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

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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: 126
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. 127
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