Il Mediterraneo è considerato un’area a rischio a seguito dei cambiamenti climatici specialmente per quanto riguarda la disponibilità di risorse idriche e l’intensificazione degli eventi estremi, come dimostrato da numerosi studi basati su modelli climatici globali e regionali (Giorgi, 2006; IPCC, 2007 e Cudennec et al., 2007). In questo lavoro sono stati valutati gli effetti dei cambiamenti climatici sulla risposta idrologica di un bacino del Mediterraneo di medie dimensioni, affetto da una scarsa disponibilità di dati, attraverso l’utilizzo di tecniche di downscaling e simulazioni idrologiche distribuite. Il bacino considerato è il Rio Mannu di San Sperate, localizzato in un’area agricola della Sardegna meridionale. Esso rientra tra i sette casi di studio del progetto di ricerca FP7 CLIMB (CLimate Induced Changes on the hydrology of Mediterranean Basins, Ludwig et al., 2010), all’interno del quale è stato sviluppato questo lavoro. Il Rio Mannu, che drena un’area di 472.5 km2, ha sofferto diversi periodi di siccità negli ultimi decenni del secolo scorso con rilevanti perdite nel settore agricolo e turistico e può, pertanto, essere ritenuto un interessante caso di studio nell'area mediterranea. Per simulare la complessa risposta idrologica di questo bacino, è stato utilizzato il modello distribuito TIN-based Real-time Integrated Basin Simulator, tRIBS (Ivanov et al. 2004a, b). Come spesso accade anche in altri bacini, l'applicazione di modelli idrologici che simulano fisicamente i processi, come il tRIBS, è però ostacolata dalla limitata disponibilità di dati idrometeorologici. Nella fattispecie, nel bacino in esame, i dati meteorologici e di deflusso osservati sono stati raccolti in periodi di tempo non sempre coincidenti e con diverse risoluzioni temporali. Inoltre l’utilizzo degli output dei modelli climatici, tipicamente disponibili con passo temporale giornaliero e risoluzioni spaziali ampie, come forzanti di modelli idrologici distribuiti, con passi di integrazione temporale e spaziale assai più piccoli, richiedono l’adozione di procedure di downscaling per trasferire correttamente le informazione tra le diverse scale. Per affrontare queste problematiche è stata proposta una nuova metodologia basata sull'applicazione di due strategie di downscaling che hanno permesso di creare le forzanti (precipitazione ed evapotraspirazione potenziale) ad elevata risoluzione temporale (1 ora) e spaziale (qualche chilometro), necessarie per le simulazioni idrologiche. Le procedure di downscaling proposte sono state utilizzate sia nella fase di calibrazione con i dati osservati giornalieri, che in quella di simulazione con le forzanti climatiche. Per le precipitazioni, è stata usata una tecnica di downscaling statistico basata sul modello multifrattale STRAIN (Deidda et al., 1999, Deidda, 2000, Badas et al., 2006). Partendo dall’informazione sulla precipitazione prevista o osservata a scale spazio-temporali estese il modello multifrattale genera in modo stocastico diverse realizzazioni ugualmente probabili dello stesso evento a piccola scala. In questo lavoro, la tecnica di downscaling è stata calibrata con dati di precipitazione ad elevata risoluzione temporale misurati da 208 pluviometri su un dominio di 104 km x 104 km, che contiene il bacino in studio. E’ stato pertanto possibile disaggregare la pioggia misurata su un dominio di grande scala spaziotemporale di 104 km x 104 km x 24 h fino alla piccola scala di 13 km e 1 h. Per l’evapotraspirazione potenziale è stata invece elaborata una procedura che consente di ottenere stime a scala oraria partendo dalle temperature giornaliere minime e massime. A questo scopo, sono state usate le formule di Penman-Monteith (Allen et al., 1989, 2006) e di Hargreaves (Hargreaves, 1994; Hargreaves and Allen, 2003) per stimare funzioni adimensionali che rappresentano il ciclo diurno del processo mese per mese. Usando i dati disaggregati come input, il modello idrologico è stato calibrato e validato in un periodo di tre anni, durante i quali i dati di deflusso disponibili presentavano le minori incertezze. La calibrazione è stata effettuata manualmente cambiando i parametri che più condizionavano il modello tRIBS nel caso in studio. Le prestazioni sono state valutate in termini di coefficienti di Nash-Sutcliffe tra volumi di deflusso osservati e simulati. I risultati ottenuti hanno permesso di affermare che, nonostante le diverse fonti di incertezza nelle osservazioni e nella parametrizzazione del modello, l’uso delle strategie di downscaling ha consentito di ottenere delle buone prestazioni del modello nei periodi di calibrazione e validazione (Mascaro et al., 2013). Le strategie di downscaling sono state adottate anche per trasferire gli output di diversi modelli climatici regionali alla scala spazio-temporale richiesta dal modello tRIBS al fine di valutare gli impatti dei cambiamenti climatici nel ciclo idrologico del bacino in esame. In particolare, sono stati dapprima selezionati i quattro migliori modelli climatici regionali per le aree di interesse, confrontando criticamente le prestazioni dei modelli del progetto ENSEMBLES (Deidda et al., 2013). Gli output dei quattro modelli climatici selezionati sono stati quindi usati come forzanti di simulazioni idrologiche durante un periodo di riferimento (1971-2000) e un periodo futuro (2041-2070). La risposta del bacino del Rio Mannu ai cambiamenti previsti dal set di modelli climatici è stata valutata elaborando le serie temporali e le mappe spaziali fornite dal modello tRIBS. Questo ha permesso di quantificare gli impatti nella disponibilità di risorse idriche e negli eventi estremi che si potranno verificare nel bacino nel periodo futuro. Le variazioni nelle forzanti climatiche (diminuzione delle precipitazioni e aumento delle temperature) influenzano le diverse componenti della risposta idrologica del bacino mostrando anche la sua non linearità. I risultati delle simulazioni idrologiche, infatti, hanno indicato per il periodo futuro: (i) una diminuzione del deflusso medio annuo, con variazioni nel meccanismo di generazione, confermato da uno spostamento verso il basso delle curve di durata del deflusso in corrispondenza di tutte le probabilità di superamento; (ii) un abbassamento dell'evapotraspirazione reale, dovuta probabilmente alla ridotta umidità del suolo; (iii) una riduzione del livello medio della falda acquifera. In breve, è previsto che il bacino subirà maggiori ristrettezze idriche nel futuro con suolo asciutto per periodi più lunghi pur avendo quasi le stesse perdite di evaporazione del periodo di riferimento.
Valutazione dell’impatto del cambiamento climatico sulla risposta idrologica di un bacino scarsamente monitorato della Sardegna attraverso simulazioni idrologiche distribuite e downscaling idrometeorologico
PIRAS, MONICA;DEIDDA, ROBERTO;
2014-01-01
Abstract
Il Mediterraneo è considerato un’area a rischio a seguito dei cambiamenti climatici specialmente per quanto riguarda la disponibilità di risorse idriche e l’intensificazione degli eventi estremi, come dimostrato da numerosi studi basati su modelli climatici globali e regionali (Giorgi, 2006; IPCC, 2007 e Cudennec et al., 2007). In questo lavoro sono stati valutati gli effetti dei cambiamenti climatici sulla risposta idrologica di un bacino del Mediterraneo di medie dimensioni, affetto da una scarsa disponibilità di dati, attraverso l’utilizzo di tecniche di downscaling e simulazioni idrologiche distribuite. Il bacino considerato è il Rio Mannu di San Sperate, localizzato in un’area agricola della Sardegna meridionale. Esso rientra tra i sette casi di studio del progetto di ricerca FP7 CLIMB (CLimate Induced Changes on the hydrology of Mediterranean Basins, Ludwig et al., 2010), all’interno del quale è stato sviluppato questo lavoro. Il Rio Mannu, che drena un’area di 472.5 km2, ha sofferto diversi periodi di siccità negli ultimi decenni del secolo scorso con rilevanti perdite nel settore agricolo e turistico e può, pertanto, essere ritenuto un interessante caso di studio nell'area mediterranea. Per simulare la complessa risposta idrologica di questo bacino, è stato utilizzato il modello distribuito TIN-based Real-time Integrated Basin Simulator, tRIBS (Ivanov et al. 2004a, b). Come spesso accade anche in altri bacini, l'applicazione di modelli idrologici che simulano fisicamente i processi, come il tRIBS, è però ostacolata dalla limitata disponibilità di dati idrometeorologici. Nella fattispecie, nel bacino in esame, i dati meteorologici e di deflusso osservati sono stati raccolti in periodi di tempo non sempre coincidenti e con diverse risoluzioni temporali. Inoltre l’utilizzo degli output dei modelli climatici, tipicamente disponibili con passo temporale giornaliero e risoluzioni spaziali ampie, come forzanti di modelli idrologici distribuiti, con passi di integrazione temporale e spaziale assai più piccoli, richiedono l’adozione di procedure di downscaling per trasferire correttamente le informazione tra le diverse scale. Per affrontare queste problematiche è stata proposta una nuova metodologia basata sull'applicazione di due strategie di downscaling che hanno permesso di creare le forzanti (precipitazione ed evapotraspirazione potenziale) ad elevata risoluzione temporale (1 ora) e spaziale (qualche chilometro), necessarie per le simulazioni idrologiche. Le procedure di downscaling proposte sono state utilizzate sia nella fase di calibrazione con i dati osservati giornalieri, che in quella di simulazione con le forzanti climatiche. Per le precipitazioni, è stata usata una tecnica di downscaling statistico basata sul modello multifrattale STRAIN (Deidda et al., 1999, Deidda, 2000, Badas et al., 2006). Partendo dall’informazione sulla precipitazione prevista o osservata a scale spazio-temporali estese il modello multifrattale genera in modo stocastico diverse realizzazioni ugualmente probabili dello stesso evento a piccola scala. In questo lavoro, la tecnica di downscaling è stata calibrata con dati di precipitazione ad elevata risoluzione temporale misurati da 208 pluviometri su un dominio di 104 km x 104 km, che contiene il bacino in studio. E’ stato pertanto possibile disaggregare la pioggia misurata su un dominio di grande scala spaziotemporale di 104 km x 104 km x 24 h fino alla piccola scala di 13 km e 1 h. Per l’evapotraspirazione potenziale è stata invece elaborata una procedura che consente di ottenere stime a scala oraria partendo dalle temperature giornaliere minime e massime. A questo scopo, sono state usate le formule di Penman-Monteith (Allen et al., 1989, 2006) e di Hargreaves (Hargreaves, 1994; Hargreaves and Allen, 2003) per stimare funzioni adimensionali che rappresentano il ciclo diurno del processo mese per mese. Usando i dati disaggregati come input, il modello idrologico è stato calibrato e validato in un periodo di tre anni, durante i quali i dati di deflusso disponibili presentavano le minori incertezze. La calibrazione è stata effettuata manualmente cambiando i parametri che più condizionavano il modello tRIBS nel caso in studio. Le prestazioni sono state valutate in termini di coefficienti di Nash-Sutcliffe tra volumi di deflusso osservati e simulati. I risultati ottenuti hanno permesso di affermare che, nonostante le diverse fonti di incertezza nelle osservazioni e nella parametrizzazione del modello, l’uso delle strategie di downscaling ha consentito di ottenere delle buone prestazioni del modello nei periodi di calibrazione e validazione (Mascaro et al., 2013). Le strategie di downscaling sono state adottate anche per trasferire gli output di diversi modelli climatici regionali alla scala spazio-temporale richiesta dal modello tRIBS al fine di valutare gli impatti dei cambiamenti climatici nel ciclo idrologico del bacino in esame. In particolare, sono stati dapprima selezionati i quattro migliori modelli climatici regionali per le aree di interesse, confrontando criticamente le prestazioni dei modelli del progetto ENSEMBLES (Deidda et al., 2013). Gli output dei quattro modelli climatici selezionati sono stati quindi usati come forzanti di simulazioni idrologiche durante un periodo di riferimento (1971-2000) e un periodo futuro (2041-2070). La risposta del bacino del Rio Mannu ai cambiamenti previsti dal set di modelli climatici è stata valutata elaborando le serie temporali e le mappe spaziali fornite dal modello tRIBS. Questo ha permesso di quantificare gli impatti nella disponibilità di risorse idriche e negli eventi estremi che si potranno verificare nel bacino nel periodo futuro. Le variazioni nelle forzanti climatiche (diminuzione delle precipitazioni e aumento delle temperature) influenzano le diverse componenti della risposta idrologica del bacino mostrando anche la sua non linearità. I risultati delle simulazioni idrologiche, infatti, hanno indicato per il periodo futuro: (i) una diminuzione del deflusso medio annuo, con variazioni nel meccanismo di generazione, confermato da uno spostamento verso il basso delle curve di durata del deflusso in corrispondenza di tutte le probabilità di superamento; (ii) un abbassamento dell'evapotraspirazione reale, dovuta probabilmente alla ridotta umidità del suolo; (iii) una riduzione del livello medio della falda acquifera. In breve, è previsto che il bacino subirà maggiori ristrettezze idriche nel futuro con suolo asciutto per periodi più lunghi pur avendo quasi le stesse perdite di evaporazione del periodo di riferimento.
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