Tempeste estreme

Microclimav0

Responsabile:Niccolò Calandri

Per calcolare il Rischio Tempeste estreme, utilizziamo le seguenti variabili [Copernicus Climate Data Store (CDS)]:

daily air temperature: temperatura media giornaliera (°C) dell'aria, a varie altitudini.
daily relative humidity: umidità relativa media giornaliera dell'aria, a varie altitudini.
daily eastward wind: media giornaliera della componente verso est della velocità del vento (m/s), a varie altitudini.
daily northward wind: media giornaliera della componente verso nord della velocità del vento (m/s), a varie altitudini.

Il Rischio Tempeste Estreme valuta il potenziale per lo sviluppo di fenomeni convettivi severi, come temporali violenti, grandinate di grandi dimensioni e tornado. Il rischio non si basa su una singola variabile, ma sull'identificazione di giorni in cui si verificano simultaneamente tre 'ingredienti' atmosferici fondamentali per la formazione di queste tempeste.

I tre indicatori chiave calcolati sono:

Wind Shear (Variazione del Vento con la Quota): La differenza di velocità e direzione del vento tra la bassa e l'alta atmosfera. Un elevato Wind Shear è cruciale perché permette ai temporali di organizzarsi, ruotare (formando supercelle) e durare più a lungo.
CAPE (Energia Potenziale Convettiva Disponibile): Misura l'instabilità dell'atmosfera, rappresentando il 'carburante' a disposizione di una tempesta. Valori elevati di CAPE indicano che una massa d'aria in ascesa accelererà violentemente verso l'alto, generando forti correnti e temporali potenti.
CIN (Inibizione Convettiva): Rappresenta uno strato di aria stabile vicino al suolo che agisce come un 'coperchio', ostacolando la formazione di temporali. Perché una tempesta si sviluppi, questo strato deve essere debole o assente (valori di CIN bassi o molto negativi).

Il Wind Shear è calcolato partendo dai dati di eastward wind (u) e daily northward wind (v), valutati alle altitudini di 1000hPa (circa 100m, “low”) e 500hPa (circa 5.5km, “up”), usando la seguente formula:

$\text{Wind Shear} = \sqrt{\Delta u^2 + \Delta v^2}$ dove $\Delta u = u_{\text{up}} - u_{\text{low}}$ e $\Delta v = v_{\text{up}} - v_{\text{low}}$ .

Gli indicatori CAPE e CIN sono calcolati utilizzando la libreria metpy, a partire dai dati di air temperature e relative humidity alle varie altitudini.

Un 'Giorno con Potenziale Severo' viene identificato quando tutti e tre questi indicatori superano contemporaneamente le rispettive soglie critiche: $\text{Wind Shear} > 18 \text{ m/s}$ , $\text{CAPE} > 1000 \text{ J/kg}$ e $\text{CIN} < -50 \text{ J/kg}$ . Il livello di rischio annuale è determinato dal conteggio totale di questi giorni (N_severe) durante l'anno.

La metodologia descritta per la valutazione del 'Extreme Storm Risk' è un'applicazione diretta e scientificamente rigorosa dell'approccio basato sugli 'ingredienti' (ingredients-based approach), che è il fondamento della moderna previsione di temporali violenti.

Questo metodo è considerato lo standard di riferimento perché non si limita a un singolo parametro, ma valuta la coesistenza delle condizioni atmosferiche necessarie per la genesi di fenomeni convettivi organizzati e severi.

Flash Flood Forecasting: An Ingredients-Based Methodology Questo è uno degli articoli che ha consolidato l'approccio basato sugli ingredienti per tutti i tipi di previsioni di eventi convettivi. Spiega che per avere un evento severo, non basta un singolo ingrediente (es. alta instabilità), ma è necessaria la loro sovrapposizione nello spazio e nel tempo. La nostra metodologia, che richiede la presenza simultanea di CAPE, basso CIN e Shear, è l’applicazione di questo principio fondamentale.

A Baseline Climatology of Sounding-Derived Supercell andTornado Forecast Parameters Questo studio fondamentale ha analizzato migliaia di profili atmosferici per identificare i valori di CAPE e Wind Shear più comunemente associati a temporali a supercella (la tipologia più pericolosa). Ha dimostrato che valori di Deep Layer Shear (0-6 km) di 18-20 m/s (35-40 nodi) e CAPE superiori a 1000 J/kg sono tipici degli ambienti che producono supercelle e tornado. Le nostre soglie sono quindi supportate da questa studio.
Storm Prediction Center (SPC) L'SPC fornisce linee guida operative per i suoi meteorologi che specificano i 'rules of thumb' per la previsione di temporali severi. Queste guide confermano che:
CAPE > 1000 J/kg indica instabilità moderata, sufficiente per temporali robusti.
Wind Shear (0-6 km) > 18 m/s (~35 nodi) è una soglia chiave per l'organizzazione dei temporali in sistemi più complessi e duraturi (supercelle).
CIN < -50 J/kg (o valori vicini allo zero) indica che il 'coperchio' è debole e facilmente superabile dalle correnti ascensionali, permettendo l'innesco della convezione.

The spatial distribution of severe thunderstorm and tornado environments from global reanalysis data Questo è un articolo pionieristico e tra i più citati nel campo, in cui autori seguono esattamente la metodologia da noi descritta: hanno utilizzato dati di rianalisi globale per contare il numero di giorni all'anno in cui i valori di CAPE e Wind Shear superavano simultaneamente le soglie critiche. In questo modo, hanno creato la prima mappa climatologica globale degli 'ambienti favorevoli' ai temporali severi. Studi più recenti utilizzano lo stesso metodo (contare i giorni $N_{\text{severe}}$ ) applicandolo ai modelli climatici per proiettare come il rischio di tempeste estreme cambierà in un mondo più caldo. In conclusione, la nostra metodologia riflette lo stato dell'arte. È un’ applicazione del paradigma basato sugli ingredienti (Doswell et al.), utilizza indicatori e soglie validati dalla ricerca e dalla pratica operativa (Rasmussen & Blanchard, SPC), e valuta il rischio annuale con un metodo standard nella climatologia dei fenomeni severi (Brooks et al.).

Fonti Dati e Riferimenti

Sorgenti

WRD_CDSCM_99

Metodologia

L'idea di scomporre la previsione di temporali severi in ingredienti chiave (instabilità, umidità, sollevamento e wind shear) è stata formalizzata e resa popolare da studi che hanno trasformato la meteorologia operativa.
• [Flash Flood Forecasting: An Ingredients-Based Methodology](Flash Flood Forecasting: An Ingredients-Based Methodology)
Questo è uno degli articoli che ha consolidato l'approccio basato sugli ingredienti per tutti i tipi di previsioni di eventi convettivi. Spiega che per avere un evento severo, non basta un singolo ingrediente (es. alta instabilità), ma è necessaria la loro sovrapposizione nello spazio e nel tempo. La nostra metodologia, che richiede la presenza simultanea di CAPE, basso CIN e Shear, è l’applicazione di questo principio fondamentale.

I tre indicatori utilizzati e le relative soglie sono parametri standard ampiamente documentati nella letteratura scientifica e utilizzati quotidianamente dai centri di previsione meteorologica, come lo Storm Prediction Center (SPC) statunitense, che è un'autorità mondiale in materia.
• [A Baseline Climatology of Sounding-Derived Supercell andTornado Forecast Parameters](A Baseline Climatology of Sounding-Derived Supercell andTornado Forecast Parameters)
Questo studio fondamentale ha analizzato migliaia di profili atmosferici per identificare i valori di CAPE e Wind Shear più comunemente associati a temporali a supercella (la tipologia più pericolosa). Ha dimostrato che valori di Deep Layer Shear (0-6 km) di 18-20 m/s (35-40 nodi) e CAPE superiori a 1000 J/kg sono tipici degli ambienti che producono supercelle e tornado. Le nostre soglie sono quindi supportate da questa studio.
• [Storm Prediction Center (SPC)](Storm Prediction Center (SPC))
L'SPC fornisce linee guida operative per i suoi meteorologi che specificano i 'rules of thumb' per la previsione di temporali severi. Queste guide confermano che:

CAPE > 1000 J/kg indica instabilità moderata, sufficiente per temporali robusti.
Wind Shear (0-6 km) > 18 m/s (~35 nodi) è una soglia chiave per l'organizzazione dei temporali in sistemi più complessi e duraturi (supercelle).
CIN < -50 J/kg (o valori vicini allo zero) indica che il 'coperchio' è debole e facilmente superabile dalle correnti ascensionali, permettendo l'innesco della convezione.

L'approccio di contare il numero di giorni all'anno in cui si verificano simultaneamente le condizioni favorevoli a temporali severi è il metodo standard utilizzato nella ricerca climatologica per studiare come il rischio di tempeste estreme potrebbe cambiare in futuro.
• [The spatial distribution of severe thunderstorm and tornado environments from global reanalysis data](The spatial distribution of severe thunderstorm and tornado environments from global reanalysis data)
Questo è un articolo pionieristico e tra i più citati nel campo, in cui autori seguono esattamente la metodologia da noi descritta: hanno utilizzato dati di rianalisi globale per contare il numero di giorni all'anno in cui i valori di CAPE e Wind Shear superavano simultaneamente le soglie critiche. In questo modo, hanno creato la prima mappa climatologica globale degli 'ambienti favorevoli' ai temporali severi. Studi più recenti utilizzano lo stesso metodo (contare i giorni $N_{\text{severe}}$ ) applicandolo ai modelli climatici per proiettare come il rischio di tempeste estreme cambierà in un mondo più caldo.
In conclusione, la nostra metodologia riflette lo stato dell'arte. È un’ applicazione del paradigma basato sugli ingredienti (Doswell et al.), utilizza indicatori e soglie validati dalla ricerca e dalla pratica operativa (Rasmussen & Blanchard, SPC), e valuta il rischio annuale con un metodo standard nella climatologia dei fenomeni severi (Brooks et al.).