Gli effetti meteorologici del cambiamento climatico influenzeranno la prossima fase della vita urbana. Dobbiamo solo sapere come e quando.

Nel 2017, il tempo calamitoso sembrava sempre presente. Tre uragani hanno portato pioggia da record, intense inondazioni e danni estesi al Texas, Florida, Porto Rico e Isole Vergini americane. Le inondazioni della California hanno portato alla crisi della diga di Oroville, dove gli sfioratori principali e di emergenza si sono erosi e hanno portato a estese evacuazioni. Le forti piogge hanno portato a un'inondazione mortale che ha squarciato un canyon vicino a Payson, Arizona, uccidere 10.

Tempo estremo, comprese forti piogge, siccità e calore eccessivo, ora minaccia i centri urbani su una scala senza precedenti. Ecco perché Giuseppe Mascaro, un assistente professore di ingegneria civile presso l'Arizona State University, ha cercato di caratterizzare le precipitazioni giornaliere nell'area metropolitana di Phoenix e in tutta l'Arizona centrale utilizzando modelli statistici. I suoi risultati sono pubblicati nel Giornale di idrologia .

"Perché vogliamo caratterizzare gli estremi?" chiese Mascaro, un membro di facoltà presso la School of Sustainable Engineering and the Built Environment, una delle sei scuole della Ira A. Fulton Schools of Engineering. "Il recente verificarsi di disastri naturali innescati da forti piogge e la percezione che ciò stia accadendo più frequentemente del solito richiedono lo svolgimento di questo tipo di analisi quantitativa per comprendere la situazione attuale, confrontalo con il passato e prova a modellare il futuro".

I modelli statistici di precipitazioni estreme sono fondamentali per supportare l'acqua, studi di ingegneria e clima. I modelli di Mascaro informeranno gli sforzi nella previsione delle inondazioni, gestione delle acque e progettazione delle infrastrutture urbane. Inoltre, I modelli di Mascaro valuteranno la capacità degli attuali modelli climatici di prevedere in modo affidabile scenari di precipitazioni intense.

La metodologia riduce l'incertezza

Gli estremi sono rari per definizione. Una tempesta di 100 anni si verifica teoricamente una volta ogni 100 anni. Ciò rende difficile l'osservazione di eventi meteorologici estremi, soprattutto negli Stati Uniti sud-occidentali, dove le registrazioni delle osservazioni delle precipitazioni possono essere più scarse e più brevi rispetto alla parte orientale del paese.

Ad esempio, la National Oceanic and Atmospheric Administration ha creato Atlas 14, un atlante delle precipitazioni che caratterizza la frequenza e l'intensità delle precipitazioni negli Stati Uniti sud-occidentali. In Arizona, l'atlante si basa sui dati di una rete di appena 270 pluviometri in tutto lo stato.

Gli ingegneri civili si affidano a modelli statistici per progettare infrastrutture e sistemi di acque piovane per i centri urbani, ipotizzando che la variabilità climatica osservata in passato rimarrà la stessa in futuro. Però, argomenti teorici suggeriscono che un clima più caldo può portare a un aumento della frequenza e dell'entità di eventi meteorologici estremi, il che implica che l'infrastruttura esistente potrebbe non essere in grado di mitigare gli effetti di forti piogge e inondazioni.

"Lo svantaggio di record sparsi e più brevi per le analisi statistiche è che le distribuzioni di probabilità non sono abbastanza robuste, " disse Mascaro, che è anche ingegnere di ricerca presso il Julie Ann Wrigley Global Institute of Sustainability dell'ASU e assistente professore presso l'Urban Climate Research Center. "C'è incertezza. Voglio ridurre l'incertezza nella stima degli estremi in modo da poter pianificare meglio il futuro".

Per caratterizzare gli estremi delle precipitazioni giornaliere nell'area metropolitana di Phoenix e nell'Arizona centrale, Mascaro ha utilizzato un set di dati non sfruttato dal distretto di controllo delle inondazioni della contea di Maricopa. La rete include i record di 310 pluviometri, di cui 240 hanno più di 15 anni di dati.

Mascaro ha analizzato questo "tesoro" di dati utilizzando un approccio statistico alternativo chiamato analisi picco-soglia, che espande la quantità di dati utilizzati per caratterizzare gli eventi estremi.

"Le persone nel mio campo dicono, 'OK, questo metodo non è nuovo, '", ha detto Mascaro. "Ma poi ho applicato i recenti progressi metodologici che sono stati sviluppati utilizzando i record globali di pioggia a lungo termine per aiutare a correggere gli errori nell'analisi della frequenza di set di dati più brevi. Ciò migliora la robustezza limitando l'effetto di campioni di piccole dimensioni".

Risultati empirici utili per prevedere il futuro

Mascaro ha condotto analisi di forti piogge nell'area metropolitana di Phoenix e nell'Arizona centrale, annualmente e stagionalmente. Per l'analisi stagionale, Mascaro rappresentava il monsone estivo dell'Arizona segnato da luglio a settembre e la stagione invernale segnata da novembre a marzo. Ha stimato i parametri di una distribuzione statistica, chiamata distribuzione di Pareto generalizzata, riprodurre la frequenza delle precipitazioni estreme giornaliere.

Attraverso questa analisi, Mascaro ha scoperto che il comportamento statistico delle precipitazioni estreme in estate è diverso da quello invernale. In estate, i temporali sono molto localizzati e brevi, mentre sono generalmente più lunghi e diffusi in inverno a causa dei fronti freddi provenienti dall'Oceano Pacifico.

Mascaro ha anche scoperto che l'intensità delle precipitazioni giornaliere invernali estreme aumenta con l'elevazione. Però, non ci sono modelli organizzati di precipitazioni estreme basati sulla latitudine, longitudine o elevazione per gli estremi estivi. Questo tipo di informazioni aiuta a perfezionare i modelli statistici che stimano la frequenza delle precipitazioni a Phoenix e nell'Arizona centrale.

I risultati del lavoro di Mascaro sugli estremi giornalieri delle precipitazioni informano la progettazione delle infrastrutture civili e forniscono strumenti per valutare la capacità dei modelli climatici di prevedere eventi estremi. Queste metodologie sono ampiamente applicabili ad altre regioni, comprese le aree urbane dove i record delle precipitazioni stanno diventando sempre più disponibili a causa della crescente rete di pluviometri.

I modelli di previsione delle precipitazioni di Mascaro saranno una componente vitale per promuovere la resilienza urbana e la sostenibilità dell'acqua poiché i centri urbani affrontano sfide meteorologiche senza precedenti con un clima di riscaldamento.

Oltre a informare le scienze del clima, I risultati di Mascaro avranno impatti di vasta portata per le reti di ricerca attualmente attive presso l'ASU, come l'Urban Resilience to Extremes Sustainability Research Network e il Decision Center for a Desert City.

UREx SRN promuove il passaggio dalle aree urbane contemporanee alle città del futuro. Queste città avranno flessibilità, adattabile, un'infrastruttura socialmente equa ed ecologica che rimanga resiliente anche attraverso un aumento del verificarsi di eventi meteorologici estremi. I ricercatori di UREx SRN analizzano gli estremi nelle aree urbane per capire come aggiornare gli standard di progettazione per l'infrastruttura del futuro. La ricerca di Mascaro può aiutare ad analizzare l'incertezza degli attuali modelli statistici utilizzati per progettare e gestire le infrastrutture.

Un cambiamento nei modelli di pioggia, compresi gli estremi, avrà anche un impatto sulle risorse idriche della regione. Così, DCDC può utilizzare i modelli di pioggia di Mascaro per aiutare a far progredire la conoscenza del processo decisionale con incertezza nel contesto della sostenibilità dell'acqua e dell'adattamento al cambiamento climatico urbano.

"Se ci fidiamo della capacità dei modelli climatici di riprodurre modelli meteorologici su larga scala che causano precipitazioni estreme, possiamo quantificare come la frequenza di questi modelli cambierà nei futuri scenari di emissione di gas serra, "Possiamo combinare queste informazioni con le analisi statistiche sugli estremi delle precipitazioni osservate dai misuratori per ottenere una previsione più realistica della futura distribuzione delle precipitazioni su scala locale", ha detto Mascaro.