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a Monte Cimone (2165 m slm) durante ondate di calore
Sommario
Il lavoro è frutto di un studio presentato in occasione di un'elaborazione di tesi di laurea. In esso si analizzano le variazioni delle concentrazioni di ozono osservate presso la stazione GAW-WMO di Monte Cimone (2165 m s.l.m., Appennini Settentrionali) in funzione delle ondate di calore rilevate presso il sito di misura nei periodi estivi dal 1996 al 2006. L'applicazione di una metodologia di selezione specificamente calibrata per stazioni d'alta quota ha permesso di identificare 9 ondate di calore nel periodo di studio. Dopo aver escluso dall'analisi i periodi influenzati da eventi di trasporto di aerosol minerale dal Nord Africa (Saharan dust transport), che possono provocare deplezioni significative delle concentrazioni di ozono in troposfera, è stato valutato che in media le concentrazioni di ozono aumentano del 16.1% rispetto ai valori stagionali. Particolare attenzione è stata rivolta allo studio dell'ondata di calore osservata nel luglio 2006 che ha provocato le più elevate concentrazioni di ozono osservate a Monte Cimone durante questo tipo di eventi. Tali risultati appaiono particolarmente significativi considerando che l'analisi dei dati di temperatura estivi registrati a partire dal 1964 evidenzia un aumento della frequenza delle anomalie positive di temperatura a partire dagli anni novanta per Monte Cimone. Questo lavoro non sarebbe stato possibile senza le osservazioni registrate presso l’Osservatorio di M. Cimone del Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare.
Introduzione
In generale con il termine ondate di calore si indicano episodi estivi di lunga durata caratterizzati da temperature particolarmente elevate. Le condizioni meteorologiche che tipicamente si associano ad un'ondata di calore sono: alte temperature, stagnazione delle masse d'aria, elevata irradianza solare, bassi livelli di umidità ed il persistere di condizioni anticicloniche di “blocco”. Tali condizioni debbono interessare un territorio esteso (come una regione o un continente) per un periodo di tempo relativamente lungo. Sebbene le definizioni presenti in letteratura si basino sull'analisi di vari indici meteorologici, il parametro maggiormente utilizzato nell'identificazione dei periodi interessati da ondate di calore è la temperatura dell'aria. In particolare, alcune definizioni si basano sul superamento di un valore di soglia dipendente dalle caratteristiche climatiche di una regione specifica [Robinson et al., 2000; Colombo et al., 2007], mentre altre adottano dei criteri puramente statistici, come il superamento di un certo intervallo di confidenza [Della Marta et al., 2007; Meehl et al., 2004]. Nella maggior parte dei casi, vengono analizzate le anomalie della temperatura massima giornaliera rispetto alla media climatologica caratteristica della regione di interesse.
Le caratteristiche meteorologiche di un'ondata di calore si possono tipicamente collegare alle anomalie della circolazione atmosferica sulla regione considerata. In particolare, sul continente europeo sembra essere importante il ruolo svolto dalla NAO (North Atlantic Oscillation), uno dei pattern atmosferici dominanti nell'emisfero settentrionale [Cassou et al., 2005]. Questo fenomeno, la cui variabilità può essere descritta attraverso la valutazione dalla differenza di pressione superficiale tra la depressione d'Islanda e l'anticiclone delle Azzorre, controlla la forza e la direzione delle correnti occidentali (westerly winds) e dei cicloni extratropicali (storm tracks) sopra l'Oceano Atlantico settentrionale ed il continente europeo. Meehl et al. (2004) e Cassou et al. (2005), d'altra parte, hanno evidenziato come anomalie positive dell'altezza di geopotenziale a 500 hPa appaiano significativamente correlate con ondate di calore favorendo fenomeni di subsidenza associati a condizioni di cielo sereno, venti lievi, avvezione di aria calda e condizioni prolungate di elevate temperature. Inoltre, alcuni recenti studi [es. Fischer et. al., 2007] hanno valutato che processi di interazione suolo-atmosfera (es. diminuzione dell'evo-traspirazione dovuta alla diminuzione delle precipitazione ed al deficit di umidità nel suolo) possano significativamente influenzare la circolazione atmosferica durante il 50-80% dei giorni caratterizzati da anomalie positive della temperatura.
Le ondate di calore possono causare numerosi problemi alla salute umana ed agli ecosistemi. Conti et al. (2004) hanno mostrato che, durante ondate di calore registrate nel Nord Italia, la popolazione dei centri urbani (in particolare quella anziana) appare significativamente esposta al rischio di mortalità. In particolare, nel corso di tali eventi il grado di disagio subito dalla popolazione dipende dall'intensità e dalla durata dell'episodio oltre che dalle condizioni climatiche tipiche del luogo, dalle condizioni di salute della popolazione nonché da fattori culturali-locali. In particolare, indici bio-meteorologici che valutano il grado di disagio della popolazione possono basarsi sull'analisi dell'umidità relativa, delle temperature massime giornaliere e minime notturne [Meehl et al., 2004; Colombo et al., 2007]. Oltre ad effetti sulla salute umana, ondate di calore possono avere ripercussioni sul ciclo dell'acqua e diminuire la resa dei raccolti agricoli, favorendo inoltre l'aumento di incendi spontanei [IPCC, 2007].
Nella bassa troposfera, gli episodi acuti di inquinamento da ozono che si registrano durante il periodo estivo sono generalmente favoriti da condizioni meteorologiche tipiche delle ondate di calore: elevato irraggiamento solare, condizioni di stagnazione delle masse d'aria ed elevate temperature superficiali [EEA, 2006]. Sul continente Europeo, recenti studi hanno messo in evidenza un aumento della frequenza e della durata delle ondate di calore, probabilmente a causa delle modificazioni climatiche indotte dall'aumento antropico della concentrazione di gas serra in troposfera [IPCC, 2007]. Per tali ragioni e tenuto conto del fatto che in troposfera l'ozono, oltre ad essere un potente inquinante, rappresenta anche un efficiente gas serra, risulta interessante valutare se e come le ondate di calore influenzano i livelli di fondo dell'ozono troposferico.
Con lo scopo di effettuare studi approfonditi inerenti i processi che possono influenzare le concentrazioni di ozono nella libera troposfera del bacino del Mediterraneo, l'Istituto di Scienze dell'Atmosfera e del Clima (ISAC) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) di Bologna esegue, a partire dal 1996, misure in continuo della concentrazione di ozono e di altri composti atmosferici a Monte Cimone (2165 m s.l.m., Appennino Tosco-Emiliano), presso la stazione “Ottavio Vittori” (Fig.1). Tale laboratorio scientifico è ospitato dalle strutture dell'Osservatorio del Servizio Meteorologico dell'Aeronautica Militare. Grazie alla sua quota, Monte Cimone si trova al di sopra dello strato limite planetario (planetary boundary layer, PBL) per gran parte dell'anno e, godendo di un libero orizzonte a 360°, le misure qui eseguite sono considerate rappresentative della libera troposfera del bacino del Mediterraneo/Europa meridionale [Bonasoni et al., 2000; Fischer et al., 2003]. Grazie anche all'elevata qualità delle misure condotte, ciò ha fatto sì che la stazione di Monte Cimone sia divenuta parte integrante del programma GAW (Global Atmospheric Watch), istituito dal WMO (World Meteorological Organization) per monitorare lo stato dell'atmosfera terrestre.
Figura 1. Immagine esterna della Stazione di Ricerca “O. Vittori” gestita dall’ISAC-CNR ed ospitata nelle strutture dell’Osservatorio del Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare a Monte Cimone (2165 m slm).
Questo lavoro presenta i risultati ottenuti nel corso di una tesi discussa nell’ambito del Corso di Laurea Specialistica in Fisica (Scelta guidata in Fisica dell’Atmosfera e Meteorologia) dell’Università di Bologna. L'attività di ricerca è stata svolta presso l’ISAC-CNR di Bologna, in collaborazione con il C.A.M.M. di Monte Cimone ed il Centro Nazionale di Meteorologia e Climatologia Aeronautica di Pratica di Mare.
In questo lavoro sarà presentato l'andamento climatologico delle temperature estive misurate a Monte Cimone nel periodo 1964-2006 dal Servizio Meteorologico dell'Aeronautica Militare (C.A.M.M. Monte Cimone). Verrà quindi descritta una metodologia atta ad individuare le ondate di calore che hanno interessato l'area di studio nelle estati 1996-2006. Ciò ha permesso di effettuare una valutazione preliminare circa l'influenza che questi episodi hanno avuto sui livelli dell'ozono troposferico registrati presso il sito di misura.
Analisi climatologica dei valori estivi della temperatura a Monte Cimone
Al fine di valutare la possibile variazione delle temperature estive registrate a Monte Cimone nel periodo 1964-2006, sono state calcolate le anomalie standardizzate delle medie mensili dei valori di temperatura dell'aria osservati dal Servizio Meteorologico dell'Aeronautica Militare – C.A.M.M. Monte Cimone (Fig. 2). Sono state così individuate 27 anomalie positive (1.0/anno) nel periodo 1964-1990, mentre dal 1991 al 2006 le anomalie positive sono state 34 (2.3/anno). Da tale analisi, appare evidente un aumento significativo della frequenza delle anomalie positive di temperatura a partire dagli anni novanta che, nell'ultima parte del periodo considerato, hanno mostrato incrementi significativi anche nei valori assoluti.
Figura 2: Anomalie standardizzate della media mensile della temperatura massima giornaliera per i mesi estivi a Monte Cimone nel periodo 1964-2006 (dati Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare).
Figura 3: Anomalie standardizzate della media mensile della temperatura massima giornaliera per i mesi estivi a Monte Cimone nel periodo 1997-2006. Le frecce indicano i mesi interessati da ondate di calore secondo la procedura di identificazione riportata nel paragrafo (dati Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare).
Considerando unicamente i periodi estivi dal 1996 al 2006, cioè da quando è iniziata in modo continuativo la misura dell'ozono superficiale a Monte Cimone da parte dell'Istituto FISBAT (ora ISAC) del CNR, sono stati individuati 25 mesi estivi caratterizzati da anomalie positive di temperatura (Fig. 3). Particolarmente significative appaiono le anomalie registrate durante l'estate 2003, superiori a 2s nei mesi di giugno ed agosto. Per le considerazioni già svolte circa il ruolo dell'ozono troposferico nel sistema climatico e nella definizione della qualità dell'aria, risulta dunque di particolare interesse valutare il ruolo che possibili ondate di calore possano aver avuto sulle concentrazioni di ozono registrate in tali periodi.
Andamento dell'ozono troposferico a Monte Cimone
I valori medi mensili della concentrazione di ozono superficiale a Monte Cimone (valore medio annuale: 55 ± 9 ppbv) mostrano un andamento stagionale ben definito e rappresentativo delle condizioni di fondo della troposfera alle medie latitudini boreali (Fig. 4). Esso è caratterizzato da un picco estivo (valore medio mensile di luglio: 66 ± 6 ppbv) ed un minimo invernale (valore medio mensile di dicembre: 43 ± 3 ppbv).
Figura 4: Valori medi mensili della concentrazione di ozono (dati ISAC-CNR) e di temperatura dell’aria (dati Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare) a Monte Cimone nel periodo 1996 - 2006.
Il massimo estivo registrato a Monte Cimone è da ricondurre alla elevata produzione fotochimica legata alle emissioni antropiche nella bassa troposfera europea [Chevalier et al., 2007]. Infatti, l'elevata radiazione solare incidente e le tipiche condizioni meteorologiche che caratterizzano tale stagione favoriscono, in presenza di elevate concentrazioni di inquinanti primari, la produzione e l'accumulo di inquinanti secondari come l'ozono. Così i pronunciati scambi convettivi tipici di questo periodo dell'anno possono trasportare in libera troposfera elevate quantità di ozono, che possono dare luogo a “strati di riserva” anche a quote elevate [Millàn, 2006]. A ciò va aggiunto il possibile contributo legato all'espansione del PBL durante il periodo estivo che, a volte, può superare i 2000 m di quota. Quando ciò accade elevate quantità di inquinanti antropici possono caratterizzare il sito di misura come pure quote normalmente considerate rappresentative della libera troposfera [Cristofanelli et al., 2007].
L'andamento annuale dell'ozono presenta inoltre un massimo secondario nel periodo primaverile (Fig. 4). La presenza di un secondo massimo primaverile è una caratteristica comune di stazioni montane situate alle medie latitudini dell'emisfero boreale [e.g. Schuepbach et al., 2001; Oltmans et al., 2006]. Esso è probabilmente imputabile a molteplici fattori. In tale periodo dell'anno, infatti, non si registra né la massima radiazione solare, che potrebbe dar luogo ad un'intensa produzione fotochimica, né la minima radiazione solare che invece garantirebbe un incremento dei tempi di vita medi delle specie fotochimiche in troposfera. Tuttavia, durante il periodo invernale, nella troposfera dell'emisfero settentrionale, si verifica l'accumulo di idrocarburi che, a causa della bassa radiazione solare incidente, portano alla produzione di ozono solamente all'arrivo della primavera e dunque possono contribuire al massimo riscontrato alle medie latitudini. In passato la causa principale del picco primaverile dell'ozono era attribuita ai processi di scambio stratosfera-troposfera, tuttavia recentemente l'importanza di tali fenomeni è stata ridimensionata [Monks et al., 2000]. Alla quota e alla latitudine tipiche di Monte Cimone, infatti, il contributo stratosferico al budget dell'ozono in troposfera sembra essere più importante in inverno piuttosto che in primavera [Cristofanelli et al., 2006]. D'altro canto, assieme ai fenomeni di trasporto su scala emisferica di ozono e di suoi precursori in troposfera, non sembrano essere trascurabili processi associati alla fotochimica in-situ [Monks et al., 2000]. L'accoppiamento fra fenomeni chimici e dinamici in troposfera rappresenta quindi un'interazione fondamentale alla determinazione del massimo primaverile di ozono.
Identificazione delle ondate di calore
Al fine di valutare la possibile relazione fra i valori di temperatura e le concentrazioni di ozono a Monte Cimone nel periodo 1996 - 2006 (Fig. 4), ne è stata studiata la correlazione esistente fra i valori medi mensili registrati (Fig. 5). Il risultato di tale analisi suggerisce l'esistenza di una significativa correlazione positiva (R = 0.71) fra valori medi mensili di ozono e temperatura. Infatti, come suggerito da Sebald et al. (2000), alle medie latitudini dell'emisfero settentrionale la variazione stagionale della radiazione solare contribuisce a generare la periodicità annuale (massimo in estate, minimo in inverno) delle temperature massime giornaliere e, attraverso processi di produzione fotochimica, delle concentrazioni di ozono.
Con lo scopo di identificare i periodi estivi influenzati da ondate di calore, alla serie storica dei dati di temperatura di Monte Cimone sono state applicate le definizioni analitiche dell'ECA&D (European Climate Assessmennt and Dataset) del KNMI (Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut - Istituto Meteorologico Reale Olandese), reperibili presso il sito web http://eca.knmi.nl/indicesextremes/index.php. Basandosi su tale definizione le ondate di calore sono state identificate come un periodo di sei (o più) giorni consecutivi durante i quali le temperature massime giornaliere hanno superato di 5° C la media climatologica su 30 anni nel periodo 1964-1994. Applicando tale metodologia ai dati registrati presso Monte Cimone, sono state individuate 7 ondate di calore che hanno interessato il sito di misura nel periodo 1996-2006 (evidenziate in giallo nella figura 5). Pur avendo applicato correttamente la definizione ECA&D, si nota che non appaiono ondate di calore durante il mese di luglio 2006. Questo, nonostante gli elevati valori di temperatura (valore medio: 13° C) e di ozono (valore medio: 82 ppbv) osservati (Fig. 5). Una dettagliata analisi ha evidenziato che, a Monte Cimone, il mese di luglio 2006 fu caratterizzato da un periodo (19-23 luglio 2006) di temperature estremamente elevate ma troppo breve (5 giorni invece di 6) per essere selezionato come ondata di calore. Per tale motivo e considerando il fatto che la metodologia di selezione possa essere adattata per siti di misura d'alta quota, la definizione ECA&D è stata modificata. Si sono quindi considerati come ondate di calore anche quegli episodi caratterizzati da 5 giorni consecutivi con anomali ed elevati valori di temperatura. Oltre all'episodio di luglio 2006, ciò ha portato all'identificazione di un ulteriore ondata di calore nel periodo 17-21 giugno 2006 (in rosso nella figura 5).
Figura 5: Analisi della correlazione fra i valori medi mensili di temperatura (asse x) e le concentrazioni di ozono (asse y) registrate a Monte Cimone nel periodo 1996-2006. In giallo sono riportati i mesi caratterizzati dalla presenza di ondate di calore come individuato dalla metodologia “ECA&D”, in rosso quelli caratterizzati dalla presenza di ondate di calore individuate dalla metodologia modificata.
Una caratterizzazione complessiva degli episodi individuati è quindi mostrata nella tabella 1 ove, per ogni evento, sono riportati i parametri statistici rilevanti che descrivono gli andamenti della temperatura.
Tabella 1: Ondate di calore individuate a Monte Cimone nei periodi estivi 1996-2006 secondo la metodologia ECA&D modificata. Sono evidenziate in grigio le ondate di calore di 5 giorni. Le ultime tre colonne a destra indicano: la media della temperatura (T), la media della temperatura massima giornaliera (Tmax), la variazione della temperatura media dell'episodio rispetto al valore medio dell'estate relativa escludendo le ondate di calore (D(T), espressa in °C ed in aumento percentuale %).
Tabella 2: Analisi delle concentrazioni di ozono a Monte Cimone durante gli episodi di ondate di calore identificati. Le colonne indicano: eventi caratterizzati dalla presenza di Saharan dust transport a Monte Cimone (*), la media della temperatura (T), la media della temperatura massima giornaliera (Tmax), la media della temperatura nell'estate senza ondate di calore (Test), la variazione della temperatura media dell'episodio rispetto al valore medio dell'estate relativa escludendo le ondate di calore (D(T), espresso in oC ed aumento percentuale %), la media del valore delle concentrazioni di ozono (O3), la media dei valori massimi giornalieri delle concentrazioni di ozono (O3 max), la media del valore delle concentrazioni di ozono nell'estate senza ondate di calore (O3 est), la variazione delle concentrazioni di ozono dell'episodio rispetto al valore medio dell'estate relativa escludendo ondate di calore (D(O3), espresso in ppbv ed aumento percentuale). Le colonne identificate dalla dicitura “finale” indicano i risultati ottenuti escludendo i periodi influenzati da Saharan dust transport .
Variazione dell'incremento di ozono in occasione di ondate di calore
Per valutare la variazione della concentrazione di ozono durante le ondate di calore individuate a Monte Cimone ed al fine di tenere conto dell'elevata variabilità interannuale che caratterizza gli andamenti dell'ozono, si sono valutate le sue deviazioni rispetto al valore medio estivo della stagione e, successivamente, le differenze percentuali (Tab. 2). Da tale analisi si evince che gli episodi individuati nell'agosto 2000 e nel giugno 2006 sono stati caratterizzati da una variazione negativa della concentrazione di ozono rispetto ai valori medi stagionali (rispettivamente -1.2% e -5.3%). A Monte Cimone, valori ridotti della concentrazione di ozono sono frequentemente associati a trasporto di masse d'aria di origine sahariana ricche di aerosol minerale. L'analisi della climatologia di questa classe di eventi ha permesso di stabilire che, quando aerosol minerale di origine desertica arriva al sito di misura, la concentrazione di ozono superficiale può essere significativamente ridotta [Bonasoni et al., 2004]. Infatti, le reazioni chimiche che coinvolgono le molecole di ozono e le particelle di aerosol, possono portare a fenomeni di decomposizione della molecola di ozono [Hanisch and Crowley, 2003]. Inoltre l'aerosol minerale interagisce con la radiazione solare UV [He e Carmichael, 1999] e con i precursori dell'ozono, comportando una minore produzione fotochimica [Zhang et al., 1994]. Avendo così a disposizione un dettagliato database con l'elenco dei casi di Saharan dust transport registrati a Monte Cimone nel periodo di studio, si è deciso di rimuovere dall'analisi i periodi influenzati da tali episodi: per le 9 ondate di calore identificate, 6 sono state interessate da Saharan dust transport. Dall'analisi delle concentrazioni di ozono, nuovamente calcolate escludendo gli episodi di Saharan dust transport, è emerso che l'episodio di ondata di calore dell'agosto 2000 ha mostrato una variazione positiva di ozono pari a +5.6 ppbv, ossia un incremento del 8.9% (a dispetto del precedente -1.2%, ottenuto comprendendo i giorni di Saharan dust transport). L'episodio del giugno 2006, invece, è risultato essere interamente interessato da un lungo evento di Saharan dust transport, così da non poterlo più considerare come rappresentativo di un’ondata di calore: per tale motivo esso è stato escluso dall'analisi. In generale, l’analisi combinata dei singoli eventi ha permesso di rilevare che, durante le ondate di calore, a Monte Cimone gli episodi di Saharan dust transport portano ad una riduzione media della concentrazione di ozono superficiale pari al 5.6%, sino a punte del 10.1%, come accaduto durante gli eventi dell'agosto 2000 e del giugno-luglio 2006.
Considerando i dati “depurati” dai periodi interessati da Saharan dust transport, è stato valutato che durante le ondate di calore individuate, ad un aumento medio di temperatura pari a 5.1oC è associato un incremento medio della concentrazione di ozono pari a 10.5 ppbv (+16.1%). Ciò significa che per ogni grado centigrado di aumento della temperatura, la concentrazione di ozono misurata a Monte Cimone è aumentata di 2.1 ppbv (con punte di 4.0 ppbv/1oC durante specifici eventi).
Considerando i singoli episodi elencati nella Tabella 2, meritano una più attenta analisi quelli del giugno-luglio-agosto 2003 e del luglio 2006. In particolare, l'episodio del luglio 2006 è stato quello più eclatante dal punto di vista termico e dell'incremento di ozono. Esso, infatti, è stato caratterizzato da un aumento della temperatura pari al 72.7% e da un corrispondente aumento dell'ozono del 44.3% (+26.9 ppbv), rispetto ai valori medi dell'estate considerata (Tab. 2). Anche l'estate 2003 è stata una stagione particolarmente anomala per le ondate di calore: si sono infatti registrati eventi in ogni mese della stagione, con innalzamenti della concentrazione di ozono considerevoli. In particolare, l’estate 2003 è divenuta tristemente famosa per i danni sulla salute umana e l'ambiente che le ondate di calore hanno provocato nell’Europa centro-meridionale [UNEP, 2004]. La situazione meteorologica e le significative anomalie di ozono che hanno caratterizzato l’estate del 2003 sono state già oggetto di approfonditi studi ed analisi (e.g. Cristofanelli et al., 2007; Colombo et al., 2007). Perciò, in questo lavoro, forniremo una sintetica descrizione dell’evento registrato a Monte Cimone nel luglio 2006.
Caso di studio: l'ondata di calore del luglio 2006
Durante il mese di luglio 2006 la presenza di un'estesa area di alta pressione sull'Europa centro-occidentale ha favorito lo sviluppo di un intensa ondata di calore [EEA, 2006]. In particolare, come evidenziato dalle analisi della temperatura e della pressione atmosferica, dal 21 al 26 luglio 2006, la presenza di un'alta pressione sull'Europa centrale e sulla Russia con un sistema di bassa pressione sull'Atlantico settentrionale e sul Mare del Nord, favorirono la presenza di elevate temperature (> 30oC) su buona parte del continente Europeo (Fig. 6). Tali condizioni hanno promosso una situazione meteorologica ideale per l sviluppo di fenomeni di accumulo di inquinanti e di produzione fotochimica di ozono sull'Europa meridionale e centro-occidentale [EEA, 2006].
Sebbene di durata inferiore rispetto all'episodio dell'agosto 2003, durante l'ondata di calore del luglio 2006 fu registrato il record di superamenti della “soglia di allerta” (240 μg/m3) delle concentrazioni orarie di ozono. Infatti, nel continente Europeo furono registrati superamenti in 82 stazioni di monitoraggio dislocate in 12 Stati. Inoltre, nel luglio 2006, su 1985 stazioni di monitoraggio europee analizzate, circa il 51 % ha riportato almeno un superamento della “soglia di informazione alla popolazione” (180 μg/m3), indicando l'elevata estensione spaziale del fenomeno (Fig. 7).
Figura 6: Analisi della temperatura e della pressione superficiale per il giorno 21 luglio 2006 (www.arl.noaa.gov).
Figura 7: Numero di superamenti della “soglia di informazione alla popolazione” (180 mg/m3) per l'ozono durante il luglio 2006 in Europa (verde: 0 - 1; giallo 1- 2; arancio: 2 - 5; rosso: 5-10; viola > 10) [EEA, 2007].
Con lo scopo di valutare la possibile influenza dell'ondata di calore sui livelli di fondo di ozono sull'Europa continentale, sono stati analizzati gli andamenti registrati presso siti rappresentativi delle condizioni di fondo della troposfera europea. A tal fine sono stati elaborati i dati delle concentrazioni di ozono disponibili presso il World Data Centre for Greenhouse Gases (WDCGG) del GAW (http://gaw.kishou.go.jp/ wdcgg/). In particolare, nel luglio 2006, presso la stazione d'alta quota dello Jungfraujoch (3580 m s.l.m.; Alpi svizzere), sono state registrate le più elevate concentrazioni medie mensili di ozono (69 ppbv) osservate nel periodo 1996 - 2006. Inoltre, presso le stazioni di fondo di Hohenpeissenberg (985 m s.l.m., Alpi tedesche) e di Monte Krvavec (1720 m s.l.m., Slovenia) sono state registrati i valori medi mensili di ozono più elevati (62 e 60 ppbv, rispettivamente) senza tener conto di quelli registrati durante l'estate 2003. Ciò suggerisce che l'episodio di inquinamento fotochimico associato all'ondata di calore del luglio 2006 ha influenzato in modo significativo i livelli di ozono in un ampio strato della troposfera Europea.
Come evidenziato dall'analisi delle anomalie di temperatura condotta su dati provenienti da 89 stazioni meteorologiche dell'Aeronautica Militare e dell'ENAV, l'evento di ondata di calore è apparso particolarmente intenso nel Nord del Paese (Fig. 7). In alcune località (Udine, Piacenza, Brescia, Verona, Vicenza, Treviso, Trieste, Pisa, Grosseto, Elba, Cagliari e Roma), le temperature massime registrate sono state le più elevate dei precedenti 56 anni [Bollettino Mensile, http://clima.meteoam.it/].
Per quanto riguarda i livelli di ozono troposferico, l'analisi dei superamenti della “soglia di informazione alla popolazione”, condotta su 139 stazioni di monitoraggio del Nord Italia, ha mostrato almeno un superamento nel 67% delle centraline di monitoraggio. La durata media di tali periodi di superamento è stata pari a 4.9 ore, mentre il valore massimo di concentrazione di ozono osservato è stato pari a 370 μg/m3. Sono stati registrati, inoltre, 60 superamenti della “soglia di allerta”, oltre la quale sono significativi i rischi sanitari per tutta la popolazione. A Monte Cimone, la media della concentrazione di ozono registrata durante l'ondata di calore è stata pari a 96.4 ppbv: oltre 29 ppbv (+45.6%) superiore rispetto al valore medio dell'intera estate 2006. Esso rappresenta la più elevata concentrazione di ozono registrata in questa stazione regionale GAW-WMO durante ondate di calore.
Figura 8: Monte Cimone, mese di luglio: distribuzione normalizzata delle frequenze dei valori di ozono durante l’ondata di calore del 2006 e del periodo 1996-2006 non influenzato da tali eventi. La linea continua rappresenta la distribuzione gaussiana avente media e deviazione standard pari alla popolazione dei dati del periodo 1996-2006.
Al fine di meglio descrivere tale episodio, è stata analizzata la distribuzione di frequenza della popolazione dei valori orari delle concentrazioni di ozono nel periodo 19-23 luglio 2006 (Fig. 8). Il confronto con i giorni non interessati da ondate di calore, ha permesso di evidenziare che l'aumento delle concentrazioni di ozono è stato determinato da uno shift della distribuzione verso valori più elevati e da un incremento della variabilità del campione, come testimoniato dall'incremento del valore medio (+ 27.2 ppbv) e della deviazione standard (+ 7.7 ppbv). In particolare, la media dei valori di ozono durante l'ondata di calore è stata superiore al 95o percentile del periodo 1996-2006 (85.8 ppbv). Osservando l'istogramma che descrive la distribuzione di frequenze delle concentrazioni di ozono per il periodo dell’ondata di calore, si nota la presenza di due differenti popolazioni, centrate attorno a 72.9 ppbv e 108.9 ppbv (valori medi delle due popolazioni). In particolare, l’esistenza del modo superiore indica chiaramente che “eventi acuti” caratterizzati dalla presenza di concentrazioni di ozono particolarmente elevate hanno interessato il sito di misura. Tuttavia, rispetto all’andamento dei dati osservati in condizioni non influenzate da ondate di calore è particolarmente interessante notare anche il significativo aumento della media del modo inferiore (+ 7.3 ppbv). Ciò indica che nel periodo esaminato anche le concentrazioni di ozono non direttamente riferibili a episodi “acuti” di inquinamento (e quindi maggiormente rappresentative delle condizioni del fondo atmosferico a scala più ampia) siano aumentate in modo significativo. Ciò viene ulteriormente confermato dalle elevate concentrazioni di ozono (valore medio: 96.2 ppbv) che furono registrate durante i periodi notturni dell’ondata di calore. Durante la notte infatti, il sito di misura è generalmente interessato da flussi catabatici che trasportano masse d’aria dagli strati superiori della troposfera. Anche se veri e propri strati di riserva caratterizzati da elevati livelli di inquinamento possono caratterizzare la libera troposfera estiva del continente Europeo, ciò suggerisce che un ampio strato della bassa troposfera del Nord Italia/Bacino del Mediterraneo possa essere stato caratterizzato da elevati livelli di inquinamento.
Conclusioni
Lo scopo di questo lavoro è stato quello di valutare la variazione delle concentrazioni di ozono superficiale durante ondate di calore osservate presso la stazione GAW-WMO di Monte Cimone. Monte Cimone (2165 m slm) è la cima più elevata dell'Appennino settentrionale, e costituisce un luogo ideale per le osservazioni delle condizioni di fondo della troposfera del bacino del Mediterraneo e dell'Europa meridionale. Sulla vetta si trova la stazione ISAC-CNR “O. Vittori”, ospitata dal Servizio Meteorologico dell'Aeronautica Militare in prossimità del proprio Osservatorio Meteorologico che dal 1946 esegue misure di temperatura ed altri parametri meteo.
Utilizzando la definizione fornita dall'ECA&D (European Climate Assessmennt and Dataset) del KNMI (Istituto Meteorologico Reale Olandese) si è definito come ondata di calore un evento caratterizzato da temperature massime giornaliere che per sei giorni consecutivi hanno superato di oltre 5°C la media della temperatura massima climatologica su un periodo di 30 anni. Tali episodi si presentano in genere durante la stagione estiva e sono caratterizzati, oltre che da persistenti ed elevate temperature dell'aria, da fenomeni anticiclonici persistenti ed elevata intensità della radiazione solare.
La variazione delle anomalie positive delle temperature estive per i mesi di giugno, luglio ed agosto registrate a Monte Cimone dal 1964 al 2006 (dati del Servizio Meteorologico dell'Aeronautica Militare – C.A.M.M. Monte Cimone), hanno mostrato che a partire dalla fine degli anni novanta dell’ultimo secolo queste siano aumentate di frequenza ed intensità. Da un'analisi inerente la variazione di queste anomalie si sono individuate le ondate di calore che hanno interessato la stazione di misura. Applicando la definizione di ondata di calore sopra riportata, sono stati individuati 7 episodi a partire dall'anno 1996 (quando iniziarono le misure di ozono a Monte Cimone) sino al 2006. Tuttavia, poiché l'applicazione del criterio ECA&D non è risultato in grado di identificare come ondata di calore un evento particolarmente significativo registrato a Monte Cimone nel luglio 2006, la metodologia è stata debitamente modificata. Considerando quindi la particolarità di misure eseguite in stazioni di alta montagna, si è deciso di considerare ondate di calore anche gli episodi caratterizzati da una durata temporale di soli 5 giorni. Tale modifica ha permesso di includere, tra i periodi individuati come ondate di calore a Monte Cimone, due episodi in precedenza non individuati (tra i quali quello di luglio 2006). Inoltre, al fine di effettuare le indagini su un data-set omogeneo, si è ritenuto opportuno eliminare dall'analisi i giorni caratterizzati da eventi naturali di trasporto, come ad esempio Saharan dust transport, che possono significativamente modificare le concentrazioni di ozono [Bonasoni et al., 2004; Uman et al., 2005].
Considerazioni sulla durata e l'intensità delle ondate di calore individuate hanno portato ad investigare la situazione verificatasi durante il mese di luglio 2006 quando un'intensa ondata di calore fece registrare, in alcune località dell'Italia settentrionale, le temperature medie mensili più elevate degli ultimi 56 anni. Tale situazione è stata evidenziata anche a Monte Cimone ove sono stati osservati aumenti significativi della temperatura e delle concentrazioni di ozono (rispettivamente, +72.7% e +45.6% rispetto ai valori medi dell'estate 2006).
Dall'analisi complessiva delle variazioni di ozono registrate a Monte Cimone durante le ondate di calore si evince che ad un aumento medio di temperatura dell'aria pari a 5.1°C, corrisponde un incremento della concentrazione di ozono di 10.8 ppbv (+16.1% rispetto ai valori medi stagionali). Pur considerando le specificità di ciascun evento, ciò significa che a Monte Cimone, durante le ondate di calore identificate, per ogni grado di aumento della temperatura l'ozono aumenta di circa 2.0 ppbv. Tale risultato fornisce una conferma della correlazione positiva esistente tra le ondate di calore e le elevate concentrazioni di ozono registrate presso la stazione di Monte Cimone.
In uno scenario climatico che registra negli ultimi decenni un aumento dell'intensità e della frequenza delle ondate di calore [Meehl et al., 2004; IPCC, 2007] e ne prevede un'ulteriore crescita in futuro [Beniston et al., 2004], ci si aspetta che le concentrazioni di ozono troposferico possano essere significativamente influenzate da tali eventi, anche a causa di effetti di feedback positivo [Fischer et al., 2007; Stott et al., 2004]. Benché rimanga difficoltoso valutare con esattezza gli impatti negativi che può avere l'aumento delle concentrazioni di ozono in troposfera, sia come ossidante che come potente gas serra, è interesse della comunità scientifica (ma non solo) cercare di prevedere e di intervenire affinché tali fenomeni di inquinamento possano essere ridotti o mitigati in un prossimo futuro.
Ringraziamenti
Si ringrazia il Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare per aver fornito la serie storica di dati osservativi dell’Osservatorio di M. Cimone
Puoi scaricare in PDF cliccando sul link e salvandolo sul computer Edited by vayiolet.ta - 23/5/2013, 11:18
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