Water (P)” (IRI Library – NOAA-NCAR) ) che meglio consentono di riprodurre le caratteristiche stagionali delle precipitazioni osservate.