La necessità di ridurre le incertezze sull’evoluzione futura del sistema Terra dipende principalmente da modelli numerici più accurati, in grado di rappresentare l’interazione tra cambiamenti globali, variabilità climatica regionale e variazioni dello stato climatico ed eventi estremi. L’attenzione è rivolta allo sviluppo e all’implementazione di modelli all’avanguardia, capaci di simulare e prevedere con precisione la variabilità del sistema Terra su diverse scale spaziali e temporali, ponendo particolare enfasi sulla rappresentazione delle interazioni chiave tra le componenti del sistema Terra che influenzano la variabilità e influenzano i modelli climatici globali e regionali. Il framework di modellistica deve rispondere sia alle esigenze della ricerca climatica e ambientale, sia a quelle delle attività scientifiche e operative del CMCC.

Gli eventi estremi stanno diventando sempre più frequenti in diverse regioni, incluso il bacino del Mediterraneo, al contempo gli scienziati avvertono come il cambiamento climatico renda tali eventi più intensi e più ricorrenti. Il nostro obiettivo è migliorare la capacità dei modelli di sistema Terra (ESM) del CMCC, su scala globale e locale, di prevedere gli stati del clima, con particolare attenzione alla previsione accurata di eventi estremi come ondate di calore, mareggiate, cicloni tropicali e siccità. Previsioni affidabili sono essenziali per comprendere gli impatti sociali ed ecologici degli eventi estremi e per supportare strategie di mitigazione del rischio, fornendo informazioni climatiche operative non solo a termine breve, medio e stagionale, ma anche su orizzonti decennali.

I pericoli naturali, quali eventi meteorologici e fenomeni oceanici estremi, sono aggravati dai cambiamenti climatici. Di conseguenza, le risposte alle emergenze diventano sempre più prolungate, costose, frequenti e mettono sotto pressione le limitate risorse disponibili. Questo fenomeno è particolarmente evidente nelle regioni che si stanno riscaldando rapidamente. È necessario affrontare queste sfide fornendo soluzioni innovative per garantire previsioni degli impatti e dei costi precise e attuabili, oltre a sistemi di allerta precoce (EWS) che supportino il rapido dispiegamento dei soccorritori nelle aree vulnerabili. Una delle sfide è consolidare le capacità a breve termine e determinare in che misura le anomalie stagionali di alcuni campi su larga scala, potenzialmente in grado di produrre eventi estremi, possano essere utilizzate come condizioni di Allerta Precoce, con l’obiettivo finale di rispondere alle esigenze di pianificazione delle autorità locali (ad esempio, gestione del paesaggio, pianificazione dell’adattamento costiero, manutenzione urbana).

La comprensione dei processi critici nella dinamica del Sistema Terra, come l’atmosfera, le onde, le interazioni tra calotte glaciali e oceano, l’idrologia (inclusa la falda acquifera), il feedback vegetazione-clima e i cicli biogeochimici, è essenziale per cogliere le complesse relazioni non lineari che regolano i cicli di energia, acqua e i clicli geochimici. L’obiettivo è approfondire la conoscenza dei meccanismi alla base della variabilità climatica, della prevedibilità climatica e della relazione tra clima ed eventi estremi, utili al miglioramento delle previsioni operative a breve termine, stagionali e decadali del CMCC. Vengono investigate nuove fonti di prevedibilità e l’importanza relativa delle componenti e delle configurazioni dei modelli per i diversi orizzonti temporali e scale spaziali.

Nei prossimi decenni, un’aggressiva decarbonizzazione dell’economia dovrà essere accompagnata da rimozioni sostanziali di carbonio dall’atmosfera, su terra e oceani, sia attraverso processi ecosistemici sia, potenzialmente, tramite soluzioni ingegneristiche come la cattura diretta dall’aria (DAC). Migliorare la rappresentazione dei flussi di carbonio tra atmosfera, suolo e oceani è fondamentale per valutare il Bilancio Globale del Carbonio ed esplorare opzioni di mitigazione. Una comprensione più dettagliata di questi processi è cruciale per valutare la fattibilità, l’efficacia e la scalabilità delle tecniche di rimozione dell’anidride carbonica (CDR), come parte delle strategie di mitigazione dei cambiamenti climatici. L’obiettivo è sviluppare una serie di framework di modellistica a supporto della gestione integrata del carbonio in un mondo che supera i propri obiettivi climatici. Gli scenari generici del Coupled Model Intercomparison Project (CMIP) sono integrati da scenari specifici sulla sostenibilità delle soluzioni che affrontano le sfide emergenti, come l’acidificazione e il sequestro del carbonio, con l’implementazione esplicita delle tecniche CDR all’interno dei modelli di sistema Terra (ESM) e la valutazione delle vie di intervento.

La missione è sviluppare sistemi di assimilazione dei dati più avanzati e innovativi, che sfruttino tecniche e metodologie all’avanguardia per produrre analisi di alta qualità del sistema Terra, permettendo una comprensione più profonda dello stato del sistema e fornendo le migliori condizioni iniziali per previsioni accurate e affidabili su diverse scale temporali (dal breve termine alle previsioni stagionali e decadali). L’obiettivo è quello di integrare le attività di assimilazione dati delle diverse componenti del sistema Terra, portando a un sistema di assimilazione dati accoppiato che coinvolga atmosfera, oceano, suolo e ghiaccio. Le attività includono lo sviluppo di strumenti digitali e flussi di lavoro per la raccolta, gestione e controllo qualità dei dati osservativi, provenienti sia da piattaforme satellitari sia da fonti convenzionali, che verranno poi assimilati per approfondire la comprensione degli impatti dell’integrazione dei dati osservativi sulla dinamica globale e regionale e per produrre lunghe serie di rianalisi utilizzabili per studiare la variabilità e le tendenze climatiche e alimentare modelli basati sui dati. Questo approccio integrato garantisce una comprensione olistica dei processi interconnessi che modellano il pianeta.

L’area di ricerca si concentra sull’avanzamento della conoscenza scientifica riguardo ai processi multi-fisici, multi-scala e interscalari che regolano il ciclo dell’acqua dalle scale globali a quelle regionali e costiere, attraverso l’integrazione di modelli numerici che comprendono atmosfera, onde, idrologia, idrodinamica marina, biogeochimica, allagamenti, erosione costiera e trasporto di sedimenti. La strategia di modellistica promuove lo sviluppo e l’uso combinato di modelli a griglia strutturata (differenze finite) e non strutturata (elementi finiti), così come approcci basati sulla fisica e sul machine learning. Per migliorare la conoscenza dei cambiamenti climatici e della sua variabilità a scale rilevanti per i decisori politici e le autorità locali, utilizziamo il downscaling climatico con tecniche di nesting multiplo e/o accoppiamento bidirezionale, insieme ad approcci dinamici e statistici.

Sfruttiamo intelligenza artificiale e machine learning per potenziare i modelli del sistema Terra (ESM) migliorando la parametrizzazione dei processi non risolti, sviluppando modelli basati sui dati e ibridi che combinano approcci fisico-matematici e data-driven, e creando emulatori computazionalmente efficienti per simulazioni a lungo termine e ad alta risoluzione. Queste innovazioni mirano ad accelerare lo sviluppo dei modelli, inclusi gli approcci di downscaling, strumenti avanzati di post-processing per migliorare l’estrazione del segnale dal rumore, consentire dimensioni di ensemble più ampie e migliorare la capacità predittiva.

La frontiera fisica, ecologica e infrastrutturale tra terra e oceano è un sistema dinamico vulnerabile ai cambiamenti climatici, la cui gestione è centrale per il futuro in un mondo che cambia. Le regioni costiere ospitano milioni di persone e settori economici che governano una parte sostanziale dell’economia globale. È oggi fondamentale valutare soluzioni di adattamento climatico ed esplorare scenari “what-if” per supportare la riduzione del rischio di catastrofii, affrontare scenari costieri multirischio (ad esempio mareggiate, allagamenti, erosione costiera, innalzamento del livello del mare), supportare la crescita blu sostenibile, inclusa l’acquacoltura e le Aree Marine Protette (AMP), le energie rinnovabili, e gli sforzi di conservazione e restauro finalizzati a preservare i servizi ecosistemici e l’adattamento delle comunità costiere.

Un framework multi-fisico a scala locale e delocalizzabile (circolazione–onde–sedimenti–vegetazione–allagamenti) è progettato per migliorare il realismo dei processi costieri, integrato nei Digital Twins dell’Oceano Costiero, in grado di produrre scenari what-if e fornire supporto per soluzioni ispirate alla natura (NbS). I progressi nel cloud computing e nelle infrastrutture di analisi dati supportano una gestione efficiente dei dati e alimentano il nostro Digital Twin dell’Oceano (DTO) per simulazioni complesse e previsioni.

Altre “Soluzioni Marittime” affrontano le sfide sociali legate alle attività umane in mare, focalizzandosi su problematiche ambientali derivanti dal trasporto marittimo, dall’uso di combustibili fossili, dagli sversamenti di petrolio e dalla plastica, contribuendo agli sforzi internazionali per la decarbonizzazione e la lotta all’inquinamento marino. Queste soluzioni integrano dati marini, meteorologici, in-situ e da telerilevamento per sviluppare strumenti numerici che ottimizzano l’uso delle risorse e supportano il processo decisionale.

L’attenzione è rivolta allo sviluppo e all’implementazione di sistemi di osservazione avanzati, distribuiti e delocalizzabili, inclusi quelli basati su sensori a basso costo e citizen science, per studiare l’oceano costiero globale e supportare esperimenti scientifici, assimilazione dati e validazione dei modelli, sistemi di allerta precoce multirischio, nonché gli sforzi di conservazione e restauro finalizzati a preservare i servizi ecosistemici e l’adattamento delle comunità costiere. Lo sviluppo e la diffusione di tecnologie rilocabili, autonome e a basso costo facilitano la validazione dei modelli numerici e l’implementazione di sistemi di osservazione costiera innovativi.