Dalla siccità che prosciuga i laghi in California alle inondazioni che spezzano i ponti in Cina, il clima estremo sta causando il caos. Prepararsi a condizioni meteorologiche estreme in un clima che cambia rimane una sfida, però, perché le loro cause sono complesse e la loro risposta al riscaldamento globale spesso non è ben compresa. Ora, I ricercatori di Stanford hanno sviluppato uno strumento di apprendimento automatico per identificare le condizioni per eventi di precipitazioni estreme nel Midwest, che rappresentano oltre la metà di tutti i principali disastri alluvionali degli Stati Uniti. Pubblicato in Lettere di ricerca geofisica , il loro approccio è uno dei primi esempi di utilizzo dell'intelligenza artificiale per analizzare le cause dei cambiamenti a lungo termine in eventi estremi e potrebbe aiutare a rendere più accurate le proiezioni di tali eventi.

"Sappiamo che le inondazioni stanno peggiorando, ", ha affermato l'autrice principale dello studio Frances Davenport, un dottorato di ricerca studente di scienze del sistema terrestre presso la Stanford's School of Earth, Scienze energetiche e ambientali (Stanford Earth). "Il nostro obiettivo era capire perché le precipitazioni estreme stanno aumentando, che a sua volta potrebbe portare a migliori previsioni sulle future inondazioni".

Tra gli altri impatti, si prevede che il riscaldamento globale provocherà piogge e nevicate più intense creando un'atmosfera più calda che può contenere più umidità. Gli scienziati ipotizzano che il cambiamento climatico possa influenzare le precipitazioni in altri modi, pure, come cambiare quando e dove si verificano le tempeste. Rivelare questi impatti è rimasto difficile, però, in parte perché i modelli climatici globali non hanno necessariamente la risoluzione spaziale per modellare questi eventi estremi regionali.

"Questo nuovo approccio per sfruttare le tecniche di apprendimento automatico sta aprendo nuove strade nella nostra comprensione delle cause alla base del cambiamento degli estremi, ", ha affermato il coautore dello studio Noah Diffenbaugh, il Professore della Fondazione Kara J nella Scuola della Terra, Scienze energetiche e ambientali. "Ciò potrebbe consentire alle comunità e ai decisori di prepararsi meglio per eventi ad alto impatto, come quelli che sono così estremi che cadono al di fuori della nostra esperienza storica".

Davenport e Diffenbaugh si sono concentrati sullo spartiacque del Mississippi superiore e sulla parte orientale dello spartiacque del Missouri. La regione altamente soggetta a inondazioni, che abbraccia parti di nove stati, ha visto giorni di precipitazioni estreme e gravi inondazioni diventare più frequenti negli ultimi decenni. I ricercatori hanno iniziato utilizzando i dati climatici disponibili pubblicamente per calcolare il numero di giorni di precipitazioni estreme nella regione dal 1981 al 2019. Quindi hanno addestrato un algoritmo di apprendimento automatico progettato per analizzare i dati della griglia, come immagini, identificare modelli di circolazione atmosferica su larga scala associati a precipitazioni estreme (sopra il 95° percentile).

"L'algoritmo che utilizziamo identifica correttamente oltre il 90% dei giorni di precipitazioni estreme, che è superiore alle prestazioni dei metodi statistici tradizionali che abbiamo testato, " ha detto Davenport.

L'algoritmo di apprendimento automatico addestrato ha rivelato che molteplici fattori sono responsabili del recente aumento delle precipitazioni estreme del Midwest. Durante il 21° secolo, i modelli di pressione atmosferica che portano a precipitazioni estreme nel Midwest sono diventati più frequenti, aumentando al ritmo di circa un giorno in più all'anno, anche se i ricercatori notano che i cambiamenti sono molto più deboli andando indietro nel tempo fino agli anni '80.

Però, i ricercatori hanno scoperto che quando si verificano questi modelli di pressione atmosferica, la quantità di precipitazioni che ne risulta è nettamente aumentata. Di conseguenza, i giorni con queste condizioni hanno maggiori probabilità di avere precipitazioni estreme ora rispetto al passato. Davenport e Diffenbaugh hanno anche scoperto che l'aumento dell'intensità delle precipitazioni in questi giorni era associato a flussi di umidità atmosferica più elevati dal Golfo del Messico al Midwest, portando l'acqua necessaria per le forti piogge nella regione.

I ricercatori sperano di estendere il loro approccio per esaminare come questi diversi fattori influenzeranno le precipitazioni estreme in futuro. Prevedono inoltre di ridistribuire lo strumento per concentrarsi su altre regioni e tipi di eventi estremi, e per analizzare le cause delle precipitazioni estreme distinte, come le perturbazioni o i cicloni tropicali. Queste applicazioni aiuteranno ad analizzare ulteriormente le connessioni del cambiamento climatico con condizioni meteorologiche estreme.

"Mentre inizialmente ci siamo concentrati sul Midwest, il nostro approccio può essere applicato ad altre regioni e utilizzato per comprendere i cambiamenti negli eventi estremi in modo più ampio, " ha detto Davenport. "Questo aiuterà la società a prepararsi meglio per gli impatti del cambiamento climatico".