Clima più estremo? I — Temperature

Parto con quanto già scritto nel primo post introduttivo della serie dedicata agli eventi estremi.

Ogniqualvolta si dice che il GW aumenta gli "estremi", occorrerebbe distinguere tra i diversi aspetti del problema:

1) aumento della frequenza delle temperature estreme più calde che deriva da un aumento della media della distribuzione della temperatura senza cambiamento nella forma della distribuzione o nelle correlazioni temporali;

2) aumento delle precipitazioni estreme che risulta da un aumento dell'umidità atmosferica, questo a sua volta derivante dall'aumento della saturazione della pressione di vapore in conseguenza del riscaldamento e senza cambiamenti nei venti che convergono umidità nella regione di interesse durante questi episodi di precipitazione estrema;

3) cambiamenti nella frequenza delle tempeste o nelle anomalie climatiche a bassa frequenza, come la siccità, derivanti da variazioni nella circolazione atmosferica o oceanica su larga scala;

4) cambiamenti nell'intensità delle tempeste.

Oggi approfondirò il primo: l'aumento della frequenza delle temperature estreme più calde, con associata maggior frequenza/intensità/durata delle ondate di calore. Evento, oggi e a differenza di altri, con una fiducia scientifica negli studi di attribuzione fra le più alte (vedi tabella sotto).

fonte

Come viene suggerito in questo studio, attribuire un evento estremo unicamente al GW indotto dall'uomo oppure soltanto alla variabilità naturale interna al sistema climatico è una scelta che può essere fuorviante giacché entrambi sono invariabilmente in gioco. Più utile è considerare il regime estremo di circolazione atmosferica o l'evento in sé come in gran parte non influenzato dai cambiamenti climatici e chiedersi se i cambiamenti conosciuti nello stato termodinamico del sistema climatico abbiano influenzato l'impatto del particolare evento (vedi per es. qui).

Sarebbe bello se, nelle proiezioni climatiche, fosse possibile suddividere - in modo facile e più comune - il modo in cui le temperature estreme rispondono al cambiamento climatico in una categoria nella quale questa risposta sia indotta solo dall'aumento della media e in un'altra nella quale sia causata da tutto il resto (per es. gli effetti amplificanti di natura idro-dinamica). Sarebbe più semplice per poter riuscire a vedere quanto ci sia di robusto, mediante i modelli, nella categoria "tutto il resto".  E sottolineerebbe anche l'importanza della comparazione fra la forma delle code delle distribuzioni nelle simulazioni e nelle osservazioni. Naturalmente, da questo punto di vista e come si vede nelle figure, ogni asserzione circa l'aumento degli estremi caldi è bilanciata da un'altra circa la diminuzione degli estremi freddi.

L'assunzione che non ci sia un cambiamento nella distribuzione delle temperature attorno alla media (distribuzione normale o di Gauss) e nelle correlazioni nel tempo sembra senz'altro un punto di partenza adeguatamente prudente. Ma se si osserva meglio la distribuzione, si può anche scoprire che gli effetti sulla frequenza dei giorni con una temperatura elevata al di sopra di un valore fisso, o delle ricorrenze consecutive di giorni molto caldi (quel che viene definito come un'ondata di calore), possono essere sorprendentemente grandi.

Assumendo una distribuzione normale, o giocando con la forma delle code della distribuzione, si riesce a capire meglio che cosa può succedere.
Spesso si leggono asserzioni come quelle che dicono che "non occorre preoccuparsi di un cambiamento della media delle temperature, bensì dei soli estremi", come se le due cose non fossero strettamente correlate. Lo sono eccome, invece! Come ben si vede dai grafici nelle figure (sia sopra che sotto).
L'incertezza nella risposta della temperatura si traduce direttamente in incertezza nei cambiamenti nelle temperature estreme in questo limite di distribuzione fissa.

Supponiamo di considerare i giorni che superano una temperatura fissa T che si trova sulla coda della distribuzione delle temperature giornaliere. Se la temperatura media si riscalda di δT, mantenendo fissa la distribuzione attorno alla media, questo numero potrebbe aumentare drasticamente (vedi immagine qui sopra), a seconda della forma della distribuzione. E questo anche se il valore δT è molto più piccolo della larghezza della distribuzione.
In questo caso, il contributo del riscaldamento medio costituisce una piccola frazione dell'anomalia di temperatura in questi eventi estremi caldi sebbene la loro probabilità sia aumentata molto (vedi per es. qui).
Ridefinire il criterio per un giorno molto caldo aumentandolo a partire dalla modesta quantità δT, significa passare da una descrizione di ciò che sta succedendo equivalente ad una situazione in cui "il numero di giorni molto caldi aumenta drammaticamente" ad un'altra nella quale "il numero di giorni molto caldi non cambia ma questi giorni sono in media δT più caldi":

 Pnuova (T) >> Pvecchia (T) = Pnuova (T + δT)

Due descrizioni della stessa situazione fisica che possono anche provocare reazioni diverse. Tuttavia,  per decidere quale dovrebbe essere il nostro livello di preoccupazione, l'obiettivo è quello di relazionare questi cambiamenti a ciò che maggiormente ci interessa, ovvero gli impatti e le ripercussioni che questi eventi sono in grado di provocare.

Per es. in uno studio di Erich Fischer e Reto Knutti dello IACETH e pubblicato su Nature Climate Change un paio di anni fa (e ampiamente discusso nell'ambito di questa summer school), veniva evidenziato il fatto che oggi, rispetto al periodo pre-industriale, i giorni di caldo estremo siano quasi quintuplicati (con una frequenza da due a quattro volte più alta nella sola Europa). Tre quarti delle giornate odierne di canicola sono già oggi imputabili al GW antropogenico. La frequenza di questi eventi è attesa aumentare in modo non lineare e non cresce in modo direttamente proporzionale all'incremento termico: in un clima con un ulteriore grado scarso di temperatura media globale in più questi eventi non raddoppierebbero rispetto ad oggi bensì triplicherebbero: con 2 °C di temperatura media globale in più rispetto al periodo pre-industriale, infatti, questo numero si stima aumenti di un fattore 27 rispetto al passato e di un fattore 6 rispetto al presente, portando la frequenza attesa di questi giorni estremi da uno ogni 7-8 mesi (oggi) a uno al mese. Infine, in un clima con 3 °C di temperatura media globale in più rispetto al periodo pre-industriale, questo numero si stima aumenti addirittura di un fattore 62 rispetto al passato e di un fattore 14 rispetto al presente, portando la frequenza attesa di questi giorni estremi fino ad uno ogni 2 settimane! (vedi immagine sotto). Come tirare dei dadi truccati, nei quali ad es. il 6 è riportato due rispettivamente quattro volte sulle sei facce.

Questo ci conduce ad un'ulteriore questione: se invece ci fosse cambiamento nella distribuzione delle temperature attorno alla media?
In effetti, sembrerebbe meno adeguatamente prudente ma più vicino alla realtà uno spostamento non solo dell'intera distribuzione ma anche della forma con cui le temperature si distribuiscono attorno alla media (vedi immagine qui sotto).

Esistono, invero, ancora relativamente poche serie di dati da osservazioni sufficientemente lunghe da poter supportare questa ipotesi abbastanza plausibile. E questo, fra l'altro, è uno dei limiti di una robusta detenzione degli eventi estremi, per ora (vedi la tabella sopra, colonna "quality / lenght of the observational record" ma vedi anche questo lavoro dell'IPCC uscito prima dell'AR5).  Tuttavia, proprio per gli eventi estremi di natura termica questo limite è meno importante e alcune importanti serie di dati sono già in grado di dirci qualcosa, a tal riguardo.

Per es. in questo lavoro che ha già una decina di anni alle spalle, venivano analizzati statisticamente gli eventi di calore estremo durante le estati dell'Europa occidentale fra il 1880 e il 2005. I grafici qui sotto mostrano come sono cambiate nel corso del tempo le pdf medie di diverse stazioni per l'intera Europa occidentale (A, somma di B+C+D) e per tre regioni del comprensorio analizzato: la parte più centrale del territorio comprese le Alpi (B), la penisola iberica (C) e la Scandinavia (D).
La tabella sotto mostra i trend nelle regioni suddette delle temperature massime giornaliere (prima colonna, in °C), della varianza (seconda colonna, in %) e dell'asimmetria (terza colonna, in %).

Quello che si può notare è che nella intera area campione (A), c'è stato un aumento nelle temperature massime giornaliere e pure della varianza, soprattutto nella regione B (la parte centrale dell'area europea analizzata): la pdf è divenuta più piatta e più ampia, con le code più larghe, soprattutto nella regione B. La regione che ha conosciuto il trend più marcato (C) è anche quella con l'unica diminuzione (benché statisticamente non significativa) della varianza: qui lo shift verso destra della pdf è stato più importante ma parallelamente la curva è anche diventata leggermente meno piatta e ampia. Forse non è un caso che questa sia anche la regione con la deviazione standard mediamente più piccola nelle temperature massime giornaliere estive. In questo senso - benché sia la regione con le stazioni meno numerose - , risulta interessante il caso della Scandinavia (D), la regione con la deviazione standard mediamente più grande nelle temperature massime giornaliere estive: a fronte di un aumento nelle temperature massime giornaliere con un trend abbastanza simile a quello dell'intera area campione, questa regione mostra anche un leggero (e statisticamente non significativo) aumento nella varianza e soprattutto un notevole incremento dell'asimmetria a favore delle code calde.
Insomma: laddove il trend nelle temperature massime giornaliere è stato maggiore e in presenza di una deviazione standard solitamente più piccola, lo shift verso il caldo della pdf non si accompagna ad una sua ampiezza; laddove il trend è meno importante ma la deviazione standard solitamente è più grande, lo shift si accompagna ad una sua maggior ampiezza e soprattutto asimmetria verso il caldo; negli altri casi lo shift verso il caldo viene accompagnato da una maggior ampiezza.

Insomma, per chiudere citando ancora Erich Fischer: