Effetto delle variazioni dell'uso e copertura del suolo sul clima ... - CNR
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<strong>Effetto</strong> <strong><strong>del</strong>le</strong> <strong>variazioni</strong> <strong>del</strong>l’uso e <strong>copertura</strong><br />
<strong>del</strong> <strong>suolo</strong> <strong>sul</strong> <strong>clima</strong> a scala regionale<br />
G. Dalu, M. Baldi<br />
Istituto di Biometeorologia, <strong>CNR</strong>, Roma, Italia<br />
g.dalu@ibimet.cnr.it<br />
SOMMARIO: Le <strong>variazioni</strong> in utilizzo <strong>del</strong> <strong>suolo</strong> e <strong>copertura</strong> <strong>del</strong>la superficie possono avere <strong>sul</strong> <strong>clima</strong> a scala<br />
regionale un impatto equivalente a quello che hanno le alterazioni <strong><strong>del</strong>le</strong> concentrazioni di gas ad effetto<br />
serra in atmosfera. Variazioni di uso e <strong>copertura</strong> <strong>del</strong> <strong>suolo</strong>, ad esempio, influiscono <strong>sul</strong>la distribuzione spaziale<br />
e temporale dei fenomeni convettivi e <strong><strong>del</strong>le</strong> precipitazioni ad essi associati e quindi <strong>sul</strong> <strong>clima</strong> di una<br />
determinata regione. Se da una parte i processi a mesoscala possono fornire umidità ed instabilità sufficienti<br />
perché si inneschino fenomeni convettivi, d’altra parte, le disomogeneità <strong>del</strong> terreno possono favorire<br />
lo sviluppo di perturbazioni e i processi convettivi. Una volta iniziato, il fenomeno convettivo tende a<br />
rafforzare la perturbazione in atto ed eventualmente a favorire fenomeni atmosferici estremi. Gli Autori<br />
illustrano un mo<strong>del</strong>lo lineare sviluppato ad hoc per la valutazione <strong>del</strong> tipo ed entità <strong><strong>del</strong>le</strong> perturbazioni<br />
indotte in funzione <strong><strong>del</strong>le</strong> caratteristiche <strong><strong>del</strong>le</strong> disomogeneità alla superficie.<br />
1IL PROBLEMA SCIENTIFICO<br />
Negli ultimi anni diversi studi hanno mostrato<br />
il ruolo fondamentale ed altrettanto importante<br />
di quello esercitato dai gas ad effetto<br />
serra, che i cambiamenti di uso <strong>del</strong> <strong>suolo</strong> e le<br />
<strong>variazioni</strong> <strong>del</strong>la <strong>copertura</strong> <strong>del</strong> <strong>suolo</strong> stesso<br />
giocano <strong>sul</strong>le <strong>variazioni</strong> di precipitazioni,<br />
temperature ed altre variabili <strong>clima</strong>tiche a<br />
scala regionale (Chase et al., 2000; Zhao et<br />
al., 2001; Foley et al., 2005). Tali studi, unitamente<br />
alla considerazione che una porzione di<br />
superficie terrestre compresa fra 1/3 e 1/2 <strong>del</strong><br />
totale è stata, negli ultimi decenni, trasformata<br />
a seguito <strong><strong>del</strong>le</strong> attività umane e destinata ad<br />
altro uso (si pensi ad esempio alla deforestazione<br />
o ai vasti territori oggi destinati alle<br />
monocolture), rafforzano non solo la necessità<br />
ma anche la importanza <strong><strong>del</strong>le</strong> ricerche <strong>sul</strong>la<br />
tipologia ed entità <strong><strong>del</strong>le</strong> trasformazioni <strong>clima</strong>tiche<br />
a scala regionale indotte da cambiamenti<br />
di uso e <strong>copertura</strong> <strong>del</strong> <strong>suolo</strong>.<br />
Tali <strong>variazioni</strong>, ad esempio, influiscono <strong>sul</strong>la<br />
distribuzione spaziale e temporale dei fenomeni<br />
convettivi e <strong><strong>del</strong>le</strong> precipitazioni ad essi<br />
associati e finanche <strong>sul</strong>l’occorrenza degli<br />
eventi estremi. Molti Autori hanno mostrato<br />
non solo che i processi a mesoscala possono<br />
fornire umidità ed instabilità sufficienti perché<br />
possano instaurarsi dei fenomeni convettivi,<br />
ma anche che le disomogeneità <strong>del</strong> terreno,<br />
agendo <strong>sul</strong>lo strato superficiale di atmosfera,<br />
giocano un ruolo fondamentale nel<br />
favorire la convezione stessa. Una volta iniziato,<br />
il fenomeno convettivo tende a rafforzare<br />
la perturbazione a mesoscala in atto e a<br />
favorire fenomeni atmosferici estremi.<br />
Alcuni autori, inoltre, hanno ipotizzato il fatto<br />
che opportune <strong>variazioni</strong> di uso <strong>del</strong> terreno (ad<br />
esempio riforestazione, coltivazioni estensiveintensive,<br />
ecc) potrebbero favorire, in determinate<br />
situazioni ambientali (ad esempio in zone<br />
attualmente semi-aride), precipitazioni di tipo<br />
convettivo (Feddema et al., 2005), variando il<br />
<strong>clima</strong> ad una scala che vada dalla locale alla<br />
mesoscala. Già nel 1984 Anthes in un lavoro<br />
che possiamo definire pionieristico, utilizzando<br />
una teoria lineare, era arrivato alla conclusione<br />
che rivegetare in modo adeguato, in presenza<br />
di opportune condizioni ambientali,<br />
favorisce lo sviluppo di processi convettivi e di<br />
precipitazione ad essi associata. In Figura 1<br />
125
Clima e cambiamenti <strong>clima</strong>tici: le attività di ricerca <strong>del</strong> <strong>CNR</strong><br />
vengono mostrati gli ipotetici effetti di stabilizzazione<br />
conseguenti all’introduzione di vegetazione<br />
in regioni semiaride sui singoli effetti e<br />
processi: radiazione IR, vapor d’acqua, assorbimento<br />
di radiazione solare, evapotraspirazione,<br />
moti verticali, turbolenza, runoff.<br />
Diversi sono i lavori (Cotton e Pielke, 2007 e<br />
citazioni in esso riportate; Pielke et al., 2007)<br />
pubblicati <strong>sul</strong>l’argomento in cui gli Autori<br />
hanno utilizzato sia mo<strong>del</strong>li teorici e numerici<br />
che ri<strong>sul</strong>tati di campagne sperimentali.<br />
Ognuno di questi lavori, tuttavia, ha analizzato<br />
il problema in determinate circostanze<br />
ambientali senza fornire un quadro generale<br />
<strong>del</strong> problema, ed offrendo una visione frammentata<br />
e ri<strong>sul</strong>tati, a prima vista, in contraddizione<br />
gli uni con gli altri.<br />
Alcuni autori, poi, hanno studiato il caso di<br />
regioni particolarmente aride nelle quali le<br />
condizioni per l’innesco <strong>del</strong>la convezione<br />
dipendono in modo cruciale dalle condizioni<br />
al contorno e alla superficie come nella regione<br />
Saheliana (Taylor et al., 2002) dove eventuali<br />
interventi ad hoc potrebbero modificare<br />
in modo considerevole la <strong>clima</strong>tologia a scala<br />
locale e/o regionale.<br />
Obiettivo generale <strong>del</strong>la ricerca qui presentata<br />
è quello di fornire una teoria lineare che, in<br />
funzione <strong><strong>del</strong>le</strong> diverse condizioni ambientali<br />
(vento a grande scala o di fondo, lunghezza<br />
d’onda <strong><strong>del</strong>le</strong> disomogeneità, stabilità <strong>del</strong>l’atmosfera)<br />
sia in grado di fornire indicazioni<br />
<strong>sul</strong>le perturbazioni indotte dalle diverse disomogeneità<br />
e <strong>sul</strong>la formazione o meno di processi<br />
convettivi e quindi <strong>sul</strong>la possibilità di<br />
avere precipitazioni in una determinata regione,<br />
mettendo in certo qual senso ordine fra le<br />
diverse ricerche che sono state svolte finora<br />
ed offrendo le basi per una discussione <strong>sul</strong>la<br />
opportunità o meno di effettuare interventi<br />
specifici <strong>sul</strong>la vegetazione <strong>del</strong>la regione<br />
2 ATTIVITÀ DI RICERCA<br />
Figura 1: Ipotetico effetto di stabilizzazione conseguente<br />
all’introduzione di vegetazione in regioni semiaride. Gli<br />
effetti, positivi e negativi, sui singoli effetti e processi sono<br />
indicati dai segni positivo e negativo. Da Anthes (1984).<br />
Per portare a termine la ricerca è stato sviluppato<br />
un mo<strong>del</strong>lo matematico lineare, a partire<br />
dal mo<strong>del</strong>lo proposto da Anthes, 1984. Le<br />
soluzioni sono presentate in funzione <strong>del</strong> flusso<br />
ambientale (fino a 10 m/s) e per diverse<br />
dimensioni dei patches di vegetazione presenti<br />
<strong>sul</strong> terreno, definiti in base alla loro lunghezza<br />
d’onda (fra 10 e 100 km). Per la<br />
descrizione completa <strong>del</strong> mo<strong>del</strong>lo si veda<br />
Baldi et al., 2007.<br />
3 RISULTATI RILEVANTI<br />
Il problema viene qui definito da equazioni<br />
linearizzate, nonidrostatiche, in ipotesi di<br />
Boussinesq ed in 2D:<br />
L u – fv + ∂ x φ = ∂ z τ<br />
L v + fu = 0<br />
L w + ∂φ/∂z – b = 0 oppure: ∂φ/∂z = b<br />
L b + N2 w = Q; ∂ x u + ∂ z w = 0<br />
Dove: L ≡ ( ∂ t + U ∂ x + λ - K ∂ xx )<br />
La variabile φ rappresenta il geopotenziale, U<br />
il vento a grande scala, (u,v,w) le componenti<br />
<strong>del</strong>la quantità di moto, b la perturbazione <strong>del</strong>la<br />
buoyancy, Q rappresenta la sorgente di calore,<br />
τ il coefficiente di Rayleigh, N la frequenza di<br />
Brünt-Väisäla ed f il parametro di Coriolis.<br />
È stata quindi assegnata una forma funzionale<br />
specifica alla Q in modo che il flusso di<br />
calore sia costante per tutto lo strato limite<br />
convettivo e sia nullo al di sopra:<br />
126
Processi chimico-fisici <strong>del</strong> <strong>clima</strong><br />
Q = Q 0 He(h Q - z) exp i(ω 0 t + k 0 x)<br />
Con: k 0 =2π/L; ω 0 = 2 π / giorno;<br />
Q 0 = ω 0 N 2 h Q ; N 2 = gΘ z /Θ;<br />
h Q = µ Q<br />
-¹ = 1000m<br />
A questo punto è stata introdotta la definizione<br />
di stream function ed è stata risolta l’equazione<br />
per questa nuova variabile in diverse<br />
condizioni ambientali.<br />
Successivamente è stata scritta la soluzione in<br />
termini di velocità verticale w in presenza di<br />
forzanti di diversa natura (Fig. 2) <strong>del</strong>la perturbazione<br />
di temperatura δθ λ , e <strong>del</strong>la perturbazione<br />
<strong>del</strong>la frequenza di Brünt-Väisäla, N CBL ,<br />
al top <strong>del</strong>lo strato limite convettivo.<br />
Poiché è noto che nella stagione estiva, dopo<br />
il tramonto, l’intensità <strong>del</strong> vento decresce<br />
rapidamente, è stato calcolato il moto verticale,<br />
o updraft, che deriva dall’energia potenziale<br />
residua (Fig. 3).<br />
I ri<strong>sul</strong>tati di questa ricerca possono essere<br />
riassunti come segue.<br />
Le condizioni ambientali, compresa la distribuzione<br />
<strong><strong>del</strong>le</strong> disomogeneità <strong>del</strong> terreno e le<br />
loro caratteristiche ed il vento a grande scala,<br />
riducono il contrasto termico e l’updraft<br />
generato termicamente. Tale updraft al top<br />
<strong>del</strong>lo strato superficiale è più intenso in presenza<br />
di vento debole.<br />
Un flusso moderato (3 – 4 m/s) e la presenza<br />
di disomogeneità <strong>del</strong>la superficie modificano<br />
i parametri fisici ambientali e favoriscono la<br />
formazione di nubi attraverso una intensificazione<br />
dei moti verticali al top <strong>del</strong>lo strato<br />
limite atmosferico e lo spostamento <strong>del</strong> flusso<br />
verticale dalle zone non vegetate a quelle<br />
vegetate dove, di conseguenza, la stabilità si<br />
indebolisce.<br />
Il contributo <strong>del</strong>lo stress dovuto al vento<br />
diviene rilevante in presenza di vento di fondo<br />
moderato. Nel caso in cui esso superi i 5 m/s<br />
la velocità verticale è mantenuta dall’effetto<br />
meccanico indotto dalla rugosità <strong>del</strong>la superficie<br />
e quindi dal tipo di <strong>copertura</strong> <strong>del</strong> <strong>suolo</strong>.<br />
Dopo il tramonto, quando il flusso di fondo e<br />
il forzante diabatico sono più deboli, la energia<br />
potenziale disponibile può favorire lo sviluppo<br />
di processi convettivi serali.<br />
4 PROSPETTIVE FUTURE<br />
Lo sviluppo futuro <strong>del</strong>la teoria qui presentata<br />
consisterà in primo luogo in una validazione<br />
<strong>del</strong> mo<strong>del</strong>lo, passo preliminare per la elaborazione<br />
di un mo<strong>del</strong>lo più complesso. Tale validazione<br />
è stata programmata, in collaborazione<br />
con i colleghi <strong>del</strong>la Università di Leeds ed<br />
Figura 2: Velocità verticale al top <strong>del</strong>lo strato limite planetario<br />
indotta da sorgente diabatica e rugosità, w (Q,τ) ,<br />
(linea continua), dalla sola sorgente diabatica, w Q , (linea<br />
tratteggiata), dalla sola rugosità, w τ , (linea punteggiata).<br />
Figura 3: Velocità verticale media nello strato limite planetario<br />
dopo il tramonto.<br />
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Clima e cambiamenti <strong>clima</strong>tici: le attività di ricerca <strong>del</strong> <strong>CNR</strong><br />
il Centre for Ecology and Hydrology nel<br />
Regno Unito al fine di valutarne eventuali<br />
debolezze tramite l’applicazione a casi studio<br />
specifici. Tali casi studio saranno scelti in<br />
primo luogo fra quelli individuati nel corso<br />
<strong><strong>del</strong>le</strong> campagne di misura effettuate nell’ambito<br />
<strong>del</strong> progetto AMMA svoltesi in Africa<br />
nella regione Saheliana e sub-Saheiana in<br />
periodo monsonico.<br />
I ri<strong>sul</strong>tati di questa teoria potranno essere utilizzati<br />
in mo<strong>del</strong>li numerici complessi al fine<br />
di valutare l’opportunità di introdurre <strong>del</strong>la<br />
vegetazione e di quale tipo in regioni semiaride<br />
al fine non solo di favorire l’innesco di<br />
fenomeni convettivi e di precipitazione, ma<br />
soprattutto di rallentare il fenomeno di desertificazione<br />
in atto in tali regioni modificandone<br />
in parte il <strong>clima</strong>.<br />
5 RICONOSCIMENTI<br />
La ricerca è stata in parte finanziata da<br />
AMMA – Integrated Project <strong>del</strong>la Unione<br />
Europea e dal <strong>CNR</strong> tramite il programma di<br />
Short Term Mobility.<br />
6 BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE<br />
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vegetative covering in semiarid regions. J.<br />
Appl. Meteor., 23: 541-554.<br />
Baldi M., Dalu G.A., Pielke R.A., 2007.<br />
Vertical velocities and available potential<br />
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