Validation of an intermediate-complexity flood risk model for climate change adaptation

In questo lavoro di tesi viene presentato e validato un modello di rischio di alluvione a complessità intermedia per scenari climatici futuri. Questo modello appartiene a quella categoria di strumenti che mirano a soddisfare le esigenze identificate dal World Climate Research Program (WRCP) per affrontare gli effetti del cambiamento climatico. L'obiettivo perseguito è quello di sviluppare, seguendo un approccio ``bottom-up" al rischio climatico regionale, strumenti che possano aiutare i decisori a realizzare l'adattamento ai cambiamenti climatici. Il modello qui presentato è interamente basato su dati open-source forniti dai servizi Copernicus. Il contributo di questo lavoro di tesi riguarda lo sviluppo di un modello, formulato da (Ruggieri et al.), per stimare i danni di eventi alluvionali fluviali per specifici i livelli di riscaldamento globale (GWL). Il modello è stato testato su tre bacini idrografici di medie dimensioni in Emilia-Romagna, Panaro, Reno e Secchia. In questo lavoro, il modello viene sottoposto a test di sensibilità rispetto a un'ipotesi enunciata nella formulazione del modello, poi vengono effettuate analisi relative all'ensemble multi-modello utilizzato per le proiezioni. Il modello viene quindi validato, confrontando i danni stimati nel clima attuale per i tre fiumi con i danni osservati e confrontando le portate simulate con quelle osservate. Infine, vengono stimati i danni associati agli eventi alluvionali in tre scenari climatici futuri caratterizzati da GWL di 1.5° C, 2.0° C e 3.0°C.

Characterization of ENSO changes under idealised radiative forcing in an intermediate complexity general circulation model

Intermediate-complexity general circulation models are a fundamental tool to investigate the role of internal and external variability within the general circulation of the atmosphere and ocean. The model used in this thesis is an intermediate complexity atmospheric general circulation model (SPEEDY) coupled to a state-of-the-art modelling framework for the ocean (NEMO). We assess to which extent the model allows a realistic simulation of the most prominent natural mode of variability at interannual time scales: El-Niño Southern Oscillation (ENSO). To a good approximation, the model represents the ENSO-induced Sea Surface Temperature (SST) pattern in the equatorial Pacific, despite a cold tongue-like bias. The model underestimates (overestimates) the typical ENSO spatial variability during the winter (summer) seasons. The mid-latitude response to ENSO reveals that the typical poleward stationary Rossby wave train is reasonably well represented. The spectral decomposition of ENSO features a spectrum that lacks periodicity at high frequencies and is overly periodic at interannual timescales. We then implemented an idealised transient mean state change in the SPEEDY model. A warmer climate is simulated by an alteration of the parametrized radiative fluxes that corresponds to doubled carbon dioxide absorptivity. Results indicate that the globally averaged surface air temperature increases of 0.76 K. Regionally, the induced signal on the SST field features a significant warming over the central-western Pacific and an El-Niño-like warming in the subtropics. In general, the model features a weakening of the tropical Walker circulation and a poleward expansion of the local Hadley cell. This response is also detected in a poleward rearrangement of the tropical convective rainfall pattern. The model setting that has been here implemented provides a valid theoretical support for future studies on climate sensitivity and forced modes of variability under mean state changes.

Data analysis and hydrological modelling of rainfall and discharge extremes along the Tione River: implications for the design of water structures

There are many natural events that can negatively affect the urban ecosystem, but weather-climate variations are certainly among the most significant. The history of settlements has been characterized by extreme events like earthquakes and floods, which repeat themselves at different times, causing extensive damage to the built heritage on a structural and urban scale. Changes in climate also alter various climatic subsystems, changing rainfall regimes and hydrological cycles, increasing the frequency and intensity of extreme precipitation events (heavy rainfall).  From an hydrological risk perspective, it is crucial to understand future events that could occur and their magnitude in order to design safer infrastructures. Unfortunately, it is not easy to understand future scenarios as the complexity of climate is enormous.  For this thesis, precipitation and discharge extremes were primarily used as data sources. It is important to underline that the two data sets are not separated: changes in rainfall regime, due to climate change, could significantly affect overflows into receiving water bodies. It is imperative that we understand and model climate change effects on water structures to support the development of adaptation strategies.   The main purpose of this thesis is to search for suitable water structures for a road located along the Tione River. Therefore, through the analysis of the area from a hydrological point of view, we aim to guarantee the safety of the infrastructure over time.   The observations made have the purpose to underline how models such as a stochastic one can improve the quality of an analysis for design purposes, and influence choices.

Role of the stratospheric dynamics in the southern hemisphere long-term climate change

Il raffreddamento stratosferico associato alla riduzione dell’ozono nelle regioni polari induce un rafforzamento dei venti occidentali nella bassa stratosfera, uno spostamento verso il polo e un’intensificazione del jet troposferico delle medie latitudini. Si riscontra una proiezione di questi cambiamenti a lungo termine sulla polarità ad alto indice di un modo di variabilità climatica, il Southern Annular Mode, alla superficie, dove i venti occidentali alle medie latitudini guidano la Corrente Circumpolare Antartica influenzando la circolazione oceanica meridionale e probabilmente l’estensione del ghiaccio marino ed i flussi di carbonio aria-mare nell’Oceano Meridionale. Una limitata rappresentazione dei processi stratosferici nei modelli climatici per la simulazione del passato e la previsione dei cambiamenti climatici futuri, sembrerebbe portare ad un errore nella rappresentazione dei cambiamenti troposferici a lungo termine nelle rispettive simulazioni. In questa tesi viene condotta un’analisi multi-model mettendo insieme i dati di output derivati da diverse simulazioni di modelli climatici accoppiati oceano-atmosfera, che partecipano al progetto CMIP5, con l'obiettivo di comprendere come le diverse rappresentazioni della dinamica stratosferica possano portare ad una differente rappresentazione dei cambiamenti climatici alla superficie. Vengono utilizzati modelli “High Top” (HT), che hanno una buona rappresentazione della dinamica stratosferica, e modelli “Low Top” (LT), che invece non ne hanno. I risultati vengono confrontati con le reanalisi meteorologiche globali disponibili (ERA-40). Viene mostrato come la rappresentazione e l’intensità del raffreddamento radiativo iniziale e di quello dinamico nella bassa stratosfera, nei modelli, siano i fattori chiave che controllano la successiva risposta troposferica, e come il raffreddamento stesso dipenda dalla rappresentazione della dinamica stratosferica. Si cerca inoltre di differenziare i modelli in base alla loro rappresentazione del raffreddamento radiativo e dinamico nella bassa stratosfera e alla risposta del jet troposferico. Nei modelli, si riscontra che il trend del jet nell'intera troposfera è significativamente correlato linearmente al raffreddamento stesso della bassa stratosfera.