Spatio-Temporal Disaggregation of CMIP6 Rainfall Datasets and Generation of Intensity Duration Frequency (IDF) Curves for Hyderabad Metropolitan City, India

Le città non sono solo collezioni di edifici; sono sistemi complessi e pulsanti dove il meteo si comporta diversamente rispetto alla campagna aperta. Quando cade una pioggia intensa, il terreno in una città non può assorbirla come può fare il suolo di una foresta. Invece, l'acqua scorre velocemente su cemento e asfalto, riempiendo scarichi e strade con una velocità terrificante. Per progettare i tubi e i canali che mantengono sicura una città, gli ingegneri si affidano a un tipo specifico di mappa chiamato curva intensità-durata-frequenza. Questa mappa non mostra la geografia, ma piuttosto la relazione statistica tra quanto forte piove, quanto dura la tempesta e quanto spesso si verificano tali tempeste. Dice ai pianificatori, ad esempio, quanta acqua debba gestire uno scarico se una tempesta fa cadere una certa quantità di pioggia in un'ora rispetto a sei ore. Tuttavia, queste mappe stanno diventando obsolete. Mentre il clima globale si riscalda, i modelli delle piogge si stanno spostando, diventando più erratici e intensi. Le vecchie mappe, basate su decenni di meteo passato, non riflettono più la realtà di un'atmosfera in mutamento.

La sfida per gli scienziati è che gli strumenti utilizzati per prevedere il tempo futuro, noti come modelli climatici globali, sono troppo grossolani per vedere i dettagli di una singola città. Questi modelli dividono il mondo in grandi griglie, spesso larghe centinaia di miglia, che sono troppo grandi per catturare i singoli e violenti scoppi di pioggia che allagano le aree urbane. Inoltre, questi modelli prevedono solitamente le precipitazioni in blocchi giornalieri, ma i sistemi di drenaggio urbano devono sapere cosa accade ora per ora. Per colmare questo divario, i ricercatori devono prendere le ampie previsioni giornaliere dei modelli globali e scomporle nei dettagli orari fini di cui hanno bisogno gli ingegneri. Questo processo prevede due fasi: prima, correggere i modelli affinché corrispondano alla storia meteorologica locale, e secondo, suddividere i totali giornalieri in schemi orari realistici.

Un team di ricercatori guidato da Naresh Aadhi e colleghi dell'Università di Osmania in India ha affrontato questo problema per Hyderabad, una massiccia regione metropolitana sull'altopiano del Deccan. Hyderabad affronta un mix climatico unico, situandosi all'intersezione tra condizioni tropicali umide e aridità semi-arida. La città dipende pesantemente dal monsone di sud-ovest per la maggior parte delle sue piogge, ma gli ultimi anni hanno visto una tendenza preoccupante: meno giorni di pioggia in totale, ma quelli che si verificano portano l'acqua con un'intensità pericolosa. Nel 2020, la città ha registrato oltre 250 millimetri di pioggia in un singolo giorno, causando gravi inondazioni. Per prepararsi a ciò che verrà, il team aveva bisogno di capire come queste tempeste estreme a breve durata potrebbero cambiare entro la fine del secolo. Si sono rivolti all'ultima generazione di modelli climatici globali, specificamente il Coupled Model Intercomparison Project Phase 6, che offre le più avanzate simulazioni del futuro clima terrestre.

I ricercatori hanno iniziato selezionando otto diversi modelli climatici globali per vedere quali potessero replicare meglio la storia delle precipitazioni di Hyderabad. Hanno utilizzato 4m 5 anni di registri reali delle precipitazioni da una singola stazione meteorologica della città, che va dal 1969 al 2013, come loro termine di paragone. Hanno testato i modelli rispetto a quattro caratteristiche chiave della pioggia: l'importo medio, la variabilità o quanto la pioggia fluttua da un giorno all'altro, il modello di ore umide e secche, e come la pioggia di un'ora si relaziona con quella successiva. I risultati sono stati rivelatori. Nessun modello era perfetto in tutto. Un modello, CNRM-ESM2-1, era il migliore nel riportare correttamente la media delle precipitazioni. Un altro, BCC-CSM2-MR, era il migliore nel corrispondere alle naturali oscillazioni della pioggia. Per quanto riguarda la tempistica delle fasi umide e secche, i modelli faticavano, prevedendo spesso troppe ore secche. Questa scoperta ha sottolineato una difficile verità per la scienza climatica: non esiste un singolo modello "migliore". La scelta di quale modello fidarsi dipende interamente da quale aspetto specifico della pioggia sia più importante per il compito in questione.

Una volta corretti i modelli per corrispondere al passato, il team doveva risolvere la seconda parte del puzzle: trasformare i totali di precipitazioni giornaliere in dati orari. Hanno testato tre diversi approcci matematici per farlo. Il primo, noto come modello di Bartlett-Lewis, tratta la pioggia come una serie di impulsi che si raggruppano insieme. Il secondo, la Cascata Microcanonica, scompone il giorno come un albero ramificato, suddividendo la pioggia totale in pezzi sempre più piccoli assicurando che l'importo totale rimanga lo stesso. Il terzo metodo, il K-Nearest Neighbor, lavora guardando i giorni passati con schemi meteorologici simili e prendendo in prestito le loro suddivisioni orarie per creare nuovi scenari realistici. Eseguendo questi tre metodi contro i modelli climatici globali corretti, il team ha generato migliaia di possibili sequenze orarie di precipitazioni future.

Con queste sequenze ad alta risoluzione in mano, i ricercatori hanno costruito nuove curve intensità-durata-frequenza per Hyderabad. Hanno esaminato due mondi futuri differenti: uno in cui le emissioni di gas serra sono stabilizzate a un livello medio, e un altro in cui continuano a salire a un ritmo elevato. Hanno esaminato due archi temporali: il futuro prossimo, dal 2015 al 2056, e il futuro lontano, dal 2057 al 2100. I risultati hanno dipinto un quadro chiaro e preoccupante per l'infrastruttura della città. Le simulazioni hanno suggerito che il rischio di tempeste estremamente brevi e intense sta aumentando significativamente. Sotto lo scenario di emissioni medie, i modelli hanno proiettato che le tempeste di un'ora potrebbero raggiungere intensità di circa 250 millimetri l'ora nel prossimo futuro. Si tratta di una quantità d'acqua sbalorditiva che cade in un tempo così breve. Anche le tempeste di tre ore sono state progettate per essere severe, raggiungendo circa 85 millimetri l'ora.

Interessante è che la gravità di questi brevi scoppi non è necessariamente aumentata con il progredire del secolo. L'intensità delle tempeste di una e tre ore nel futuro lontano (2057–2100) è rimasta ampiamente simile alle proiezioni del futuro prossimo, suggerendo che la città affronta un rischio accresciuto di questi tipi specifici di eventi estremi per il resto del secolo, indipendentemente dal fatto che le emissioni siano alte o medie. Tuttavia, la storia è diversa per le tempeste più lunghe. Le intensità di pioggia di sei e dodici ore, più tipiche della stagione dei monsoni, sono rimaste entro i range che la città ha storicamente sperimentato. Ciò indica che la minaccia primaria per Hyderabad non è un cambiamento nella durata della stagione delle piogge, ma un aumento drammatico della violenza dei rovesci più brevi e improvvisi.

Lo studio ha anche evidenziato quali strumenti funzionassero meglio per questo specifico compito. I ricercatori hanno scoperto che il metodo K-Nearest Neighbor e il metodo della Cascata Microcanonica erano particolarmente efficaci nel riprodurre i modelli delle tempeste più intense, specialmente se abbinati al modello globale MIROC6. Mentre altri modelli tendevano a sovrastimare l'intensità di picco delle tempeste di un'ora, il modello MIROC6 seguiva da vicino i trend storici osservati. Questo fornisce agli ingegneri una combinazione specifica e affidabile di strumenti da usare quando progettano i futuri sistemi di drenaggio. I risultati servono da avvertimento netto: le vecchie regole per costruire le infrastrutture cittadine non sono più sufficienti. Mentre il clima cambia, la città di Hyderabad, e di fatto molti centri urbani, deve prepararsi a un futuro in cui la pioggia più pericolosa cade nel minor tempo possibile, richiedendo una fondamentale ripensata su come gestire l'acqua nella giungla di cemento.