Nel corso dell’ultimo decennio in diversi Paesi, non solo europei, si è lavorato alla raccolta di dati omogenei sul territorio nazionale, climatologici e geomorfologici, relativi ai bacini idrografici. Tra queste risorse, il dataset più famoso è certamente CAMELS (Catchment Attributes and MEteorology for Large-sample Studies), ad oggi disponibile per paesi come Stati Uniti, Gran Bretagna, Svizzera, Brasile, Cile, Australia. In Italia informazioni di questo genere erano frammentate nel tempo e nello spazio, contenute in dataset parziali prodotti dalle diverse ARPA, oppure sviluppati nel contesto di pubblicazioni scientifiche o di progetti. Un primo passo avanti in questo senso è stato compiuto nel 2020, quando al Politecnico di Torino è stata realizzata la prima raccolta sistematica nazionale di dati sulle portate al colmo di piena, il Catalogo delle Piene dei Corsi d’acqua Italiani (http://www.idrologia.polito.it/web2/2020/10/tutte-le-piene-storiche-italiane-in-tre-volumi/).
A seguito di questa iniziativa, nel 2023, nel quadro del progetto PNRR Return, prende forma FOCA (Italian FlOod and Catchment Atlas), un dataset che integra l’informazione sulle piene per i 631 bacini idrografici censiti nel Catalogo con oltre 100 descrittori geomorfologici, di suolo, climatici e relativi alle piogge estreme. Utilizzando dati con copertura spaziale nazionale, FOCA assicura un’accuratezza uniforme su tutto il territorio italiano, con risoluzione spaziale non superiore a 1 km.
Il dataset è liberamente accessibile su Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.8060737), mentre una descrizione dettagliata dei suoi elementi e dei metodi usati è disponibile su Earth System Science Data (Articolo pdf).
Su Nature Geoscience un gruppo di ricerca comprendente Pierluigi Claps, Daniele Ganora e Alberto Viglione mostra che bacini idrografici caratterizzati da processi simili di generazione delle alluvioni producono eventi anomali simili. Da qui l’importanza di applicare metodologie che superino i confini nazionali e utilizzino informazioni raccolte su scala continentale per ridurre i rischi e salvare vite umane. La prima autrice del lavoro è Miriam Bertola, che ha svolto una tesi di laurea in Idrologia al Politecnico nel 2017. Undici dei molti autori dell’articolo sono italiani.
Piena dell’Ahr in Germania (2021)
Il gruppo di Idrologia del PoliTOha contribuito in particolare alla costruzione ed elaborazione dei dati relativi ai bacini idrografici italiani dotati di stazioni di misura delle portate grazie alla banca dati del ‘Catalogo delle Piene dei Corsi d’Acqua Italiani’.Grazie a questo lavoro, per la prima volta il nostro paese si trova rappresentato in una ricerca idrologica europea con un bagaglio di informazioni relativo a oltre 600 bacini e con osservazioni disponibili fin dagli anni ’20 del secolo scorso.
Le peculiarità del territorio italiano sono state anche discusse ampiamente su “Il Fatto Quotidiano“.
In Italia, la raccolta dei dati idro-meteorologici è stata gestita a livello nazionale dal Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale (SIMN) fin dai primi anni del 1900. Lo smantellamento del SIMN, effettuato circa 30 anni fa, ha avuto come conseguenza il trasferimento dei compiti di gestione della rete di monitoraggio e di raccolta dati ad un livello regionale, cioè a 19 Regioni e 2 Province Autonome. Questo cambiamento ha determinato problemi nella disponibilità di dati completi e omogenei per l’intero Paese.
Per quanto riguarda gli anni più recenti, i dati sono disponibili in formato digitale, facilmente utilizzabili da chi ne fa richiesta all’ente regionale di competenza. Le misure idrologiche storiche sono invece spesso disponibili solo nella versione stampata degli Annali Idrologici, prodotti dal Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale. In passato qualche lavoro di recupero di queste informazioni è stato effettuato ma i risultati ottenuti sono da considerarsi come parziali, limitati a qualche anno e/o qualche regione.
Questa mancanza di dati in formato digitale è un problema?
Decisamente sì! Uno dei maggiori problemi che idrologi e climatologi devono affrontare è il numero limitato di informazioni storiche che possono essere utilizzate per testare nuove metodologie o per addestrare modelli. Questa mancanza di informazioni è ancora più critica in una nazione come l’Italia, con una morfologia complessa e un clima che cambia da zona a zona.
Il recupero di questa notevole mole di dati non solo permetterebbe di comprendere meglio il clima del secolo scorso ma servirebbe anche a stimare come il clima e il ciclo idrologico potrebbero cambiare in futuro.
Perché è importante digitalizzare le serie storiche?
Prendiamo come caso studio il Piemonte. In Figura 1 abbiamo riportato una stima del numero di serie storiche delle portate medie giornaliere disponibili per ogni anno in Piemonte. Solamente le osservazioni più recenti, a partire dal 1995 (in grigio), sono disponibili in formato elettronico attraverso il portale dell’Arpa Piemonte.
Fig. 1: numero di serie storiche di portate medie giornaliere disponibili in Piemonte per anno. In azzurro sono indicate le serie storiche disponibili unicamente nei volumi degli Annali Idrologici.
Le serie meno recenti (prima del 1995, in azzurro) sono invece riportate nei volumi degli Annali Idrologici. Queste ultime rappresentano una porzione significativa e, in questo caso, maggioritaria, delle osservazioni di portata media giornaliera complessivamente disponibili in Piemonte. Tuttavia, un massiccio sforzo di digitalizzazione è necessario per renderle facilmente utilizzabili.
In Figura 2 è riportato un esempio di serie storica di portate giornaliere per il Fiume Tanaro a Montecastello. Le osservazioni dal periodo che va dal 1942 al 1985 sono disponibili negli Annali Idrologici, mentre solo le osservazioni dal 1996 al 2010 sono disponibili in formato elettronico. In Figura 2 sono anche riportate le serie delle portate medie in primavera ed autunno (in basso), con le relative medie di lungo termine nei due periodi. La differenza fra i valori di questi due periodi risulta chiaramente visibile e suggerisce la presenza di trend nel regime idrologico.
Questo esempio evidenzia l’importanza della digitalizzazione e della ricostruzione delle intere serie storiche, specialmente quando l’analisi di trend e cambiamenti nei regimi idrologici sono oggetto di studio.
Fig. 2: serie storica di portate medie giornaliere del Fiume Tanaro a Montecastello e portate medie in primavera (marzo, aprile e maggio) e autunno (settembre, ottobre e novembre). Le linee orizzontali indicano la media di lungo termine sui due periodi.
In altre parole… abbiamo bisogno del tuo aiuto per recuperare i dati storici!
Nell’ambito del progetto SIREN (Saving Italian hydRological mEasuremeNts) miriamo a digitalizzare questi dati coinvolgendo la popolazione nel processo di trascrizione degli Annali Idrologici.
La fase 1 del progetto SIREN sarà dedicata al recupero delle misure di portata giornaliera.
Perché abbiamo bisogno del tuo aiuto? Perché, semplicemente, non possiamo usare qualche software di riconoscimento ottico dei caratteri?
Nonostante i notevoli miglioramenti raggiunti negli ultimi anni dai software di riconoscimento ottico dei caratteri (OCR) e dalle tecniche di apprendimento automatico e di intelligenza artificiale, in molti casi l’approccio di digitalizzazione più accurato è ancora basato sulla trascrizione manuale.
La maggior parte di questi record sono stampati su vecchi documenti e l’inchiostro è parzialmente danneggiato. In queste condizioni, ad esempio, un “8” può essere facilmente identificato come “3” da un software.
Inoltre, queste tavole contengono diverse correzioni manoscritte eseguite da persone diverse, quindi con calligrafie diverse. Tutte queste peculiarità limitano l’applicabilità di approcci automatici standardizzati.
Se vuoi contribuire alla digitalizzazione di questi dati, su https://www.zooniverse.org/projects/siren-project/siren-project potrai trovare tutte le informazioni del progetto ed un tool per la digitalizzazione! Anche solo 10 minuti del tuo tempo saranno preziosi per il progetto!
Gruppo di ricerca formato da Paola Mazzoglio, Luca Lombardo, Alberto Viglione, Francesco Laio e Pierluigi Claps del Dipartimento di Ingegneria dell’Ambiente, del Territorio e delle Infrastrutture del Politecnico di Torino e da Miriam Bertola della Vienna University of Technology. Progetto lanciato dal Politecnico di Torino – Dipartimento di Ingegneria dell’Ambiente, del Territorio e delle Infrastrutture in occasione della Giornata Mondiale dell’Acqua, 22 marzo 2023.
Grazie ai dati del Centro Funzionale delle Marche ed ai dati ed alle elaborazioni svolte nell’ambito del lavoro di Dottorato di Ricerca di Paola Mazzoglio siamo in grado di commentare le caratteristiche di rarità dell’evento che ha sconvolto diversi centri urbani nel tratto alto del fiume Misa. Si tratta di un evento effettivamente di rarità estrema per il territorio italiano. Vediamo perché.
1 – Quali indicatori rappresentano efficacemente la rarità dell’evento?
L’evento pluviometrico è durato poco meno di dodici ore. Molto lungo per poterlo considerare un nubifragio “tradizionale”. È stato infatti più volte specificato che si tratta di una tipologia di “temporale autorigenerante”, finora visto praticamente sempre a ridosso del mare e talvolta (a torto o a ragione) denominato “Medicane”, una contrazione di “Mediterranean Hurricane”. I valori massimi misurati durante l’evento in diversi intervalli di tempo ci confermano la persistenza di forti intensità per molte ore, come si evince da Tabella 1.
Durata
1 ora
3 ore
6 ore
12 ore
24 ore
Altezza massima registrata (mm)
101.4
256.6
384
419
419
Intensità media nell’intervallo di ore (mm/h)
101.4
85.5
64.0
34.9
17.5
Medie di lungo periodo (Cantiano)
26.5
37.7
48.8
66.6
88.7
Tabella 1 – Valori pluviometrici massimi di evento osservati il 15/9 e medie degli estremi annui alla stazione di Cantiano (AN).
Con quali valori si devono confrontare questi dati per avere una misura della rarità?
È stato più volte richiamato il rapporto tra quanto è piovuto nella serata del 15 settembre e quanto piove in media in un anno in quella zona. Effettivamente il rapporto è molto significativo: a Cantiano in media piovono intorno ai 1300 mm/anno (Figura 1) ed il rapporto sarebbe del 30% circa. Non si tratta però di un valore particolarmente significativo. Valori storici decisamente più alti si sono avuti in altri eventi italiani del passato (vedasi Mazzoglio et al., 2020).
Figura 1 – Climatologia della zona: a sinistra la distribuzione delle medie degli estremi; a destra mappa delle piogge annue. La stella indica la posizione della stazione di Cantiano. Come si vede, nell’intorno della stazione le medie degli estremi risultano molto simili a quella della stazione considerata.
2 – Quali indicatori rappresentano efficacemente la rarità dell’evento?
Gli addetti ai lavori usano come classificazione di rarità il “periodo di ritorno” dell’evento, ovvero una misura di quanto “mediamente” si dovrebbe attendere per avere un superamento delle intensità rilevate. Tale nozione si presta ad un uso spesso improprio, per cui si ritiene più chiaro porre la rarità in termini di “probabilità di superamento” del valore osservato. Una probabilità di superamento dell’1% di un valor osservato indica un evento più raro rispetto ad un altro che ne abbia una del 5%. Da cosa si ottengono queste probabilità?
L’attribuzione della rarità statistica di un evento deriva dall’elaborazione dei dati storici misurati nella stessa stazione. Qui nasce un problema, che diventa molto serio quando i valori misurati non solo sono dei record storici nella stazione, ma sono anche notevolmente più elevati del precedente record. Come si vede in Figura 2, per la durata di 1 ora il record precedente era stato raggiunto nel 2017. In gergo tecnico questi nuovi valori “eccezionali” si chiamano “outliers”. Essendo tali valori apparentemente “estranei” rispetto a tutti quelli che li hanno preceduti, usare le “regole” che vigevano fino all’apparire del nuovo valore presenta forti incertezze. Una discussione sulle difficoltà della determinazione di questa probabilità di superamento si può trovare in Laio et al., 2010. Allora, come si può procedere senza incorrere in grandi complicazioni?
Figura 2 – Serie storica dei massimi annui di precipitazione per 5 diverse durate (1, 3, 6, 12 e 24 ore) del pluviometro di Cantiano, con indicazione degli estremi registrati nell’evento del 15 settembre.
3 – Il confronto tra i valori di “Severità Relativa” dei record storici italiani
Grazie al lavoro svolto nel compilare il database I2-RED è possibile fornire elementi oggettivi che possono dare una misura comparativa della rarità dell’evento delle Marche. Vediamo come, definendo la Severità Relativa (SR) osservata di un evento pluviometrico.
Stabilita una durata di riferimento, ad esempio 3 ore, questo indicatore è costruito come rapporto tra l’altezza di pioggia (massima) osservata in 3 ore durante l’evento e la media dei valori massimi annui storicamente osservati in 3 ore. Nel caso dell’evento osservato a Cantiano tale rapporto è pari a 256.6/37.7 = 6.81.
Da dove deriva il dato al denominatore? È estratto dalle serie storiche delle osservazioni effettuate dal pluviometro di Cantiano, serie che hanno una lunghezza di più di 70 anni, quindi estremamente lunghe ed affidabili nel contesto italiano. Ripetendo questa operazione per le altre durate i risultati sono:
per la durata di 1 ora, SR = 3.82;
per la durata di 3 ore, SR = 6.81;
per la durata di 6 ore, SR = 7.87;
per la durata di 12 ore, SR = 6.29;
per la durata di 24 ore, SR = 4.72.
Affinché si possa avere un’idea dell’enormità di questi valori, abbiamo rifatto la stessa operazione per gli eventi pluviometrici che hanno segnato -recentemente- i record assoluti di sempre in Italia.
DURATA 1 ORA: record storico 181 mm a Vicomorasso nel 2011.
Media, calcolata prima del dato del 2011: 52.8 mm.
SR = 3.43.
DURATA 3 ORE: record storico 377.8 mm a Urbe – Vara Superiore nel 2021.
Media, calcolata prima del dato del 2021 = 114.0 mm.
SR = 3.31.
DURATA 6 ORE: record storico 496 mm a Montenotte Inferiore nel 2021.
Media, calcolata prima del dato del 2021 = 93.4 mm.
SR = 5.3.
Da un veloce sguardo a Figura 3, che mette a confronto le Severità Relative dell’evento di Cantiano con quelle dei tre record italiani di 1, 3 e 6 ore, emergono chiaramente le caratteristiche di rarità dell’evento delle Marche.
Figura 3 – Severità relative dell’evento di Cantiano, Vicomorasso, Urbe – Vara Superiore e Montenotte Inferiore.
4 – Considerazioni sulla rarità dell’evento
Sulle basi documentali sopra riportate si può facilmente immaginare l’entità del fattore “sorpresa” che tale evento ha suscitato in coloro che vivono e operano nell’area colpita il 15 settembre. Al confronto, in Liguria, luogo dove molti record italiani sono stati registrati e più volte superati, le piogge molto intense rappresentano qualcosa con cui la popolazione sta facendo i conti già da molti anni. Le medie molto più alte lo testimoniano chiaramente.
Anche prima di attendere valutazioni di dettaglio sulla natura fenomenologica dell’evento delle Marche, il solo confronto tra i valori misurati e quelli derivanti dalla climatologia storica della zona mostrano come ci siano pochi dubbi sul fatto che ci si trovi davanti ad un evento assolutamente straordinario in termini di Severità Relativa sul territorio italiano. La collocazione (definita “insolita” dai meteorologi) del temporale autorigenerante testimonia proprio questo. In termini di adattamento al cambiamento climatico, eventi di questo tipo richiedono nuovi ed importanti impegni di ricerca, sviluppo delle metodologie e preparazione della popolazione.
In uno studio pubblicato su HESS (https://doi.org/10.5194/hess-26-1659-2022), Paola Mazzoglio, Ilaria Butera, Massimiliano Alvioli e Pierluigi Claps hanno analizzato ed approfondito il ruolo della morfologia sulla variabilità spaziale dei nubifragi italiani. Tale lavoro è stato possibile grazie ad I2-RED (https://doi.org/10.3390/w12123308), il dataset che il gruppo di lavoro ha recentemente realizzato per unire ed integrare gli estremi di precipitazione di breve durata registrati dal 1916 ad oggi.
Nello studio si è mostrato che la pioggia varia con la quota, ma non sempre nello stesso modo. L’andamento intuitivo di aumento della pioggia con la quota, noto come “effetto orografico”, è confermato per eventi lunghi (estremi di 24 ore) mentre le piogge molto brevi mostrano un effetto opposto in molte aree del territorio nazionale. La distinzione tra zone caratterizzate da due meccanismi diversi è delicata, ed ha richiesto l’impiego di criteri a base geomorfologica. Mentre si indaga ancora sui meccanismi alla base di questi distinti comportamenti è importante poter contare su mappe dettagliate relative ai gradienti positivi e negativi di pioggia, per prevedere l’entità dei nubifragi in zone prive di strumenti di misura, cosa necessaria per la revisione delle opere idrauliche di contrasto alle piene urbane.
L’entità della variazione dell’altezza media degli estremi di 1 e 24 ore con la quota è stata rappresentata in maniera quantitativa nelle figure (a) per la durata di 1 ora e (c) per la durata di 24 ore. In tali mappe sono state indicate in scala di rosso le aree in cui si osserva una riduzione dell’altezza di pioggia con la quota, mentre in scala di blu sono mostrate le aree in cui si ha un incremento. Le figure (b) e (c) rappresentano invece la distribuzione spaziale dell’altezza media di pioggia per entrambe le durate.
È disponibile la Guida al Contenuto del WebGIS collegato al sito www.resba.it. Il servizio, sviluppato nell’ambito del progetto RESBA (“REsilienzadegli SBArramenti-RESiliencedesBArrages”), permette la consultazione di dati relativi alle massime portate transitate per diverse durate, alle caratteristiche dei bacini idrografici e delle dighe in Piemonte e Valle d’Aosta.
Con il Consorzio Interuniversitario di Idrologia CINID abbiamo pubblicato la raccolta in tre volumi del patrimonio di dati storici relativi alle portate al colmo e giornaliere massime annue di tutti i bacini già censiti nella Pubblicazione N.17 del Servizio Idrografico Italiano, integrato con serie storiche di stazioni gestite negli ultimi 40 anni dalle reti regionali di monitoraggio. Sono anche presenti alcune schede relative a dighe di interesse nazionale. In tutto sono presenti 632 stazioni, per complessive 1437 pagine, e i dati più recenti sono relativi all’anno 2015. La consultazione del formato e-book Kindle è possibile su qualsiasi piattaforma (anche PC – mac) utilizzando l’apposita applicazione distribuita da Amazon. Sono anche disponibili i volumi in formato cartaceo.
I nubifragi stanno effettivamente aumentando in frequenza ed intensità o è solo l’aumento della nostra attenzione a dare questa sensazione? Per dare indicazioni quantitative serviva una banca dati nazionale. Questa banca dati è diventata realtà grazie al lavoro di PhD di Andrea Libertino ed è stata chiamata I-RED. Aggiornamento: nel dicembre 2020 è stata pubblicata la nuova versione del database (I2-RED), grazie al lavoro di Paola Mazzoglio.
E’ quindi possibile condurre studi sistematici scala nazionale sui nubifragi dell’ultimo secolo. Geophysical Research Letter ha pubblicato un’analisi che esamina anche l’andamento temporale dei superamenti di record (record-break) che avvengono quando viene superato il valore massimo assoluto -in tutta Italia e a partire dall’inizio delle misure- di precipitazione in d ore. Questa analisi consente di verificare se si possono considerare in aumento le frequenze delle ‘bombe d’acqua’ quali effettivamente sono i nubifragi da record. Un costante trend crescente nella frequenza di record-breaking è avvertibile negli ultimi decenni, anche se non ancora statisticamente significativo (riquadri in basso). L’intensità dei nubifragi è invece in evoluzione nel tempo. In alcune aree del paese gruppi di stazioni mostrano trend crescenti significativi (triangoli rossi) e la loro correlazione spaziale richiama l’attenzione sull’aumento della pericolosità di questi fenomeni in queste regioni. In altre, invece, con i dati 1925-2015, non si ritrova aumento ma piuttosto una diminuzione delle intensità estreme (triangolo ed aree blu). La natura, la rilevanza e la distribuzione spaziale di tali trend sono strettamente legate alla durata considerata (la mappa è relativa ai nubifragi di 1 ora) e quindi ai diversi meccanismi di generazione delle piogge torrenziali, oltre che alle caratteristiche orografiche dell’area in analisi.
Rendere disponibili a tutti gli Annali Idrologici e soprattutto la “Pubblicazione n. 17” è un modo banale ma concreto per aiutare il paese a dotarsi del livello minimo di dati idrologici e climatologici degno del suo rango, e anche della tradizione degli ingegneri idraulici italiani.
Con la pubblicazione dei metodi utilizzati per compilare il lungamente atteso Database Nazionale degli Estremi Pluviometrici, denominato I–RED, si mette un tassello verso una riconciliazione idrologica nazionale.
E’ ora di intraprendere iniziative per una solidarietà idrologica e climatologica delle Regioni Italiane. Abbiamo bisogno di dati omogenei a scala nazionale per conoscere il nostro clima ed i suoi cambiamenti. Noi ci siamo.
Libertino A., D.Ganora and P. Claps. Technical note: Space-time analysis of rainfall extremes in Italy: clues from a reconciled dataset. Hydrology and Earth System Sciences 2018, 22, 2705-2715, doi: 10.5194/hess-22-2705-2018
