Effetto delle variazioni dell'uso e copertura del suolo sul clima ... - CNR

Effetto delle variazioni dell’uso e copertura
del suolo sul clima a scala regionale
G. Dalu, M. Baldi
Istituto di Biometeorologia, CNR, Roma, Italia
g.dalu@ibimet.cnr.it
SOMMARIO: Le variazioni in utilizzo del suolo e copertura della superficie possono avere sul clima a scala
regionale un impatto equivalente a quello che hanno le alterazioni delle concentrazioni di gas ad effetto
serra in atmosfera. Variazioni di uso e copertura del suolo, ad esempio, influiscono sulla distribuzione spaziale
e temporale dei fenomeni convettivi e delle precipitazioni ad essi associati e quindi sul clima di una
determinata regione. Se da una parte i processi a mesoscala possono fornire umidità ed instabilità sufficienti
perché si inneschino fenomeni convettivi, d’altra parte, le disomogeneità del terreno possono favorire
lo sviluppo di perturbazioni e i processi convettivi. Una volta iniziato, il fenomeno convettivo tende a
rafforzare la perturbazione in atto ed eventualmente a favorire fenomeni atmosferici estremi. Gli Autori
illustrano un modello lineare sviluppato ad hoc per la valutazione del tipo ed entità delle perturbazioni
indotte in funzione delle caratteristiche delle disomogeneità alla superficie.
1IL PROBLEMA SCIENTIFICO
Negli ultimi anni diversi studi hanno mostrato
il ruolo fondamentale ed altrettanto importante
di quello esercitato dai gas ad effetto
serra, che i cambiamenti di uso del suolo e le
variazioni della copertura del suolo stesso
giocano sulle variazioni di precipitazioni,
temperature ed altre variabili climatiche a
scala regionale (Chase et al., 2000; Zhao et
al., 2001; Foley et al., 2005). Tali studi, unitamente
alla considerazione che una porzione di
superficie terrestre compresa fra 1/3 e 1/2 del
totale è stata, negli ultimi decenni, trasformata
a seguito delle attività umane e destinata ad
altro uso (si pensi ad esempio alla deforestazione
o ai vasti territori oggi destinati alle
monocolture), rafforzano non solo la necessità
ma anche la importanza delle ricerche sulla
tipologia ed entità delle trasformazioni climatiche
a scala regionale indotte da cambiamenti
di uso e copertura del suolo.
Tali variazioni, ad esempio, influiscono sulla
distribuzione spaziale e temporale dei fenomeni
convettivi e delle precipitazioni ad essi
associati e finanche sull’occorrenza degli
eventi estremi. Molti Autori hanno mostrato
non solo che i processi a mesoscala possono
fornire umidità ed instabilità sufficienti perché
possano instaurarsi dei fenomeni convettivi,
ma anche che le disomogeneità del terreno,
agendo sullo strato superficiale di atmosfera,
giocano un ruolo fondamentale nel
favorire la convezione stessa. Una volta iniziato,
il fenomeno convettivo tende a rafforzare
la perturbazione a mesoscala in atto e a
favorire fenomeni atmosferici estremi.
Alcuni autori, inoltre, hanno ipotizzato il fatto
che opportune variazioni di uso del terreno (ad
esempio riforestazione, coltivazioni estensiveintensive,
ecc) potrebbero favorire, in determinate
situazioni ambientali (ad esempio in zone
attualmente semi-aride), precipitazioni di tipo
convettivo (Feddema et al., 2005), variando il
clima ad una scala che vada dalla locale alla
mesoscala. Già nel 1984 Anthes in un lavoro
che possiamo definire pionieristico, utilizzando
una teoria lineare, era arrivato alla conclusione
che rivegetare in modo adeguato, in presenza
di opportune condizioni ambientali,
favorisce lo sviluppo di processi convettivi e di
precipitazione ad essi associata. In Figura 1
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Clima e cambiamenti climatici: le attività di ricerca del CNR
vengono mostrati gli ipotetici effetti di stabilizzazione
conseguenti all’introduzione di vegetazione
in regioni semiaride sui singoli effetti e
processi: radiazione IR, vapor d’acqua, assorbimento
di radiazione solare, evapotraspirazione,
moti verticali, turbolenza, runoff.
Diversi sono i lavori (Cotton e Pielke, 2007 e
citazioni in esso riportate; Pielke et al., 2007)
pubblicati sull’argomento in cui gli Autori
hanno utilizzato sia modelli teorici e numerici
che risultati di campagne sperimentali.
Ognuno di questi lavori, tuttavia, ha analizzato
il problema in determinate circostanze
ambientali senza fornire un quadro generale
del problema, ed offrendo una visione frammentata
e risultati, a prima vista, in contraddizione
gli uni con gli altri.
Alcuni autori, poi, hanno studiato il caso di
regioni particolarmente aride nelle quali le
condizioni per l’innesco della convezione
dipendono in modo cruciale dalle condizioni
al contorno e alla superficie come nella regione
Saheliana (Taylor et al., 2002) dove eventuali
interventi ad hoc potrebbero modificare
in modo considerevole la climatologia a scala
locale e/o regionale.
Obiettivo generale della ricerca qui presentata
è quello di fornire una teoria lineare che, in
funzione delle diverse condizioni ambientali
(vento a grande scala o di fondo, lunghezza
d’onda delle disomogeneità, stabilità dell’atmosfera)
sia in grado di fornire indicazioni
sulle perturbazioni indotte dalle diverse disomogeneità
e sulla formazione o meno di processi
convettivi e quindi sulla possibilità di
avere precipitazioni in una determinata regione,
mettendo in certo qual senso ordine fra le
diverse ricerche che sono state svolte finora
ed offrendo le basi per una discussione sulla
opportunità o meno di effettuare interventi
specifici sulla vegetazione della regione
2 ATTIVITÀ DI RICERCA
Figura 1: Ipotetico effetto di stabilizzazione conseguente
all’introduzione di vegetazione in regioni semiaride. Gli
effetti, positivi e negativi, sui singoli effetti e processi sono
indicati dai segni positivo e negativo. Da Anthes (1984).
Per portare a termine la ricerca è stato sviluppato
un modello matematico lineare, a partire
dal modello proposto da Anthes, 1984. Le
soluzioni sono presentate in funzione del flusso
ambientale (fino a 10 m/s) e per diverse
dimensioni dei patches di vegetazione presenti
sul terreno, definiti in base alla loro lunghezza
d’onda (fra 10 e 100 km). Per la
descrizione completa del modello si veda
Baldi et al., 2007.
3 RISULTATI RILEVANTI
Il problema viene qui definito da equazioni
linearizzate, nonidrostatiche, in ipotesi di
Boussinesq ed in 2D:
L u – fv + ∂ x φ = ∂ z τ
L v + fu = 0
L w + ∂φ/∂z – b = 0 oppure: ∂φ/∂z = b
L b + N2 w = Q; ∂ x u + ∂ z w = 0
Dove: L ≡ ( ∂ t + U ∂ x + λ - K ∂ xx )
La variabile φ rappresenta il geopotenziale, U
il vento a grande scala, (u,v,w) le componenti
della quantità di moto, b la perturbazione della
buoyancy, Q rappresenta la sorgente di calore,
τ il coefficiente di Rayleigh, N la frequenza di
Brünt-Väisäla ed f il parametro di Coriolis.
È stata quindi assegnata una forma funzionale
specifica alla Q in modo che il flusso di
calore sia costante per tutto lo strato limite
convettivo e sia nullo al di sopra:
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Processi chimico-fisici del clima
Q = Q 0 He(h Q - z) exp i(ω 0 t + k 0 x)
Con: k 0 =2π/L; ω 0 = 2 π / giorno;
Q 0 = ω 0 N 2 h Q ; N 2 = gΘ z /Θ;
h Q = µ Q
-¹ = 1000m
A questo punto è stata introdotta la definizione
di stream function ed è stata risolta l’equazione
per questa nuova variabile in diverse
condizioni ambientali.
Successivamente è stata scritta la soluzione in
termini di velocità verticale w in presenza di
forzanti di diversa natura (Fig. 2) della perturbazione
di temperatura δθ λ , e della perturbazione
della frequenza di Brünt-Väisäla, N CBL ,
al top dello strato limite convettivo.
Poiché è noto che nella stagione estiva, dopo
il tramonto, l’intensità del vento decresce
rapidamente, è stato calcolato il moto verticale,
o updraft, che deriva dall’energia potenziale
residua (Fig. 3).
I risultati di questa ricerca possono essere
riassunti come segue.
Le condizioni ambientali, compresa la distribuzione
delle disomogeneità del terreno e le
loro caratteristiche ed il vento a grande scala,
riducono il contrasto termico e l’updraft
generato termicamente. Tale updraft al top
dello strato superficiale è più intenso in presenza
di vento debole.
Un flusso moderato (3 – 4 m/s) e la presenza
di disomogeneità della superficie modificano
i parametri fisici ambientali e favoriscono la
formazione di nubi attraverso una intensificazione
dei moti verticali al top dello strato
limite atmosferico e lo spostamento del flusso
verticale dalle zone non vegetate a quelle
vegetate dove, di conseguenza, la stabilità si
indebolisce.
Il contributo dello stress dovuto al vento
diviene rilevante in presenza di vento di fondo
moderato. Nel caso in cui esso superi i 5 m/s
la velocità verticale è mantenuta dall’effetto
meccanico indotto dalla rugosità della superficie
e quindi dal tipo di copertura del suolo.
Dopo il tramonto, quando il flusso di fondo e
il forzante diabatico sono più deboli, la energia
potenziale disponibile può favorire lo sviluppo
di processi convettivi serali.
4 PROSPETTIVE FUTURE
Lo sviluppo futuro della teoria qui presentata
consisterà in primo luogo in una validazione
del modello, passo preliminare per la elaborazione
di un modello più complesso. Tale validazione
è stata programmata, in collaborazione
con i colleghi della Università di Leeds ed
Figura 2: Velocità verticale al top dello strato limite planetario
indotta da sorgente diabatica e rugosità, w (Q,τ) ,
(linea continua), dalla sola sorgente diabatica, w Q , (linea
tratteggiata), dalla sola rugosità, w τ , (linea punteggiata).
Figura 3: Velocità verticale media nello strato limite planetario
dopo il tramonto.
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Clima e cambiamenti climatici: le attività di ricerca del CNR
il Centre for Ecology and Hydrology nel
Regno Unito al fine di valutarne eventuali
debolezze tramite l’applicazione a casi studio
specifici. Tali casi studio saranno scelti in
primo luogo fra quelli individuati nel corso
delle campagne di misura effettuate nell’ambito
del progetto AMMA svoltesi in Africa
nella regione Saheliana e sub-Saheiana in
periodo monsonico.
I risultati di questa teoria potranno essere utilizzati
in modelli numerici complessi al fine
di valutare l’opportunità di introdurre della
vegetazione e di quale tipo in regioni semiaride
al fine non solo di favorire l’innesco di
fenomeni convettivi e di precipitazione, ma
soprattutto di rallentare il fenomeno di desertificazione
in atto in tali regioni modificandone
in parte il clima.
5 RICONOSCIMENTI
La ricerca è stata in parte finanziata da
AMMA – Integrated Project della Unione
Europea e dal CNR tramite il programma di
Short Term Mobility.
6 BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE
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