Climate Lab – Fatti e Dati in Materia di Clima

Tra la fine del 2015 e l’inizio del 2016, poco dopo la fine della COP21 di Parigi, abbiamo messo a punto un documento pubblicato nella sua interezza (e scaricabile qui in vari formati) con il titolo “Nullius in Verba, fatti e dati in materia di clima”. L’idea è nata dall’esigenza di far chiarezza, ove possibile e nei limiti dell’attuale conoscenza e letteratura disponibili, in un settore dove l’informazione sembra si possa fare solo per proclami, quasi sempre catastrofici.

Un post però, per quanto approfondito e per quanto sempre disponibile per la lettura, soffre dei difetti di tutte le cose pubblicate nel flusso del blog, cioè, invecchia in fretta. Per tener vivo un argomento, è invece necessario aggiornarlo di continuo, espanderlo, dibatterle, ove necessario, anche cambiarlo. Così è nato Climate Lab, un insieme di pagine raggiungibile anche da un widget in home page e dal menù principale del blog. Ad ognuna di queste pagine, che potranno e dovranno crescere di volume e di numero, sarà dedicato inizialmente uno dei temi affrontati nel post originario. Il tempo poi, e la disponibilità di quanti animano la nostra piccola comunità, ci diranno dove andare.

Tutto questo, per mettere a disposizione dei lettori un punto di riferimento dove andare a cercare un chiarimento, una spiegazione o l’ultimo aggiornamento sugli argomenti salienti del mondo del clima. Qui sotto, quindi, l’elenco delle pagine di Climate Lab, buona lettura.

  • Effetti Ecosistemici
    • Ghiacciai artici e antartici
    • Ghiacciai montani
    • Mortalità da eventi termici estremi
    • Mortalità da disastri naturali
    • Livello degli oceani
    • Acidificazione degli oceani
    • Produzione di cibo
    • Global greening

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Contenuti a cura di Luigi Mariani e revisionati in base ai commenti emersi in sede di discussione e per i quali si ringraziano: Donato Barone, Uberto Crescenti, Alberto Ferrari, Gianluca Fusillo, Gianluca Alimonti, Ernesto Pedrocchi, Guido Guidi, Carlo Lombardi, Enzo Pennetta, Sergio Pinna e Franco Zavatti.

Un Mese di Meteo – Gennaio 2018

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Un Mese di Meteo – Gennaio 2018

IL MESE DI GENNAIO 2018[1]

Il mese ha presentato precipitazioni in prevalenza inferiori della norma con le rilevanti eccezioni di Piemonte, Val d’Aosta e Trentino Alto Adige. A ciò si sono associate temperature quasi ovunque in anomalia positiva da debole a moderata.

La topografia media mensile del livello di pressione di 850 hPa per l’area euro-atlantica (figura 1a) mostra come centri d’azione principali l’anticiclone delle Azzorre (lettera A) e il ciclone d’Islanda (lettera B), ambedue in posizione arretrata in Atlantico. Fra di essi corrono veloci le correnti occidentali che raggiungono l’area italiana assumendo carattere diffluente.

Figura 1a – 850 hPa – Topografia media mensile del livello di pressione di 850 hPa (in media 1.5 km di quota). Le frecce inserire danno un’idea orientativa della direzione e del verso del flusso, di cui considerano la sola componente geostrofica. Le eventuali linee rosse sono gli assi di saccature e di promontori anticiclonici.

La carta delle isoanomale (figura 1b) mostra un consistente nucleo di anomalia positiva (+8 m) centrato sull’Atlantico ad ovest della penisola iberica. Si noti anche il nucleo di lieve anomalia negativa (-1 m) sul Nord Italia associato ad un più rilevante nucleo di -5 m centrato sulla Scozia.

Figura 1b – 850 hPa – carta delle isoanomale del livello di pressione di 850 hPa.

Nel corso del mese di gennaio abbiamo assistito al passaggio sulla nostra area di un totale di 7 perturbazioni (Tabella 1).

Tabella 1 – Sintesi delle strutture circolatorie del mese a 850 hPa (il termine perturbazione sta ad indicare saccature atlantiche o depressioni mediterranee (minimi di cut-off) o ancora fasi in cui la nostra area è interessata da regimi che determinano  variabilità perturbata (es. flusso ondulato occidentale).
Giorni del mese Fenomeno
1 gennaio Tempo atlantico con rapido transito di una saccatura più attiva sul settentrione (perturbazione n. 1)
2 gennaio Un promontorio anticiclonico da sudovest si espande verso le Alpi. Al centro-sud variabilità residua.
3-5 gennaio Tempo atlantico con variabilità a tratti perturbata (perturbazione n. 2).
6-10 gennaio Grande saccatura con asse sulla penisola iberica con tempo perturbato sull’area italiana (perturbazione n. 3)
11-13 gennaio Una depressione mediterranea si scava sul Golfo ligure e si muove poi verso sudest interessando le regioni centro-meridionali (perturbazione n. 4)
14-15 gennaio Campo di pressioni livellate con tempo stabile
16 gennaio Tempo atlantico con variabilità perturbata (perturbazione n. 5).
17- 22 gennaio regime di correnti nordoccidentali con variabilità a tratti perturbata sul centro-sud. Il 21 regime favonico sul settentrione.
23-24 gennaio Promontorio anticiclonico da sudovest influenza l’area italiana con tempo stabile.
25-27 gennaio Una saccatura atlantica con asse ad ovest dell’Italia determina tempo perturbato (perturbazione n. 6)
28-30 gennaio Un promontorio dell’anticiclone della Azzorre si espande verso Est interessando la nostra area con tempo stabile.
31 gennaio Regime di correnti atlantiche sul settentrione (perturbazione n. 7)

Andamento termo-pluviometrico

Le temperature massime e minime mensili (figure 2 e 3) manifestano in prevalenza anomalie positive da deboli a moderate. Tali anomalie positive sono distribuite omogeneamente sulle tre decadi del mese (tabella 2) con l’unica eccezione delle temperature massime nella seconda decade, nella norma al sud.

Figura 2 – TX_anom – Carta dell’anomalia (scostamento rispetto alla norma espresso in °C) della temperatura media delle massime del mese

Figura 3 – TN_anom – Carta dell’anomalia (scostamento rispetto alla norma espresso in °C) della temperatura media delle minime del mese

A livello mensile le precipitazioni (figura 4) sono risultate al di sotto della norma, con anomalie negative più sensibili su Emilia Romagna, Veneto meridionale, alta Toscana, Lazio, Sardegna meridionale, Abruzzo, Molise e Sicilia. Da notare anche le anomalie positive più spiccate su Piemonte, Val d’Aosta e Trentino Alto Adige.

Figura 4 – RR_mese – Carta delle precipitazioni totali del mese (mm)

Figura 5 – RR_anom – Carta dell’anomalia (scostamento percentuale rispetto alla norma) delle precipitazioni totali del mese (es: 100% indica che le precipitazioni sono il doppio rispetto alla norma).

Le precipitazioni decadali manifestano una sensibile anomalia positiva al nord nella prima decade cui si associano sensibili anomalie negative al centro-sud nella terza decade e al nord nella seconda (tabella 2).

Tabella 2 – Analisi decadale e mensile di sintesi per macroaree – Temperature e precipitazioni al Nord, Centro e Sud Italia con valori medi e anomalie (*).

Infine la carta di anomalia termica globale prodotta dall’Università dell’Alabama – Huntsville http://nsstc.uah.edu/climate/ e che ci consente di valutare la rilevanza sinottica delle anomalie termiche registrate in Italia indica che l’anomalia positiva osservata si associa ad una più ampia cintura di anomalie positive che ha interessato il Mediterraneo centro-orientale.

Figura 6 – UAH Global anomaly – Carta globale dell’anomalia (scostamento rispetto alla norma espresso in °C) della temperatura media mensile della bassa troposfera. Dati da sensore MSU UAH [fonte Earth System Science Center dell’Università dell’Alabama in Huntsville – prof. John Christy (http://nsstc.uah.edu/climate/)

(*) LEGENDA:

Tx sta per temperatura massima (°C), tn per temperatura minima (°C) e rr per precipitazione (mm). Per anomalia si intende la differenza fra il valore del 2013 ed il valore medio del periodo 1988-2015.

Le medie e le anomalie sono riferite alle 202 stazioni della rete sinottica internazionale (GTS) e provenienti dai dataset NOAA-GSOD. Per Nord si intendono le stazioni a latitudine superiore a 44.00°, per Centro quelle fra 43.59° e 41.00° e per Sud quelle a latitudine inferiore a 41.00°. Le anomalie termiche positive sono evidenziate in giallo(anomalie deboli, inferiori a 2°C), arancio (anomalie moderate, fra 2 e 4°C) o rosso (anomalie forti,di  oltre 4°C), analogamente per le anomalie negative deboli (minori di 2°C), moderata (fra 2 e 4°C) e forti (oltre 4°C) si adottano rispettivamente  l’azzurro, il blu e il violetto). Le anomalie pluviometriche percentuali sono evidenziate in  azzurro o blu per anomalie positive rispettivamente fra il 25 ed il 75% e oltre il 75% e  giallo o rosso per anomalie negative rispettivamente fra il 25 ed il 75% e oltre il 75% .

[1]              Questo commento è stato condotto con riferimento alla  normale climatica 1988-2015 ottenuta analizzando i dati del dataset internazionale NOAA-GSOD  (http://www1.ncdc.noaa.gov/pub/data/gsod/). Da tale banca dati sono stati attinti anche i dati del periodo in esame. L’analisi circolatoria è riferita a dati NOAA NCEP (http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/histdata/). Come carte circolatorie di riferimento si sono utilizzate le topografie del livello barico di 850 hPa in quanto tale livello è molto efficace nell’esprimere l’effetto orografico di Alpi e Appennini sulla circolazione sinottica. L’attività temporalesca sull’areale euro-mediterraneo è seguita con il sistema di Blitzortung.org (http://it.blitzortung.org/live_lightning_maps.php).

 

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L’esponente di Hurst e gli spettri – Parte III – Nuove applicazioni

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L’esponente di Hurst e gli spettri – Parte III – Nuove applicazioni

Livello del Nilo
L’altezza del Nilo -livello minimo dal 622 al 1469 CE- ha un esponente di Hurst H=0.833 e quindi si presta alla procedura descritta nel primo articolo di questa serie. I dati, annuali, sono a passo costante per cui uso le differenze.

In figura 13 (pdf) mostro le funzioni di autocorrelazione delle due serie (osservata e delle differenze).

Fig.13: ACF del livello (minimo) del Nilo dal 622 al 1496 CE. I valori osservati (linea nera) mostrano percentuali elevate per tutti i lag, ma non coì elevate come nelle precedenti figure 6 e 10. Le differenze mostrano una ACF molto migliorata, con la persistenza completamente annullata (Hdiff=0.5).

La acf(1) dei dati osservati è di poco superiore a 0.5 e quindi, per quanto si era detto all’inizio del primo articolo di questa serie, la persistenza non dovrebbe avere un ruolo preponderante. Malgrado questo, però l’acf delle differenze mostra un evidente miglioramento.

Gli spettri della serie osservata e delle differenze d(i)=t(i+1)-t(i) sono in figura 14 (pdf) e in figura 15 (pdf).

Fig.14: Serie del livello annuale minimo del Nilo e suo spettro. Nel quadro superiore la linea rossa è un filtro passa basso di finestra 11 anni.

Fig.15: Come figura 14, per la differenza tra valori successivi del livello annuale del Nilo. La linea rossa nel quadro in alto è un filtro passa basso di finestra 11 anni.

Il confronto tra gli spettri mostra che:

  1. Una increspatura nello spettro “osservato” a 320-340 anni, praticamente invisibile se non in maniera meno vaga nei dati numerici, viene evidenziata dalle differenze come un massimo a 308 anni.
  2. Il massimo a 242 anni “osservato” viene scomposto nelle differenze come un massimo a 199 anni e due massimi minori a circa 225 e 260 anni.
  3. I massimi “osservati” a 82.6 e 99.6 anni diventano 89.1 e 96.7 anni (il massimo minore non è indicato in figura 15). Il massimo principale delle differenze, a 89.1 anni, risulta netto e meglio definito rispetto ai massimi dei dati osservati.
  4. I massimi di periodo inferiore sono quasi ugualmente presenti nei due spettri. Si nota la mancanza del periodo di 37.2 anni, apparentemente sostituito nelle differenze da quello a 40.3 anni.
  5. Qui, rispetto ai casi precedenti, in modo più evidente cambiano i rapporti tra le potenze dei massimi negli osservati e nelle differenze.

In casi come questo, dove lo spettro cambia abbastanza nei due casi, l’uso delle differenze permette una migliore definizione dei massimi spettrali, eliminando quei picchi per i quali una giustificazione fisica si può fornire con (molta) difficoltà.

TPW (Total Precipitable Water)
Dell’acqua precipitabile totale si è parlato su CM (vedere i anche i link ad articoli precedenti e i commenti). Questa variabile è strettamente legata alla temperatura e raggiunge i suoi valori massimi lungo la fascia equatoriale del Pacifico, soprattutto in quei mari dell’Indonesia chiamati “warm pool” dove si accumula l’acqua calda trasportata dagli alisei durante El Niño. La somiglianza tra temperatura globale e TPW è evidenziata in figura 16 (pdf), dove TPW è scalata ai valori di HadCrut4.

Fig.16: Confronto tra l’anomalia globale (terra+oceano) HadCrut4 e la serie TPW, entrambe fino al 2017 (dal 1988). Notare come TPW riproduca tutte le maggiori strutture della temperatura.

La misura di TPW è disponibile per le due fasce di latitudine ±20° e ±60°; qui viene usata solo la fascia più ampia.
Anche solo la somiglianza con la temperatura porta a pensare alla presenza del fenomeno della persistenza e all’uso delle differenze per eliminarla o almeno diminuirla. Infatti il confronto tra le funzioni di autocorrelazione dei dati osservati e delle differenze di figura 17 (pdf) mostra che le differenze hanno completamente annullato la persistenza.

Fig.17: ACF del TPW osservato e delle differenze. Come già visto in casi precedenti, il miglioramento della ACF è notevole. Qui Hobs=0.968 e Hdiff=0.5.

Anche l’analisi spettrale dei dati osservati e delle differenze riportata in figura 18 (pdf) e in figura 19 (pdf) conferma l’ormai noto cambiamento tra la potenza dei picchi e, ancora una volta, la non influenza della persistenza sul periodo dei massimi spettrali

Fig.18: Dati osservati e spettro di TPW ±60°

Fig.19: Differenze tra valori successivi del TPW della figura precedente e loro spettro. Come sempre, cambiano le potenze rispetto allo spettro osservato ma le posizioni (i periodi) dei massimi restano le stesse.

In questo caso qualche dubbio può sorgere a causa della brevità della serie (30 anni) ma credo che il confronto con le anomalie NOAA (annuali e mensili) delle figure 5 e 12 possa risolvere positivamente questi dubbi, in quanto la stessa cosa succede per serie ben più lunghe.

Con questo termino la serie di articoli dedicati alla persistenza, nella speranza di aver chiarito quale può essere il peso di questo fenomeno sugli spettri delle serie climatiche.

Tutti i grafici e i dati, iniziali e derivati, relativi a questo post si trovano nel sito di supporto qui
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L’esponente di Hurst e gli spettri (Parte II) – Altre applicazioni

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L’esponente di Hurst e gli spettri (Parte II) – Altre applicazioni

Livello del lago Vittoria
Questo argomento è stato trattato su CM qui. La serie del livello del lago Vittoria ha un esponente di Hurst H=0.962 ed è adatta alla procedura descritta nel post precedente con la differenza che adesso i dati non sono a passo costante. Il calcolo delle differenze deve essere fatto per unità di ascissa (la differenza tra due valori non ha molto senso se non viene rapportata all’intervallo su cui è stata calcolata) e quindi, in pratica, si calcola il rapporto incrementale Δy/Δx, ovvero la derivata numerica.

Ho però voluto verificare anche il comportamento delle differenze assolute e nei nomi dei programmi di calcolo e delle versioni pdf dei grafici sono presenti i termini “deriv” o “der” oppure “diff”, ad indicare i due casi. Intanto noto che Hderiv=0.781 e Hdiff=0.683; quindi l’uso delle differenze/derivate non è così efficace da annullare la persistenza. Entrambe le tecniche la riducono (lavorano meglio le differenze) ma i valori di H sono ancora alti. Penso comunque che l’analisi spettrale dovrebbe (o potrebbe) risentire positivamente della diminuzione di H rispetto ai dati originali. In fig.6 (pdf) il confronto tra le ACF.

Fig.6: ACF del livello del lago Vittoria. nero: dati osservati; blu: serie delle differenze assolute; rosso: serie delle derivate numeriche. Entrambe le elaborazioni mostrano un netto miglioramento della persistenza rispetto ai dati originali. Notare che a lag 1 l’acf delle derivate è più del doppio dell’acf delle differenze.

Nelle figure successive presento l’equivalente di figura 4 e di figura 5 per il lago Vittoria e il confronto con i dati originali.

Dalla figura 6 e dalle figure 7 (pdf) e 8 (pdf) emerge che, oltre ad una decisa diminuzione della persistenza, gli spettri sono simili tra loro ed entrambi diversi dallo spettro dei dati originali di figura 9 (pdf), in particolare per le basse frequenze (periodi più lunghi).

Fig.7: Derivate numeriche (Δy/Δx) del livello del lago Vittoria e loro spettro LOMB. L’ampio massimo tra 67 e 78 anni presente nei dati osservati è scomparso e si intravede nei valori numerici solo una leggera increspatura tra 70 e 100 anni, direi totalmente non significativa. Per questa serie è H=0.781.

Fig.8: Differenze assolute (non normalizzate alla base temporale) tra i valori del lago Vittoria e loro spettro LOMB. Sono presenti alcune differenze rispetto alla figura 7, in particolare tra 3 e 3.9 anni, ma anche altre. L’aspetto complessivo è però simile. Qui H=0.683.

Fig.9: Valori osservati del livello del lago Vittoria e loro spettro LOMB. Qui H=0.962.

I massimi a 67-78 e 40 anni appaiono come macroscopiche caratteristiche spurie generate dalla persistenza, mentre quelli di periodo inferiore sono presenti anche negli spettri delle differenze/derivate.

Dati NOAA mensili
I dati e gli spettri mensili dei dati NOAA sono disponibili qui o meglio, nel momento attuale di difficoltà di accesso al server, qui.
Anche se si può immaginare una (forte) similitudine con i dati annuali, è bene fare una verifica anche sui dati mensili. Per questo controllo ho scelto i dati relativi a dicembre 2017 (1712t.dat) da cui ho calcolato le differenze (i dati sono a passo=1 mese, costante). Per entrambi i dataset ho calcolato la funzione di autocorrelazione, che mostro nella successiva figura 10 (pdf)

Fig.10: ACF dei dati osservati NOAA di dicembre 2017 (nero) e delle loro differenze (blu). Il notevole miglioramento della persistenza è evidente.

Qui si ripete, figura 11 (pdf) e figura 12 (pdf), il copione già visto per i dati annuali, accentuato in alcuni aspetti: usare le differenze permette di eliminare la persistenza (Hdiff=0.5), mantenendo la stessa struttura spettrale ed aumentando il contrasto del massimo di circa 60 anni.

Fig.11: Anomalia globale NOAA di dicembre 2017 e suo spettro MEM. Il confronto con la curva nera di figura 10 mostra quanto sia forte il fenomeno della persistenza, nettamente più forte di quello presente nei dati annuali. Nel quadro centrale si nota la debolezza dell’identificazione del massimo a 61 anni.

Cambia drasticamente la potenza che per i dati osservati è circa 100 volte quella delle differenze. Questo cambiamento dipende dal valore assoluto dei dati in ingresso ed è reso più evidente dal fatto che gli spettri non sono normalizzati (ad esempio alla potenza totale).

Fig.12: Differenze relative ai dati mensili NOAA di dicembre 2017 e loro spettro MEM. Da notare l’aspetto “casuale” delle differenze. Il massimo a 61 anni è ben visibile e la struttura è identica a quella dei dati osservati.

Dall’analisi dei dati mensili si evince l’uguaglianza spettrale con i dati annuali, oltre alla conferma che nel caso dei dati NOAA la persistenza, pur essendo molto forte, non incide significativamente sullo spettro. Solo nel caso del massimo di circa 60 anni l’uso delle differenze garantisce una migliore identificazione.
Le funzioni di autocorrelazione permettono di dire che le differenze riducono fortemente la persistenza (in pratica, la azzerano) anche in questo caso.

Considerazioni generali
Mentre le considerazioni appena espresse per i dati NOAA valgono anche per il caso generale, bisogna sottolineare che il miglioramento (riduzione) della persistenza non è della stessa entità in tutti casi.
Il livello del lago Vittoria mostra che le differenze e (in quel caso, con i dati non a passo costante) le derivate numeriche non tolgono del tutto la persistenza. Nello stesso tempo, però, mostrano un notevole miglioramento della struttura spettrale, con grande somiglianza tra gli spettri e differenze tra i periodi poco o per nulla significative. La modifica dei dati originali (differenze e derivate) permette di cancellare i massimi a circa 40 e circa 78 anni, la cui presenza era stata discussa, senza riuscire a capirne l’origine, qui su CM (anche nei commenti).
Da sottolineare ancora che, sebbene lo spettro dei dati osservati del lago Vittoria sia nettamente diverso dagli altri due (diff/deriv) per i periodi più lunghi, i periodi più brevi sono simili nei tre casi, suggerendo che forse la persistenza agisce in modo differenziato.

In conclusione, credo che l’uso delle differenze/derivate numeriche nelle serie con alto esponente di Hurst renda la loro analisi spettrale più certa, meno aleatoria, e nello stesso tempo sottolineo che è necessario verificare ogni volta la bontà della scelta di modificare i dati iniziali.

Tutti i grafici e i dati,
iniziali e derivati, relativi a questo post si trovano nel sito di supporto
qui

Bibliografia

  1. Koutsoyiannis D.: The Hurst phenomenon and fractional Gaussian noise made easy, Hydrological Sciences-Journal-des Sciences Hydrologiques, 47:4, 573-595, 2002. doi:10.1080/02626660209492961
  2. Koutsoyiannis D.: Climate change, the Hurst phenomenon, and hydrological statistics , Hydrological Sciences-Journal-des Sciences Hydrologiques, 48:1, 3-24, 2003. S.I. doi:10.1623/hysj.481.3.43481
  3. Koutsoyiannis D.: Nonstationarity versus scaling in hydrology , Journal of Hydrology, 324, 239-254, 2006. doi:10.1016/j.jhydrol.2005.09.022
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L’esponente di Hurst e gli spettri (Parte I)

Posted by on 07:00 in Attualità, Climatologia | 2 comments

L’esponente di Hurst e gli spettri (Parte I)

Riassunto: Sostituisco il dataset iniziale con le sue differenze prime (o con le derivate numeriche in caso di passo variabile) e verifico sperimentalmente se l’esponente di Hurst H, cioè il livello di persistenza, cambia nel senso che si avvicina maggiormente al valore 0.5 mentre il dataset trasformato mantiene l’informazione spettrale del dataset originale. Applico la modifica alle medie annuali NOAA di anomalia di temperatura, ad all’ultimo dataset mensile, sempre NOAA, e al livello del lago Vittoria i cui dati non sono a passo costante.
Abstract: I change the original dataset with its differences or its numerical derivatives in case of a variable step and look at the Hurst exponent H. If its value is lowered by this procedure, I verify if the new dataset contains again the spectral information of the original one by comparing their spectra. Such a procedure has been applied to the yearly global temperature anomaly and to the last available monthly data from the NOAA GHCN cag-site. Also the lake Victoria levels (at variable time step) has been used to test the procedure.

Si è verificato, ormai diverse volte, che il problema della persistenza riguarda molti dataset che si usano abitualmente in climatologia, e non solo. La persistenza, che consiste in risultati che tendono a riprodurre i risultati precedenti, mostra che i dati sono autocorrelati e che potrebbero non essere indipendenti. La funzione di autocorrelazione a lag 1 [ACF(1)] in questo caso può assumere valori maggiori di 0.5, denotando in pratica che la statistica “normale” non può più essere usata in quanto basata su dati indipendenti.
Ricordo sempre, a me stesso, che due variabili aleatorie (v.a., cioè in pratica i dati) indipendenti sono scorrelate, mentre non è vero il viceversa: dati (v.a.) scorrelati non sono necessariamente indipendenti. Se i dati sono correlati, la loro indipendenza deve essere dimostrata per altra via.
Ad esempio, la deviazione standard della media di un campione

std dev(Xn)=σ/sqrt(n)=σ/n0.5       (1)
con Xn media di un campione di n elementi e σ deviazione standard (comune) degli elementi del campione, nel caso di fenomeni che contengono la persistenza, diventa (Koutsoyiannis, 2003):
std dev(Xn)=σ/n(1-H)      (2)

con H esponente (o coefficiente) di Hurst. Se H=0.5 le due espressioni precedenti diventano uguali e questo ci permette di dire che la serie da cui abbiamo ricavato il valore di H non ha persistenza e quindi, sbagliando, possiamo dire che le variabili aleatorie, i cui valori compongono la serie in esame, sono indipendenti (l’indipendenza potrebbe essere dimostrata verificando che la densità di probabilità congiunta delle due v.a. f(x,y) è data dal prodotto delle densità di probabilità delle singole v.a. g(x)•h(y), cioè f(x,y)=g(x)•h(y)).

L’esponente di Hurst, H, viene normalmente stimato attraverso un processo semplificato ma ancora non semplice da seguire (Koutsoyiannis, 2002, 2003): per questo motivo io uso una procedura probabilmente non corretta che però fornisce facilmente un valore approssimato di H.

Come stima di H io uso l’equazione (5) di Koutsoyiannis (2003) (che poi è l’equazione (17) di Koutsoyiannis, 2002):

ρj(k)j=H•(2H-1)• j2H-2       (3)
(si dimostra che questa equazione è indipendente da k),
in cui ρj è la funzione di autocorrelazione a lag j (o acf(j), j>0.
Usare l’eq.(3) con lag 1 porta a
acf(1)=2H2-H  o   2H2-H-acf(1)=0,
da cui
H=(1+sqrt(1+8•acf(1)))/4.       (4)

Quindi stimo H a partire da acf(1), il che ovviamente implica il calcolo della funzione di autocorrelazione. Da notare che acf è una funzione positiva, compresa tra 0 e 1, e che, se il calcolo fornisce una acf negativa, l’eq.(4) assume un valore indefinito (NaN, not a number). I valori negativi possono essere considerati fluttuazioni attorno allo zero e si può assegnare loro il valore zero, ottenendo così H=0.5 (cioè dati scorrelati).

Vediamo ora tre applicazioni.

Medie annuali delle temperature globali NOAA
Ogni fine anno, dal 2011, raccolgo le anomalie globali NOAA-NGHC (terra+oceano), delle quali in figura 1 (pdf) mostro un esempio relativo al 2017.

Fig.1: in alto: Anomalia media annuale del 2017, dati NOAA. al centro: Differenze: d(i)=t(i+1)-t(i). in basso: Valori detrended calcolati rispetto alla retta del quadro in alto.

Insieme ai dati osservati mostro la serie delle differenze d(i)= t(i+1)-t(i) e il confronto dei residui (i detrended) con una sinusoide fissa. Come si vede nella successiva fig.2 (pdf), la acf(1) -e quella ad altri lag- sono molto elevate e indicano valori di H stimati dall’eq.(4) vicini ad 1 e quindi dati soggetti ad una forte persistenza. Infatti H va dal valore 0.974 per il 2011-2014 ai valori 0.970 (2015), 0.972 (2016), 0.975 (2017).

Fig.2: Funzione di autocorrelazione delle 7 serie disponibili. I valori a lag 1 sono tutti superiori al 90% e indicano valori di H vicini ad 1. Per il 2017, H=0.975.

La persistenza dovrebbe anche generare periodi spuri nell’analisi spettrale.

Rileggendo un articolo del 2015 su WUWT di Roman Mureika sulla persistenza, ho visto che lui, in altro contesto, usa le differenze tra i valori per mostrare che sono scorrelate (Murieka in realtà usa un contorto giro di parole: “potrebbe non essere irragionevole assumere che i cambiamenti annuali siano indipendenti l’uno dall’altro”. Le contorsioni derivano direttamente dalle righe in rosso scritte più in alto). Ho ripreso il suo esempio per i dati annuali NOAA e ho verificato, v. fig.3 (pdf), che le acf delle differenze sono nulle a lag 1.

Fig.3: ACF delle differenze disponibili. Notare come effettivamente i valori da lag 1 a lag 12 fluttuano attorno allo zero. Per tutte le serie, H è NaN e quindi da considerare uguale a 0.5.

Quindi la trasformazione da anomalia a differenza di anomalia ha prodotto una serie in cui non è presente la persistenza e che dovrebbe mantenere le informazioni presenti nella serie originale (o almeno parte di esse).

Per i miei scopi, mi chiedo in particolare se la serie derivata (le differenze) ha ancora in sé l’informazione spettrale della serie originale (l’anomalia di temperatura). Se così fosse, potrei applicare l’analisi spettrale alle differenze, senza il rischio di generare periodi spuri che dipendano dalla persistenza.
Dubito di riuscire a dimostrare in modo generale questa proprietà di mantenimento dell’informazione, anzi sono quasi certo del contrario, per cui proverò a verificarla empiricamente calcolando lo spettro (MEM; i dati sono a passo costante e senza “buchi”) della serie originale e di quella derivata e confrontando i due output.
Ho fatto questa operazione per le 7 serie di cui dispongo e mostro qui il caso del 2017, in fig.4 (pdf) e in fig.5 (pdf).

Fig.4: Serie originale delle anomalie di temperatura globali e suo spettro MEM su due scale. Nel confronto con fig.5 le scale degli spettri sono uguali per cui si può notare un abbassamento della potenza in fig.5. Ho lasciato in evidenza (in arancione) il massimo a 2.87 anni.

Fig.5: Come fig.4, per le differenze di anomalie. Notare l’aspetto casuale della serie derivata e la migliore definizione del massimo a circa 61 anni.

Non avendo potuto dimostrare il caso generale, credo si possa dire che, almeno per le anomalie annuali globali, il fenomeno della persistenza non ha effetti, se non minimi, negli spettri, in particolare sulla posizione dei massimi, cioè sul loro periodo. Questa caratteristica dovrà essere dimostrata (empiricamente) per ogni serie trattata, ad esempio per il livello del lago Vittoria e per i dati mensili NOAA.

Credo che questo articolo stia diventando troppo lungo, per cui mostrerò le altre due applicazioni in un post successivo. Il sito di supporto e la bibliografia restano gli stessi

Tutti i grafici e i dati,
iniziali e derivati, relativi a questo post si trovano nel sito di supporto
qui

Bibliografia

  1. Koutsoyiannis D.: The Hurst phenomenon and fractional Gaussian noise made easy, Hydrological Sciences-Journal-des Sciences Hydrologiques, 47:4, 573-595, 2002. doi:10.1080/02626660209492961
  2. Koutsoyiannis D.: Climate change, the Hurst phenomenon, and hydrological statistics , Hydrological Sciences-Journal-des Sciences Hydrologiques, 48:1, 3-24, 2003. S.I. doi:10.1623/hysj.481.3.43481
  3. Koutsoyiannis D.: Nonstationarity versus scaling in hydrology , Journal of Hydrology, 324, 239-254, 2006. doi:10.1016/j.jhydrol.2005.09.022
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Inuit e cambiamento climatico

Posted by on 07:00 in Ambiente, Attualità | 9 comments

Inuit e cambiamento climatico

Per motivi familiari ho letto un articolo del 2013 di Frédéric Laugrand, professore di Antropologia all’Université Laval (Canada) in traduzione italiana, apparso sull’ultimo numero della rivista Il Polo dell’Istituto Geografico Polare “Silvio Zavatti” di Fermo. Il Polo non è disponibile in rete e l’istituto non è ancora agibile dopo il terremoto dello scorso anno nell’Italia centrale, per cui faccio riferimento all’articolo originale, in francese, liberamente disponibile a http://communication.revues.org/4458   ;  doi:10.4000/communication.4458

Nel testo html è disponibile anche un link alla versione pdf che però richiede un accesso a openedition.org che io non ho.

L’articolo mi è apparso molto interessante sia per gli argomenti che affronta che per il punto di vista antropologico -ad entrambi non sono molto abituato- ma soprattutto per l’obbiettività che l’autore dimostra di avere.

Rimandando al testo completo per una migliore comprensione, estraggo dalla traduzione italiana (21 pagine) su Il Polo alcune frasi che mi hanno colpito, evidenziando che per forza di cose la scelta è soggettiva (nei fatti, un cherry picking).

  • Tramite la Conferenza Circumpolare Inuit, gli Inuit(1) del Canada da tempo prestano molta attenzione alla questione del riscaldamento globale. Negli ultimi mesi sono emersi punti di vista più critici, in particolare in Groenlandia, nonostante questa questione rimanga complessa e inseparabile dalle principali problematiche socioeconomiche di oggi. Anche se Mary Simon, la presidente uscente dell’Inuit Tapiriit Kamatami (una organizzazione politica inuit, nota di fz) approva i risultati del Gruppo Intergovernativo sull’Evoluzione del Clima (GIEC) altri leader e numerosi anziani si mostrano più cauti … gli anziani non sono stati istruiti nelle scuole del sud …
  • Per rimanere agli Inuit, la loro cosmologia animista e analogica li rende poco ricettivi alle ingiunzioni dei climatologi, biologi, ecologisti e altri esperti della fauna e dell’ambiente. Per gli Inuit, l’incertezza, il cambiamento continuo, l’imprevedibilità, la trasformazione, sono dati costanti del loro ambiente di modo che le parole chiave restano l’osservazione, l’adattamento, la negoziazione e perfino l’improvvisazione.
  • È quindi in Groenlandia che gli Inuit hanno mostrato la massima fermezza. … A Copenhagen il primo ministro della Groenlandia, Kuupik Kleist, da un lato ha promesso di sviluppare i progetti idroelettrici per coprire oltre il 60% delle risorse energetiche entro il 2020 … il capo del governo avrebbe dichiarato ad un giornalista spagnolo de El Pais che il suo paese, avendo nel suo territorio la seconda riserva mondiale di petrolio dopo l’Arabia Saudita, aveva l’intenzione di sfruttarla nonostante il riscaldamento globale (Nunatsiaq News 17 dicembre 2009)… Come altre nazioni emergenti, la Groenlandia subordina, quindi, il riscaldamento globale ai suoi obiettivi di sviluppo, una posizione che è stata adottata anche dall’India, dal Brasile e dalla Cina.
  • In questo articolo, che si concentrerà solo sull’Artico canadese, il punto è capire meglio l’attuale riluttanza degli anziani inuit ad appoggiare la visione degli ecologisti e degli ambientalisti, scommettendo che si basa su un certo numero di elementi ontologici che purtroppo non vengono mai veramente affrontati da coloro che che sono interessati alla questione del riscaldamento globale in queste società. Se questo assunto è vero, spiegherebbe in parte perchè molti Inuit, che non negano il cambiamento climatico, la fusione del ghiaccio e la vulnerabilità del loro ecosistema e della società, vedono questo problema climatico come una fatalità, un’ossessione occidentale. Per molti anche i timori sono sproporzionati. Per altri i paesi incriminati restano quelli del Sud. Per altri ancora non è affatto possibile invocare il riscaldamento per gestire la fauna selvatica con nuove quote di caccia, essendo i metodi di censimento dei biologi fortemente contestati.
  • Pur riconoscendo che vi è una connessione tra l’azione umana e il cambiamento climatico, che l’ambiente artico deve essere protetto dall’inquinmento industriale, gli anziani inuit continuano a non fidarsi. Temono di essere soffocati da nuove regole, da un fondamentalismo ecologico che può nuocere, ancora una volta, al loro modo di vivere come cacciatori. …. Alla fine, gli Inuit non intendono cedere alla passione ecologica che finora hanno sempre combattuto, sia che si pensi alla politica delle quote o al divieto di esportazione delle pellicce decretato dall’Unione europea.
  • … dimostrare come gli Inuit siano sempre stati sensibili ai cambiamenti climatici e ambientali, valutando l’adattamento, l’anticipazione, la resilienza in caso di shock e senza paura di fronte all’imprevedibile.
  • I cacciatori inuit hanno da alcuni anni notato variazioni climatiche e forse segnali premonitori del cambiamento climatico. Tuttavia, a differenza degli scienziati occidentali, evitano ogni previsione affrettata.
  • … Gli effetti del riscaldamento globale saranno poi discussi, potendo anche essere percepiti come un evento salutare.
  • In breve, il riscaldamento globale e i dibattiti che solleva, così come le soluzioni che richiama, dimostrano che l’uomo, nella nostra società, si pensa sempre come un essere gerarchicamente superiore alle altre specie, animali e vegetali, in grado di dominare la natura e influenzare il corso degli eventi. … tale approccio richiederebbe, per esempio, che alcune nazioni accettino sacrifici e una decrescita affinchè gli altri possano emergere approfittando del riscaldamento globale per sfruttare le proprie risorse naturali. Ma questa è un’utopia o una cultura politica completamente diversa.

Alcuni pensieri sparsi:

  1. Il 2013 doveva essere l’anno di transizione tra “riscaldamento globale” e “cambiamento climatico”: i termini vengono usati entrambi con leggera prevalenza del primo.
  2. i “salvatori del mondo” si dimostrano, come sempre, sicuri dei loro dogmi cartesiani (equivalenti ad una religione) e non prendono in considerazione altre visioni del mondo, ovviamente senza sentirsi in obbligo di dimostare in primis che queste ultime sono false.
  3. Anche al Nord (come altrove) il riscaldamento globale è usato come scusa per ottenere risultati in campi diversi (lì sono le quote di caccia).
  4. Non seguo molto questi argomenti, ma non ho più sentito parlare di sfruttamento dei campi petroliferi groenlandesi: chissà quanto è costato a noi tutti tacitare i desideri di sviluppo di questo popolo (o, come direbbe qualcuno, quanto abbiamo guadagnato in termini di salute ambientale …, al solito, concetto tutto da dimostrare, magari anche con un bilancio tra i costi e i guadagni dello sviluppo).
  5. In una parte che non ho riportato, ci si pone la domanda: per chi dovremmo salvare il pianeta e i suoi animali? Quali sono queste generazioni future e di chi stiamo parlando?
    Mi viene sempre in mente che tutte le generazioni hanno sempre ricevuto in eredità quanto le generazioni precedenti hanno lasciato loro (potuto, voluto o dovuto lasciare). Perché noi dovremmo essere diversi (si suppone migliori) rispetto ai nostri predecessori, solo sulla base di una certezza fideistica del tutto indimostrata di una superiorità rispetto a tutti gli altri componenti della natura? E chi siamo noi, San Francesco? E i nostri padri sono stati forse agenti del Male Assoluto? Ma per favore …!!!
  6. In un’altra parte che non ho riportato, relativa agli orsi bianchi, si dice che gli Inuit non riconoscono la fondatezza dei metodi dei biologi per contare il numero di orsi (questi procedimenti contribuirebbero ad irretire gli animali) né la loro diagnosi di una prossima scomparsa … al contrario ritengono che siano una popolazione in buona salute.
    Mi sembra di leggere un post di Susan Crockford che, per aver detto le stesse cose, è stata attaccata in modo molto duro da biologi e salvamondo vari.

Bibliografia

  1. Frédéric Laugrand: Les Inuit face aux changements climatiques et environnementauxCommunication [En ligne], Vol. 31/2, 2013, mis en ligne le 18 septembre 2013. URL : http://journals.openedition.org/communication/4458 ; DOI : 10.4000/communication.4458
  2. Frédéric Laugrand: Gli Inuit di fronte al Cambiamento Climatico e AmbientaleIl Polo, LXXII-4, 9-29, 2017

Nota (1)L’etnonimo Inuit ha sostituito quello di Eskimaux/Eskimos/Eschimesi di origine straniera e utilizzato fino agli anni ’70. Inuit significa “uomini”; Inuk significa “una persona”; la forma duale “Inuuk” si riferisce a “due persone”. La lingua Inuit, detta polisintetica, appartiene alle lingue Eskaleute e si divide in quattro gruppi, dall’Alaska all’Artico canadese (est ed ovest) alla Groenlandia.

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Puntini vecchi e nuovi, clima sempre quello

Posted by on 07:00 in Attualità, Climatologia | 5 comments

Oggi il blog va in subappalto o, se preferite, in outsourcing, come dicono quelli bravi. Lo faccio volentieri perché sto per proporvi la lettura di un articolo di un vecchio amico, mio e di CM.

Prima però un po’ di storia. Alcuni anni fa, quando queste pagine avevano i pantaloni corti, abbiamo ospitato un dibattito molto interessante (qui i precedenti) come spin off di uno scambio di opinioni avvenuto sulle pagine della Normale di Pisa. Si parlava ovviamente di clima e, più specificatamente del trend delle temperature globali, della capacità dei modelli climatici di riprodurlo e di quanto questo, piuttosto che essere attribuito alle sole attività antropiche, possa avere una consistente componente naturale da ricercarsi anche ben al di fuori del sistema pianeta, ovvero nelle dinamiche del sistema solare.

Ormai avrete capito che l’amico di cui parlavo all’inizio del post è Nicola Scafetta, ricercatore recentemente trasferitosi dalla Duke University alla Federico II di Napoli.

Appena ieri, Nicola mi ha segnalato l’ultimo numero della rivista 21° Secolo, su cui ha pubblicato (per una volta in Italiano!) un articolo che riprende gli argomenti del dibattito e, nell’introduzione, contiene anche delle informazioni per i non iniziati alla querelle climatica, notizie preziose per tutti quei lettori di CM che spesso ci chiedono come poter fare ad orientarsi per approfondire questi argomenti.

Ma, dicevo nel titolo, protagonisti del dibattito di allora e dell’aggiunta più recente sono i pallini, come quello che che vedete qui sotto e che rappresenta la posizione “attuale” delle temperature medie superficiali rispetto alle previsioni dei modelli climatici e rispetto alle previsioni messe a punto ormai un decennio fa proprio da Nicola Scafetta.

Figura 13 da “I Cambiamenti Climatici” Nicola Scafetta 21° Secolo – Confronto tra la previsione di Scafetta [25] (area gialla), le previsioni dei modelli dell’IPCC (area verde) e i record della temperatura. Nel 2015-2016 c’è stato un forte picco caldo naturale causato dal El-Nino.

A chiunque dovesse avvicinarsi anche solo per caso a questi argomenti, basterebbe un minimo di buon senso per capire che, al netto dell’ultimo potente El Niño (2015 e parte del 2016), il trend delle temperature globali è molto più simile alla previsione del modello semplificato di Nicola Scafetta che alle proiezioni dei modelli climatici. El Niño, infatti, come fenomeno del tutto naturale, ha scaricato in atmosfera grandi quantità di calore accumulatosi in un periodo in cui hanno invece prevalso condizioni di La Niña, non ha liberato il calore prodotto dalle attività umane e temporaneamente stoccato nel mare.

Certamente il trend di lungo periodo delle temperature superficiali contiene una componente antropica in cui hanno un ruolo i gas serra prodotti dalle attività umane, le variazioni dell’uso del suolo, l’urbanizzazione di molte delle zone in cui si fanno i rilevamenti da più tempo etc, ma ancora qualcuno deve riuscire a spiegarci perché, questo pianeta, che si è raffreddato e scaldato a suo piacimento migliaia di volte, debba e possa scaldarsi ora esclusivamente per cause antropiche.

Comprendere questo, alla luce dell’incapacità dei modelli di simulazione che vanno a CO2 di riprodurre efficacemente il trend delle temperature, alla luce dei segnali che il passato ci ha lasciato, alla luce degli indubbi benefici che i periodi caldi hanno sempre portato, è solo questione di buon senso.

Però, succede che qualcuno dei soliti benpensanti non riesca ad approfittare dell’occasione di tacere, omettendo di fare riferimento alle dinamiche naturali, appunto El Niño 2015, per invalidare a proprio dire la previsione fatta da Nicola Scafetta.

Ora, ci sono due sole ragioni per non far uso del buon senso. O non lo si ha, e quindi pazienza, oppure non lo si vuole usare per altre ragioni, come per esempio la tentazione di fare la mosca cocchiera perché “c’è un pianeta da salvare“. Dal momento che alle mosche va riconosciuta l’utilità di tutte le specie che abitano questo pianeta, è bene ricordare che esse sul cocchio non si sono mai trovate a proprio agio, quindi riflettano.

E così, pare che alla fine il subappalto non ci sia stato. Ma sono in debito di un link, quindi, presto fatto. Buona lettura.

Scafetta 21° Secolo

 

 

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Groenlandia, molto più sole che aumento della temperatura

Posted by on 07:00 in Attualità, Climatologia | 7 comments

Groenlandia, molto più sole che aumento della temperatura

Giro più o meno quotidiano nella blogosfera climatica, atterraggio sul blog di Judith Curry, fonte alquanto inesauribile di notizie interessanti, tra cui una rubrica in cui fa settimanalmente una review di paper e articoli di recente pubblicazione. E, in effetti, quello che definisce il “paper della settimana” merita una sosta.

Decreasing cloud cover drives the recent mass loss on the Greenland Ice Sheet

Ambientazione, chiaramente la Groenlandia, teatro negli ultimi anni di un consistente trend negativo del bilancio superficiale della massa glaciale. Il riferimento alle nubi, più che quello allo scioglimento dei ghiacci, attira l’attenzione.

In sostanza, utilizzando dei dataset di copertura derivati da dati satellitari nuvolosa e un modello climatico regionale per valutarne l’impatto sulla superficie ghiacciata, gli autori individuano una forte correlazione positiva tra la diminuzione della nuvolosità e la perdita di massa glaciale durante i mesi estivi, con alterazione dell’equilibrio – sembra preesistente – tra l’apporto delle precipitazioni e lo scioglimento stagionale.

La diminuzione della copertura nuvolosa pare sia da imputare ad una maggiore frequenza di situazioni anticicloniche. A quelle latitudini, anche durante l’estate, il carattere della circolazione atmosferica può essere misurato attraverso l’indice NAO (North Atlantic Oscillation), diversamente più utilizzato nei mesi invernali per individuare la latitudine alla quale viaggiano i sistemi frontali diretti verso l’Europa. L’indice NAO scaturisce dalla differenza tra la pressione atmosferica delle isole Azzorre e quella dell’Islanda, quindi ad est della Groenlandia. Anomalie negative dell’indice NAO, quindi, corrispondono ad anomalie positive di un altro indice, che gli autori definiscono GBI (Greenland Blocking Index) e che esprime la frequenza di occorrenza di situazioni di alta pressione in area groenlandese. L’alta pressione, con il suo trasferimento di energia dall’alto verso il basso, inibisce la formazione delle nubi, da cui discende una maggior quantità di radiazione solare entrante, sia ad alta che a bassa frequenza. Quindi, scrivono, più che l’aumento della temperatura, la perdita di massa glaciale è da imputarsi ad una modifica della circolazione atmosferica.

Ora, in genere i modelli climatici globali applicati alla scala regionale, mostrano però trend opposti rispetto ai dati di rianalisi sulla radiazione a onda corta, e non presentano significative variazioni della circolazione atmosferica alle latitudini settentrionali. Soltanto uno dei modelli del progetto CMIP5 (quelli usati per il report IPCC) restituisce negli output una modifica della NAO e della circolazione atmosferica paragonabile con quella delle rianalisi.

Variazione che pure c’è stata. Resta da capire perché il periodo recente ne sia stato caratterizzato. Certo, il segnale potrebbe essere attribuibile all’aumento delle temperature, quindi al global warming, quindi alle attività antropiche, ma gli studi di attribuzione sono essenzialmente modellistici e i risultati non supportano queste modifiche alla distribuzione della massa atmosferica. Quindi la temperatura, unico parametro che in modo alquanto stiracchiato trova riscontro nelle simulazioni, non basta.

Ci vogliono le nubi, e qui sta il punto: se il bilancio di massa glaciale superficiale è strettamente dipendente dalla dinamica delle nubi, e il punto più debole delle simulazioni è proprio la nuvolosità, come proiettare questi ragionamenti nel futuro?

E se la modifica delle nubi dipendesse da altro? E se la modifica alla circolazione fosse un effetto e non una causa? A questo riguardo, viene in mente sia quanto discusso già molto tempo fa da Roy Spencer in ordine al peso delle variazioni della copertura nuvolosa nel bilancio radiativo, sia in tempi molto più recenti dagli studi che si sono concentrati sul forcing esercitato dai raggi cosmici, quindi dall’attività solare, nei processi di nucleazione. Ma questa, lo sapete, è t utta un’altra storia rispetto al mantra dell’AGW.

Ah, dimenticavo, numeri e spiegazioni degli autori sono nel paper, fortunatamente liberamente accessibile.

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Nuove scoperte, vecchie conoscenze e nuove consegne all’oblio

Posted by on 17:24 in Attualità, Climatologia | 0 comments

Nuove scoperte, vecchie conoscenze e nuove consegne all’oblio

Questa è una lettura da week-end, almeno così è arrivata nella mia casella di posta elettronica. In realtà penso sia qualcosa di più, ma visto che siamo nel week-end perché non approfittarne?

Su Nature Communications: Pronounced centennial-scale Atlantic Ocean climate variability correlated with Western Hemisphere hydroclimate

Su Eurekalert: Research finds link between rainfall and ocean circulation in past and present

La nuova scoperta. E’ più che altro una conferma dell’ovvio, cosa che pure non le toglie interesse. Le variazioni di intensità del trasporto di calore dalle basse alle alte latitudini che avviene attraverso le correnti oceaniche atlantiche sono correlate con le precipitazioni dell’emisfero occidentale. E lo sono da sempre, la scoperta è questa, almeno questi sono i risultati di questa ricerca.

Poi ci sono dentro alcune vecchie conoscenze. La Corrente del Golfo, il nastro trasportatore di calore che viaggia in superficie sull’Oceano Atlantico dai Caraibi al Mare del Nord. La Loop Current, che è il serbatotoio di calore della Corrente del Golfo e agisce nel Golfo del Messico generando calore e salinità per il nastro trasportatore. C’è la LIA, meglio nota come Little Ice Age o Piccola Età Glaciale, il periodo più freddo del clima recente (memo: il clima si misura nei secoli, piaccia o no a chi lo vorrebbe far cambiare da un giorno all’altro).

E c’è l’ennesima consegna all’oblio del ruolo dell’attività solare nel determinare la LIA, dal momento che in questo studio si limita l’attribuzione della Piccola Età Glaciale alla sola attività vulcanica.

Stranamente però manca qualsiasi riferimento alle note oscillazioni multidecadali delle temperature oceaniche, in Atlantico note come AMO – Atlantic Multidecadal Oscillation, il cui ruolo nei destini climatici dell’emisfero occidentale è significativo e inoppugnabile.

Lo studio si avvale dell’analisi di sedimenti marini, di osservazioni recenti e di strumenti modellistici. I primi per fornire informazioni di lungo periodo sulle dinamiche delle precipitazioni e delle correnti marine, le seconde per tarare le serie storiche e i terzi per “vedere” come avrebbe potuto essere la Corrente del Golfo durante la LIA.

Insomma, è una lettura interessante, se tiene però presente che non dice tutto. Essendo open surce, penso comunque che valga la pena approfondire.

Buon week-end.

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E’ nato prima El Niño o l’AGW?

Posted by on 07:00 in Attualità, Climatologia | 5 comments

E’ nato prima El Niño o l’AGW?

Le manifestazioni di impazzimento del clima non si contano più. Ora, parola di paper, la temperatura media globale salta. Testuale da Eurekalert:

Record jump in 2014-2016 global temperatures largest since 1900

Allora, dopo i lunghi e noiosissimi anni di inizio secolo, in cui la temperatura globale, derivata prima delle malefatte umane su questo pianeta, aveva smesso quasi del tutto di crescere, il potente El Niño del 2015 e di parte del 2016 ha regalato nuova verve al disastro climatico, facendo registrare un rinnovato aumento della temperatura media globale.

Ora, le oscillazioni dell’ENSO (El Niño in su, La Niña in giù, neutrale), sono un pattern climatico dell’Oceano Pacifico equatoriale e rappresentano di gran lunga la più potente manifestazione di scambio di calore tra oceano e atmosfera. Per cui non c’è da stupirsi se in occasione di oscillazioni importanti, la quantità di calore scambiato sia altrettanto importante, perché si tratta anche di uno degli innumerevoli meccanismi di autoregolazione che il sistema possiede.

Ma, purtroppo ancora oggi, non sappiamo quale sia il driver di queste oscillazioni. Non sappiamo né quando arriveranno né perché, non sappiamo se saranno forti o meno. In termini di capacità previsionale, per esempio, non si riesce ad andare oltre i pochi mesi e gli eventi devono essere già in corso, altrimenti è davvero difficile che se ne possa prevedere l’occorrenza.

Però a quanto pare, sappiamo che l’ultima di queste oscillazioni, appunto il forte El Niño del 2015, non ha riversato in atmosfera del normale calore accumulato negli anni di prevalenza di La Niña che lo hanno preceduto secondo cicli noti e naturali, tutt’altro, quel che è tornato fuori è, senza dubbio, il calore prodotto dall’azione dei gas serra emessi dalle attività antropiche negli anni di pausa del global warming.

Una notizia non da poco. Quindi beati noi, perché ora possiamo finalmente fare un bel falò delle decine di spiegazioni diverse da questa che la pausa del global warming ha ricevuto nel corso degli ultimi anni e che nessuno ha mai confutato e/o validato, né più né meno come questa.

Pare che questa convinzione derivi dal fatto che, statisticamente, la quantità di calore rilasciata da questo ultimo El Niño non abbia avuto precedenti sin dal 1900. Come si osservavano le cose, El Niño compreso, tra allora ed oggi è un problema che evidentemente nessuno si pone. Né ci si domanda, in tempi in cui si discute di sensibilità climatica al ribasso, ossia di quanto effettivamente valga e pesi il fattore antropico, come si possa distinguere tra quanto calore avrebbe dovuto essere rilasciato in condizioni “normali” e quanto ne sia stato rimesso in gioco forzando il sistema.

Comunque, giudicate voi, perché il paper è disponibile: Big Jump of Record Warm Global Mean Surface Temperature in 2014-2016 Related to Unusually Large Oceanic Heat Releases

Ah, dimenticavo, sempre parola di paper, possiamo star tranquilli, perché di questi salti ce ne saranno sempre di più e saranno sempre più alti, ça va sans dire.

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Il livello del lago Vittoria e l’influenza solare

Posted by on 07:00 in Attualità, Climatologia | 10 comments

Il livello del lago Vittoria e l’influenza solare

Riassunto: Il livello del lago Vittoria dal 1896 al 2017, in due serie di dati separate è stato studiato per mettere in evidenza l’influenza solare già descritta da Alexander et al. nel 2007. Si trova che questa influenza è più estesa di quanto derivato precedentemente e che probabilmente si esercita anche in situazioni in cui non sembrerebbe giustificabile..
Abstract: Lake Victoria level from 1896 through 2017 has been studied from two separate time series in the aim to show the solar influence already described in 2007 by Alexander et al . Such an influence has been found to be more extended in time than previously described and it is supposed that it holds also when appeared difficult to justify.

Mi sono imbattuto in un articolo disponibile a questo link (d’ora in poi Alexander07) in cui quattro ingegneri, idrologi ed esperti nella gestione delle acque cercano legami tra influenza solare, anche modulata dall’interazione sole-pianeti, e gestione dlle risorse idriche. Gli esempi sono diversi e interessanti ma io mi sono concentrato in particolare nella loro figura 5a, il livello del lago Vittoria dal 1896 al 2005. Ho considerato anche la figura 5b in cui vengono confrontati il livello del lago, depurato dai trend, e la serie delle macchie solari (SSN) che mostrano una appariscente concordanza.

Non sono stato in grado di trovare i dati numerici della figura 5a e li ho derivati dalla digitalizzazione della figura stessa. Il risultato è nella figura 1 (pdf), insieme allo spettro.
Uno degli elementi più notevoli della serie è costituito dall’aumento di circa 2 m del livello in circa due anni, dal 1962 al 1964 (Kite, 1982; Yin e Nicholson, 2002) di cui discuteremo più avanti.

Fig.1: Livello del lago Vittoria (valori digitalizzati dalla fig.5a di Alexander07 e, nel quadro inferiore, lo spettro Lomb. Davvero notevole l’aumento di circa 2 m del livello in circa due anni, dal 1962 al 1964.

Il lago, avendo come unico emissario il Nilo Bianco, è stato osservato e studiato con attenzione fin dal 1896. Si è ricavato che il bilancio idrico tra l’emissario e i diversi immissari dà conto di circa il 20% del livello lacustre, mentre l’80% è dovuto a precipitazioni-evaporazione; ma l’evaporazione è praticamente costante, trovandosi il lago all’Equatore (2°03′ S e 33°04 E) ove le temperature, che costituiscono la principale variabile guida del processo di evaporazione, si mantengono lungo l’intero anno su un valore relativamente costante e prossimo a 25°C. Pertanto il livello del lago è determinato soprattutto dal regime pluviometrico. C’è (c’era) anche una diga rocciosa naturale (Ripon Falls) che permetteva il deflusso verso il Nilo dell’acqua in eccesso.

Tutti questi aspetti erano ben noti al momento (fine anni ’40 del secolo scorso) della progettazione della diga di Owen Falls (nome attuale: Centrale Elettrica di Nalubale) la cui costruzione è terminata alla fine degli anni ’50. La nuova diga ha sommerso Ripon Falls ma un accordo politico ha permesso di mantenere lo stesso regime idrico precedente la diga: gli effetti dell’accordo si vedono bene nella parte sinistra della figura 1, dove dagli anni ’50 in poi non si vedono sensibili differenze rispetto agli anni precedenti. Una variazione che è stata notata è quella attorno al 1920 perché il livello degli anni precedenti sembrava essere legato a variazioni solari mentre quello degli anni successivi sembrava aver perso questa caratteristica che era apparentemente ripresa dopo il 1968.
È interessante osservare che gli idrologi non attribuiscono l’abrupto aumento di livello del lago (2 m in circa 2 anni) alla costruzione della diga di Owen Falls o, in ogni caso, a fattori antropici ma viceversa ad un aumento, definito drammatico, delle piogge in Africa Centrale e Orientale avvenuto nei primi anni 60 e che ha portato il lago Vittoria al suo massimo livello di oltre 13 metri (rispetto ai circa 11.1 m dell’inizio delle misure) (Kite, 1981).
L’accordo politico prevedeva la regolazione degli eccessi di livello e si vede dalla figura 1 una lenta graduale tendenza del livello verso quello pre-1962, al ritmo di 22 mm/anno (29 per Alexander07).

Dallo spettro di figura 1 si vede un massimo a 11.6 anni che può far pensare a una componente solare ma la caratteristica principale è il periodo di 78 anni (il massimo è abbastanza ampio da far pensare ad un periodo compreso tra 67 e 78 anni). Un massimo importante come questo suggerisce una possibile causa meteo-climatica in grado di generarlo, cioè le oscillazioni planetarie o almeno emisferiche che possono agire sul livello del lago Vittoria. Vengono alla mente AMO, NAO, PDO, ENSO, il monsone (indiano) o gli indici circolatori legati alla cella di Hadley.
Devo dire subito che non conosco abbastanza bene la cella di Hadley per scegliere un indice opportuno (segnalo solo che materiale di rianalisi è disponibile presso NCEP/NCAR) e quindi non ho considerato tale elmento.

  • Per il Monsone Indiano ho trovato dati dal 1948 al 1999, non abbastanza estesi da verificare la presenza di un massimo a 60-80 anni. Le analisi sono comunque disponibili nel sito di supporto.
  • NAO potrebbe andare bene (a giudicare dallo spettro) tranne per il particolare che è un indice dell’emisfero nord la cui influenza arriva al massimo vicino al Tropico (~30°), e che dovrebbe essere nulla o molto debole all’Equatore (a meno di non ipotizzare un suo effetto sulla cella di Hadley).
  • AMO è definito dalla temperatura superficiale oceanica (e quindi include l’interazione con l’atmosfera sovrastante) e dalla serie che ho usato si deriva un massimo spettrale a circa 66 anni, compatibile in qualche misura con quello a 78 anni.
  • PDO: anche se non mi è chiara l’influenza del Pacifico sull’Africa equatoriale, lo spettro mostra un massimo a 76 anni e uno a 40 anni entrambi presenti ma due, a 61 e 54 anni, non presenti nei dati del lago Vittoria.
  • ENSO: nello spettro di El Nino 3.4 non è presente un picco tra 60 e 80 anni. In realtà ci sarebbe un massimo spettrale a circa 82 anni nella serie del Nilometro, considerata normalmente un proxy per ENSO.

In conclusione, il principale massimo spettrale del livello del lago Vittoria non ha una “causa” che posso immaginare mentre nei massimi di minore ampiezza e periodo si intravvede un’influenza di El Nino. Il già ricordato massimo a 11.6 anni registra una presenza “attiva” del Sole ma ritornerò più avanti su questo punto.

La figura 2 (pdf) considera le due parti della serie, prima e dopo il 1962-64, separatamente, per osservare se il comportamento del livello lacustre cambia dopo le piogge dell’inizio anni ’60.

Fig.2: Grafico e spettro delle due parti del dataset del lago Vittoria separate dall’aumento rapido di livello del lago. Notare che i due spettri hanno la stessa struttura e che i massimi della parte più recente sono sfasati di un quantità legata al rapporto tra il periodo di 11 anni e un quantità intera.

Dalla figura 2 si vede che dopo il massimo del 1964 il livello diminuisce al ritmo medio di 22 mm/anno e non 29 come indicato in Alexander07. Gli spettri mostrano la stessa struttura ma con i massimi sfasati (il periodo 1964-2005 precede sempre quello 1896-1960). Anche se non ne comprendo bene il significato, noto che lo sfasamento, cioè la differenza tra due periodi equivalenti, è sempre una frazione a denominatore intero del periodo di 11 anni, come si vede meglio nella tabella successiva.

45.9-35.3 = 10.6 ~11/1
20.1-17.6 = 2.5 ~11/4
11.2- 9.6 = 1.6 ~11/8
7.0- 6.8 = 0.2 ~11/56
5.1- 4.8 = 0.3 ~11/32

Credo si possa dire che le forti piogge del 1962-64 hanno modificato notevolmente il livello del lago ma non il suo ritmo intrinseco di comportamento, e questo è messo in evidenza dalla figura 3 (pdf) che riprende, estendendola, la fig.5b di Alexander07.

 

Fig.3: Confronto tra il livello del lago (detrended dalle rette di fig.2) e il numero di macchie solari (SSN). Sono usati i numeri di macchie e non i più recenti numeri di gruppi (GN) sia per confronto con la fig.5b di Alexander07 sia perché i GN hanno l’ampiezza diversa dai SSN ma la stessa posizione.

La figura 3 è rilevante per diversi aspetti:

  1. mostra che dopo il 1920 la correlazione tra SSN e livello è ancora presente nettamente (tranne un debole evento in opposizione di fase) e questo contraddice le conclusioni di Hurst di una perdita di correlazione dopo il 1920, ritrovata dopo il 1964. Hurst non è una persona qualsiasi: ha studiato il livello del Nilo e da questo studio ha dedotto che le serie che usiamo abitualmente presentano una memoria a lungo e a breve termine: sono cioè autocorrelate e non devono essere trattate come se fossero composte da dati indipendenti (un accenno più approfondito si trova in https://wattsupwiththat.com/2017/07/20/sea-level-rise-accelerating-not/).
  2. Sottolinea che la presenza solare è importante, malgrado l’ampiezza relativamente piccola del massimo a 11.6 anni di figura 1. Evidenzia cioè che non sempre il criterio di un alto livello di confidenza per selezionare i massimi spettrali è buono o accettabile e che massimi meno visibili possono segnalare relazioni importanti.
  3. Non mi risulta che le variazioni di livello del lago siano state attribuite da qualcuno all’attività antropica. Rispetto ad una tale ipotesi penso però che la figura 3 sia la classica “immagine che dice più di mille parole”

La serie dei livelli del lago Vittoria dal 1992 al 2017 è disponibile dai dati satellitari, come combinazione delle osservazioni di una serie di satelliti (Topex, Jason-1, OSTM, Jason-3) ed è riportata in fig.4 (pdf) insieme al suo spettro.

Fig.4: Variazioni di altezza del lago Vittoria come anomalie rispetto alla traccia di riferimento di Jason-2. Si notano punti spuri dovuti alla sovrapposizione di due satelliti. Non è presente un periodo di circa 11 anni.

La lunghezza della serie (26 anni) non è sufficiente per definire i massimi spettrali a 78 e 40 anni e anche il massimo attorno a 15-20 anni non si può identificare bene. Di sicuro non si vede un massimo solare a circa 11 anni, a meno che anche questa serie partecipi al “gioco” illustrato da figura 2 in cui i massimi delle serie più brevi si spostano verso valori minori (ad esempio 11.2 anni, lunghezza 65 anni; 9.6 anni, lunghezza 42 anni; 8.4 anni, lunghezza 26 anni; oppure 7, 6.8, 5.9 anni) come la figura 5 (pdf) sembra mostrare

Fig.5: Spostamento dei massimi spettrali in funzione del periodo e della lunghezza della serie: oliva=65 anni; verde=45 anni; rosso=26 anni. La figura non è di facile lettura per cui in basso sono riportati i valori numerici dei periodi spettrali in anni e la frazione del periodo di 11 anni di cui un massimo si sposta rispetto al precedente.

Una conclusione possibile è che il livello del lago Vittoria racchiuda in sè, criptati, più elementi, difficili da evidenziare separatamente, e sicuramente una forte influenza solare, più forte di quanto una lettura tradizionale degli spettri lasci pensare.

 

  • Desidero ringraziare Luigi Mariani per l’importante contributo di discussione durante la stesura di questo articolo.
    Tutti i grafici e i dati, iniziali e derivati, relativi a questo post si trovano nel sito di supporto qui. Tuttavia il server zafzaf.it non sarà più raggiungibile tramite il nome, ma solo tramite il numero IP che però nel mio caso è variabile. Il link attuale è http://79.12.40.215/clima/cm90/cm90home.html e sarà mia cura aggiungere un commento al post quando questo numero cambierà. Su richiesta fornirò il numero IP del momento.

    Bibliografia

    1. Xugang Yin and Sharon E.Nicholson: Interpreting Annual Rainfall from the Levels of Lake Victoria, Journal of Hydrometeorology, 3, 406-415, 2002.
    2. Kite G. W.: Analysis of Lake Victoria levels , Hydrological Sciences Journal, 27:2, 99-110, 1982.

 

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