Extreme atlantic hurricanes statistical analyses

La probabilita che si verifichi un ciclone tropicale di intensita estrema e un fattore essenziale in un ampio numero di settori e riveste un ruolo cruciale nella valutazione del rischio metereologico, nella pianificazione delle emergenze, e nel campo assicurativo. Il metodo maggiormente utilizzato per questo tipo di analisi e basato sulla Teoria dei Valori Estremi (EVT). In questo contesto, l’approccio maggiormente utilizzato e Block Maxima (BM), che tratta la modellazione dei campioni di eventi estremi sulla base della distribuzione asintotica Generalizzata dei Valori Estremi (GEV). Ai fini della validita di questa ipotesi, si assume che la categoria dei valori estremi sia composta da un numero infinito di eventi. In realta, questo non e il caso dei cicloni tropicali di intensita elevata, a causa della loro sporadicita temporale. L’altra limitazione ben nota della teoria EVT classica e costituita dal fatto che solo un dato viene selezionato all’interno del periodo base di riferimento (solitamente un anno), riducendo cosi in modo significativo il numero delle osservazioni disponibili. Altri metodi alternativi sono stati proposti per superare questa limitazione, quali il metodo r-largest values, il metodo delle tempeste indipendenti (MIS) e il metodo Peak Over Threshold (POT). Anche quest’ultimo si basa sulla distribuzione GEV assumendo che l’occorrenza degli eventi sia un processo Poissoniano e che il superamento di una soglia di intensita elevata prefissata sia governato da una Distribuzione Generalizzata di Pareto (GPD). Queste ipotesi sono costruite ad hoc e possono essere facilmente violate a causa, per esempio, della variabilita tra anni diversi e per la clusterizzazione temporale dei cicloni. Inoltre, alcune decisioni soggettive devono essere prese per poter applicare questi metodi (ad esempio, la scelta di una soglia), le quali possono influenzare in modo importante la stima dei quantili e dei parametri della distribuzione di probabilita adottata. Nella prima parte della tesi, la teoria recentemente introdotta basata sulla distribuzione Metastatistica dei Valori Estremi (MEV) e stata applicata all’analisi dei cicloni tropicali di intensita estrema. La distribuzione MEV si basata su ipotesi meno restrittive rispetto a quelle assunte dalle teorie tradizionali EVT, considerando tutti gli eventi accaduti e non solo quelli estremi condensati nella coda superiore. Questo lavoro confronta dunque i risultati ottenibili con l’uso di MEV rispetto agli approcci classici basati su EVT. Le osservazioni della velocita massima del vento (MSW) relativa agli uragani verificatisi nel bacino dell’Oceano Atlantico nel corso di 132 anni e stato analizzato. La fonte dei dati utilizzati e lo US National Hurricane Center (Atlantic HURDAT2). I parametri della distribuzione GEV sono stati stimati utilizzando una serie di metodi tali da garantire la scelta dello stimatore ottimale. La distribuzione MEV e stata approssimata tramite una GPD per descrivere i valori “ordinari” di MSW all’interno di blocchi di tre anni ciascuno, utilizzando il metodo della Probability Weighted Moments (PWM). Alcuni test di statistici di significativita sono stati applicati sulla popolazione dei dati raccolti sul periodo complessivo (di durata L) diviso in due parti: un periodo della durata di S anni per la calibrazione del modello impiegato e un periodo di durata L-S per la validazione indipendente dello stesso tramite i test statistici. La suddivisione del periodo complessivo in due parti e stata eseguita sulla base di un sotto-campionamente temporale casuale, che ha portato a numerose realizzazioni dell’errore di stima. I risultati ottenuti con il metodo MEV sono mediamente superiori rispetto a quelli ottenuti con il diffuso metodo GEV, in particolare per quanto riguarda piccoli campioni ed elevati quantili. In modo specifico, il metodo MEV e caratterizzato da un errore quadratico medio inferiore rispetto a quello ottenuto con le tecniche EVT nel caso in cui la ricorrenza media degli intervalli considerati supera l’ampiezza del campione utilizzato per l’approssimazione. Questo e ovviamente il caso di maggiore interesse. Complessivamente, per quanto riguarda l’intensita degli eventi estremi nell’Oceano Atlantico, l’utilizzo di MEV fornisce un miglioramento significativo nella stima dei quantili superiori rispetto al tradizionale approccio basata su EVT. I valori ottenuti per i parametri della GPD mediante l’approccio MEV-GPD proposto suggeriscono la presenza di un limite superiore della velocita MSW nelle attuali condizioni climatiche. Questo limite e stato mediamente valutato pari a 88 ms-1 (o 170 nodi). La seconda parte di questo studio riguarda l’applicazione del nuovo metodo MEV-GPD per esaminare la presenza di una possibile tendenza nella probabilita, nella frequenza e nell’intensita degli uragani, nonche la connessione col cambiamento climatico. Esistono tre metodi diversi per stimare la presenza di una possibile tendenza non stazionaria nell’attivita degli uragani: il metodo dei Massimi, dell’Energia Accumulata dal Ciclone (ACE) e dell’Indice di Potenzialita Distruttiva (PDI). Purtroppo, utilizzando il solo metodo dei Massimi non e possibile ottenere un’analisi completa, mentre gli altri due metodi sono basati sulla valutazione di indici che risultano essere direttamente correlati con la durata dell’evento considerato. Questo vuol dire che una tempesta di maggiore durata genera valori di ACE o PDI piu alti rispetto ad una di breve durata ma di intensita superiore. In questo studio, la tendenza degli uragani estremi e analizzata sulla base della loro probabilita di occorrenza su base annuale. Una analisi mediante media mobile e stata condotta per studiare la probabilita che si sia verificato almeno un uragano di Categoria 5 per anno dal 1886 sino ad oggi. Questo studio ha evidenziato una tendenza a crescere nel lungo periodo dell’intensita degli uragani estremi. Alcuni studi sistematici hanno evidenziato come l’intensificazione di un uragano possa essere collegato al riscaldamento della superficie degli oceani, che puo essere misurata tramite la Temperatura Marina Superficiale (SST). Le analisi condotte in questo lavoro confermano questa relazione e suggeriscono un legame forte tra la probabilita/frequenza degli uragani e la SST. Infine, sulla base delle correlazioni tra i parametri della GPD, il numero degli eventi e la SST, e stato possibile stimare la proiezione della probabilita degli uragani estremi nel bacino dell’Atlantico fino al termine del secolo attuale. Quattro scenari sono stati valutati sulla base dei modelli climatici riportati nel CMIP5 in funzione della concentrazione dei gas serra. Tutti gli scenari portano ad una crescita della probabilita degli uragani di Categoria 5 durante i prossimi 40 anni. In funzione dello specifico scenario sulle emissioni considerate, questa crescita potrebbe arrivare ad essere estremamente critica e continuare dopo il 2060 (oltre il doppio nel caso dello scenario RCP8.5), oppure piu moderata fino a raggiungere una condizione stabile nel decennio 2050-2060.