81754 - CLIMATOLOGY

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2017/2018

Conoscenze e abilità da conseguire

At the end of the course the student: - knows the basics of physical climatology; - knows the main statistical methods used in climate analysis; - can use the results of both numerical global climate simulations and regional climate models for future climate scenarios evaluation: - acquires abilities in communication on the subject and becomes familiar with the English terminology used in climatology; - knows how to use scientific literature.

Programma/Contenuti

Il corso è organizzato i due moduli tenuti da due docenti in parallelo (2+2 ore di ciascun modulo alla settimana)

Modulo 1: Prof. Michele Brunetti

Modulo 2: Prof. Erika Brattich

Qui sotto i contenuti del corso per i due moduli:

 

Modulo 1

Il bilancio energetico globale

  • La natura della radiazione elettromagnetica e le leggi fisiche della radiazione
  • La legge di Planck di emissione di un corpo nero
  • La temperatura di emissione di un pianeta
  • L'effetto serra
  • Distribuzione dell'insolazione
  • Il bilancio energetico globale (radiazione solare entrante, radiazione ad onda lunga uscente, albedo)

Trasferimento di energia in atmosfera e clima

  • Assorbimento ed emissione selettive di energia da parte dei gas atmosferici
  • La legge di Lambert-Bouguet-Beer
  • Rate di assorbimento e rate di riscaldamento
  • Equazione di Schwarzchild
  • Modello euristico di equilibrio radiativo
  • Profili di temperatura in equilibrio radiativo-convettivo

Nubi e radiazione

  • Proprietà radiative delle nubi
  • Modello di effetto radiativo delle nubi
  • Osservazioni del ruolo delle nubi nel bilancio energetico della Terra

Il bilancio energetico in superficie

  • Immagazzinamento di calore nella superficie
  • Flussi di calore sensibile e latente
  • Variazione latitudinale delle componenti del bilancio energetico

Aerosol e clima

  • Distribuzione degli aerosol
  • Eruzioni vulcaniche e aerosol stratosferici
  • Aerosol antropogenici e composti dello zolfo in atmosfera

Il ciclo idrologico

  • L'acqua nel sistema clima
  • Il ramo terrestre del ciclo idrologico
  • Il ramo atmosferico del ciclo idrologico
  • Distribuzione latitudinale del bilancio idrologico
  • Il concetto di evapotraspirazione

La circolazione generale dell'atmosfera

  • Il bilancio energetico dell'atmosfera e la circolazione generale
  • La circolazione meridionale media
  • Eddies
  • Il trasporto meridiano di energia
  • Il trasporto meridiano di umidità
  • Bilancio del momento angolare

La teoria dei parametri orbitali ed ere glaciali e interglaciali

  • Cenni storici
  • Eccentricità e distanza Sole-Terra
  • Inclinazione dell'asse di rotazione ed insolazione
  • Variazione dell'insolazione media annuale
  • Evoluzione dei parametri orbitali
  • Come verificare la teoria
  • La transizione del medio pleistocene

Le osservazioni della Terra

  • L'Anno Internazionale della Geofisica e il sistema di osservazione globale
  • Breve storia delle reti di osservazione a terra con focus sulla rete italiana

Dati proxy

  • Cosa sono i dati proxy
  • Ricostruzioni da documenti stirici
  • Il rapporto isotopico delta-O18
  • Alcuni esempi di proxies: coralli, palinologia, dendroclimatologia, carote di ghiaccio, sedimenti

Il problema della qualità dei dati in climatologia

  • L'importanza della qualità dei dati in climatologia
  • L'esempio delle stazioni da tradizionali di osservazioni in superficie
  • Sorgenti di errori nei dati (cambiamenti strumentali, riposizionamento degli strumenti e della stazione, schermatura della radiazione solare, cambiamenti in situ, cambiamenti nelle regole di osservazione)
  • I metadati
  • Alcune tecniche di omogeneizzazione

Analisi alle Componenti Principali/Funzioni Ortogonali Empiriche (PCA/EOF)

  • Cos'è la PCA
  • Diagonalizzazione della matrice di covarianza (autovalori ed autovettori)
  • Matrice di covarianza e di correlazione
  • Rotazione VARIMAX
  • Alcuni esempi di PCA

Teoria degli eventi estremi

  • Aspetti generale della teoria degli eventi estremi
  • Teorema dei tipi estremali
  • La Generalized Extreme Value (GEV) distribution
  • Modelli a soglia e Generalized Pareto Distribution

Processi stocastici

  • Serie temporali e processi stocastici
  • Definizioni di base (tempo caratteristico, processi stazionari, processi debolmente stazionari, processi debolmente ciclo-stazionari, ergodicità)
  • Processi autoregressivi: media e varianza di un processo AR(p), processi AR(1), processi AR(2), stazionarietà dei processi AR
  • Processi a media mobile
  • Funzione di autocovarianza
  • Equazioni di Yule-Walker di un processo AR(p)
  • Funzione di autocovarianza di un AR(1) e un AR(2)
  • Lo spettro (definizioni e proprietà)

 

Modulo 2

Introduzione

  • Componenti del sistema clima

  • Introduzione ai GCMs

  • Scopo e limitazioni della modellistica climatica

  • Sviluppo storico

  • Esempi: Simulazione del XX secolo per quantificare il legame tra aumenti nelle concentrazioni di CO2 atmosferica e variazioni di temperatura; emissioni di CO2 permesse per concentrazioni atmosferiche prescritte

Variabilità climatica

  • Introduzione alla variabilità climatica (ENSO, NAO)

  • Scenari IPCC ed emissioni: variabilità climatica e previsione del tempo

Feedback (F) e sensibilità (S) climatica

  • Sensibilità climatica e feedback climatica: definizioni e derivazione matematica

  • Calcoli di F e S dovuti a: variazione di S0 dell'1%; variazione dell'1% nell'albedo planetaria; variazioni dell'1% del parametro serra; feedback di Stefan Boltzmann; feedback del vapore acqueo; feedback delle nubi; modello climatico del bilancio energetico (modello Budyko-Sellers)

  • Feedback biogeochimico: modello Daisy-world; modello Budiko-Sellers

Circolazione a larga scala nell'oceano

  • Caratteristiche fisiche e chimiche dell'oceano

  • Lo strato rimescolato

  • Circolazione forzata dal vento

  • Termoalina profonda regolata dalla densità

  • Circolazione termoalina profonda regolata dalla densità

  • Equazioni shallow water

  • Diversi tipi di griglia nei modelli di clima

Interazioni atmosfera-oceano

  • Accoppiamento delle componenti fisiche del modello

  • Condizioni termiche al contorno

  • Condizioni idrologiche al contorno

  • Flussi di momento

  • Condizioni rimescolate al contorno

  • Modelli accoppiati

  • Equilibri multipli nel sistema clima

  • Cambiamenti climatici repentini registrati nelle carote di ghiaccio polari

Paleoclima (alcuni aspetti analizzati nel modulo 1)

  • Evoluzione del clima ed analisi delle diverse ere in termini di feedback

  • Datazione radioattiva delle rocce e dati proxy

  • Questioni aperte

  • Utilizzo di dati paleoclimatici

Statistica nel clima

  • Review di concetti di probabilità di base

  • Assiomi di probabilità

  • Indipendenza

  • Persistenza

  • Distribuzioni empiriche e analisi esplorativa dei dati

  • Teorema di Bayes e inferenza nel clima

  • Indicatori di posizione, dispersione e simmetria

  • Correlazione di Pearson

  • Correlazione dei ranghi di Spearman

  • Distribuzioni parametriche di probabilità

  • Distribuzioni discrete

  • Distribuzioni continue

  • Fitting di un parametro usando il criterio di massima verosimiglianza (funzione di verosimiglianza, metodo Newtorn-Raphson, stima della distribuzione campione e della massima verosimiglianza)

  • Simulazioni statistiche (generatori di numeri casuali uniformi, generazione di numeri casuali non uniformi per inversione, generazione di numeri casuali non uniformi per rigetto, metodo Box-Muller per la generazione di numeri casuali Gaussiani)

  • Test di ipotesi

  • Elementi di previsione statistica

Testi/Bibliografia

Dennis L. Hartmann: Global Physical Climatology ; Academic Press

Peixoto and Oort: Physics of Climate; American Institute of Physics; 1st edition (February 1, 1992)

Wilks: Statistical Methods in the Atmospheric Sciences, 3rd Edition (2011)

Metodi didattici

Lezioni frontali

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame finale è volto a verificare la comprensione di tutti gli aspetti fenomenologici, matematici/statistici degli argomenti trattati nei due moduli.

L'esame finale consiste in un esame orale durante il quale vengono poste allo studente tre domande su argomenti scelti tra i due moduli.

In una delle tre domande lo studente può scegliere un argomento.

Strumenti a supporto della didattica

PC e proiettore

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Michele Brunetti

Consulta il sito web di Erika Brattich