La classificazione di  un sito viene normalmente eseguita con l’ausilio di alcuni indici  che utilizzano  i valori mensili ed annuali di temperatura dell’aria, umidità relativa e pioggia. Si riportano qui sotto alcuni degli indici climatici più usati.

2.1 Indice di   KOPPEN

L’indice di Koppen (1936) classifica il clima di un sito da un punto di vista strettamente termico in questo modo: 

- clima tropicale, quando la Tmedia mensile > 20°C; 

- clima subtropicale,se da 4  a 11 mesi, la Tmedia  è > 20°C, mentre da  da 1 a 8 mesi è compresa tra 10° e 20°C;

- clima temperato,quando si hanno  meno di 4 mesi con Tmedia >  20°C, da 4 a 12 mesi  con Tmedia fra 10° e 20°C  e meno di 4 mesi con Tmedia < 10°C;

- clima freddo,  quando si hanno  da 1 a 4 mesi con Tmedia fra 10 e 20°C e da 8 a 11 mesi con Tmedia <10°C;

- clima polare, se tutti i 12 mesi hanno Tmedia < 10°C.

Utilizzando la classificazione  di Koppen  ed utilizzando la tavola I, il clima di Napoli può essere considerato di tipo  subtropicale.

2.2 INDICE  di  CONTINENTALITA’ di Ivanow

 L’indice K  di Ivanow  (Pinna, 1977) classifica il carattere  di continentalità e di marittimità  di un sito con la seguente formula:

                        K = (AJ+AT+0.25 DF)/(0.36 j+14) x100

dove AJ  = escursione termica annua, AT = escursione diurna media, DF = quantità mancante alla saturazione, cioè il complemento a 100  dell’umidità relativa e  j =  latitudine. Lo schema di classificazione di Ivanow è qui sotto riportato:

Sostituendo i valori per Napoli  pari a    AJ  = 16.0°C;  AT = 8.2°C ; DF  = 38;   j = 41° si ottiene   K = 117.

Utilizzando la classificazione di  Ivanow,  il clima di Napoli può essere considerato  debolmente continentale.

2.3 INDICE DI ARIDITA’ di  DE  MARTONNE

L’indice A di aridità di De Martonne  (1941)  classifica il carattere  di aridità  di un sito  con la seguente formula:

A= P/(T+10)

dove  P = precipitazione annuale; T = temperatura media annua

Lo schema di classificazione di De Martonne è qui sotto riportato:

Sostituendo i valori per Napoli  pari a P = 865.6 mm , T =17.4°C  si ottiene: 

A= 865.6/(17.4+10) = 31.6

U0tilizzando  la classificazione di De Martonne ed utilizzando la tavola I, il clima di Napoli può essere considerato al limite tra i tipi  subumido e umido.

3. TEMPERATURA  DELL’ARIA

3.1 VARIAZIONI STAGIONALI

E’ largamente diffusa nell’opinione dei napoletani  la convinzione  che le stagioni intermedie  siano scomparse  e che si passi improvvisamente dall’inverno all’estate. Manca però una evidenza rigorosa dal punto di vista statistico di tale convinzione ed il motivo è da ricercarsi  soprattutto  nell’inadeguatezza dei metodi utilizzati e dei parametri meteorologici utilizzati. L’analisi della temperatura dell’aria eseguita sulle serie delle temperature medie giornaliere non fornisce quasi mai  buoni risultati  perchè il valore medio  giornaliero non è per nulla rappresentativo dell’andamento quasi sinusoidale della temperatura dell’aria nell’arco del giorno; i valori della temperatura dell’aria,  misurata con una cadenza specifica, capitano molto più frequentemente intorno al  minimo ed al   massimo giornaliero, dove la variazione della derivata  è minima,  che  intorno  al valore medio giornaliero dove la variazione della derivata  è molto rapida; le temperature  minima Tmin  e massima  giornaliere   Tmax  sono direttamente misurabili con  termometri a minima e a   massima e   rappresentano  il valore della temperatura dell’aria in corrispondenza  di   bilanci energetici minimo e massimo  fra la   radiazione corta incidente  del Sole e quella lunga reirradiata lunga dalla Terra. Da qui la superiorità di una analisi  che utilizzi le temperature dell’aria estreme giornalere. Per verificare, allora, una possibile  variabilità stagionale  della temperatura dell’aria,  sono state analizzate le medie mensili di Tmin e Tmax e, per ciascuno dei  12 mesi, sono state  calcolate  le variazioni secolari di temperatura (Palumbo and Mazzarella, 1984). I risultati sono riportati in Tavola II:

Aumento delle temperature medie mensili  minime e massime osservate a Napoli dal 1872 al 2005

La tavola II mostra che l’aumento maggiore  capita  nei mesi di maggio e di settembre per le  Tmin e  nei mesi di giugno e di agosto per le Tmax, indicando che le temperature minime di maggio e di settembre  tendono a quelle di giugno e  di agosto, mentre le temperature massime di giugno  tendono a quelle di luglio e  di agosto. Ne consegue che la durata dell’estate a Napoli sta effettivamente  aumentando a discapito  delle stagioni equinoziali. 

3.2 VARIAZIONI SECOLARI

Nella tavola III sono riportati i valori medi  per quinquenni della Tmin e  Tmax dal 1872 al 2005,  in quanto l’analisi dei dati medi ottenuti per ragguppamenti di più anni ha mostrato che la media su 5 anni fornisce il valore ottimale della stabilità statistica.  I dati delle Tmin    e Tmax sono stati riportati anche per le stagioni invernali (novembre, dicembre, gennaio, febbraio)  ed estive (maggio,  giugno,  luglio, agosto).

Tavola III

Valori  delle temperature medie minime e massime osservate a Napoli dal 1872 al 2005

In figura  sono riportati gli stessi valori medi  quinquennali delle temperature minime e   massime riportati in Tavola 1 ma espressi  come anomalie   rispetto al valore medio del trentennio  1961-1990, scelto come riferimento delle variazioni di temperatura a scala globale (Folland et al., 2001). Incrementi statisticamente significativi  di 2.3°C si sono riscontrati nelle Tmin e, più accentuatamente,  nelle Tmin  in estate; diversamente  nessuna delle  serie delle Tmax mostra alcuna variazione staticamente  significativa. Questo probabilmente  perché la  Tmin è un parametro più stabile,  perché normalmente misurato  alla fine della notte quando l’atmosfera è più quieta,  e  la  Tmax   è un parametro più instabile perché normalmente misurato nel pomeriggio  quando l’atmosfera è più turbolenta a causa dei moti convettivi  (Mazzarella e Ciatti, 1986).  

4.    PRECIPITAZIONI PIOVOSE

Manca una evidenza statistica rigorosa della cosiddetta tropicalizzazione delle piogge, ossia del cambiamento del regime pluviometrico con  piogge giornaliere che tendono  a  distribuirsi in maniera sempre più irregolare nell’arco dell’anno e con rovesci sempre più intensi e localizzati. Il motivo è da ricercarsi  nel fatto che, a tutt’oggi,   il clustering delle precipitazioni giornaliere  è misurato  con il numero dei giorni piovosi che capitano all’interno di un determinato periodo senza prendere minimamente in considerazione le irregolarità della distribuzione dei giorni piovosi   all’interno del periodo  esaminato.  Per superare questa limitazione,  si è  rivolto l’attenzione alla geometria frattale  (Mandelbrot, 1983) che cerca di superare  le inadeguatezze  delle geometria topologica ed euclidea introducendo la dimensione frattale (dal latino fractus = frazionario). Le dimensioni topologica  (DT) ed euclidea (DE) di insiemi geometrici assumono solo valori interi 0,1,2,3 (per alcuni insiemi  possono essere uguali) differentemente dalla dimensione frattale che, tenendo conto delle irregolarità della distribuzione degli elementi dell’insieme, assume  tutti i valori frazionari compresi fra 0 e 3 . Si è applicato l’algoritmo frattale della Polvere di Cantor (vedi appendice) al catalogo giornaliero di eventi piovosi registrati a Napoli dal 1872  (Mazzarella, 1999); si è  diviso l’intervallo t0, all’interno del quale sono compresi tutti gli eventi del catalogo,  in una serie di n più piccoli intervalli di lunghezza t = t0 /k con  k = 2,3,4.. e si  è calcolata  la percentuale  R = N/k di N intervalli di lunghezza  t occupati da almeno un  evento. La stima della dimensione frattale D  è ottenuta risolvendo la relazione di potenza non lineare :                           

R = C t(1-D)

o, equivalentemente, su un piano log-log, la relazione lineare:

                                               log(R) = log(C) + (1-D) log(t)              

dove C è una costante .  Per calcolare la significatività  della variazione secolare della dimensione frattale D, si sono seguiti due criteri  diversi:  con il primo criterio si è  calcolata  la dimensione frattale per successivi intervalli di 3 anni ,  mentre con il secondo criterio si è  calcolata la dimensione frattale per successivi 500 piovosi eventi. Dalle figure 5a e 5b, emerge una netta e statiscamente  significativa  diminuzione nel tempo della dimensione frattale, ad indicare che le piogge giornaliere tendono a distribuirsi in maniera sempre più irregolare durante l’anno e con rovesci sempre più isolati e localizzati nell’arco degli anni (Mazzarella, 2001).

Nella tavola IV è riportato  il catalogo delle precipitazioni maggiori di 80 mm cadute nell’arco delle 24 ore, in almeno una delle seguenti stazioni prese a riferimento all’interno della città di Napoli: l’Osservatorio Metorologico dell’Università di Napoli  Federico II, l’ex Servizio Idrograficio e Mareografico (Annali Idrologici dell’Ufficio  Idrografico e Mareografico di Napoli, 2000),  e l’Osservatorio Astronomico (Guerrieri, 1935; Nicolini, 1956). Si può   facilmente  verificare che nel periodo che va dal 1870 al 1930 si è superato la soglia di 100 mm solo 3 volte, mentre dal 1930 al 2003 per ben 9 volte, con  un netto aumento  negli ultimi 60 anni.

TAVOLA IV

Catalogo delle precipitazioni maggiori  di 80 mm cadute , nell‘arco delle 24 ore, in almeno una delle stazioni qui sotto riportate

Il rovescio più intenso è stato quello del 15 settembre 2001 (Mazzarella, 2001; Braca et al., 2002) quando, nelle prime ore del mattino, un nubifragio, in circa 3 ore, scaricò sulla città circa la sesta parte della quantità di pioggia che cade normalmente in un anno, provocando due vittime, diffusi dissesti ed ingenti danni, in seguito ai quali alla città fu riconosciuto lo stato di calamità naturale.

5.  NUVOLOSITA’ 

Nella tavola V  sono  riportati il numero dei giorni  coperti/nuvolosi  e sereni  osservati presso l’Osservatorio Meteorologico dell’Università di Napoli Federico II, per venticinquenni, in quanto l’analisi dei dati medi ottenuti per ragguppamenti di più anni ha mostrato che la media su 25 anni fornisce il valore ottimale della stabilità statistica.

Numero di giorni con cielo nuvoloso/coperto e sereno a Napoli

Si rilevano decrementi significativi (intorno  al 25%) nel numero dei giorni  sereni  per anno e incrementi significativi  (intorno al 20 % ) nel numero di giorni nuvolosi o misti  per anno. L’incremento della nuvolosità è da porre in relazione all’incremento dei nuclei di condensazione, del flusso verticale di calore e dei moti convettivi indotti dall’isola di calore urbana. 

6.  COMPARAZIONE FRA I DATI METEOROLOGICI OSSERVATI A NAPOLI CENTRO E PRESSO L’OSSERVATORIO VESUVIANO

Le cospicue e significative variazioni secolari identificate nelle serie ultracentenarie della temperatura dell’aria, della precipitazione e della nuvolosità misurate all’interno della città di  Napoli  non possono essere connesse solamente allo sviluppo dell’urbanizzazione in quanto potrebbero essere correlate  a variazioni globali e a  scala più ampia. Per superare questo limite, sono state  analizzate le  serie storiche delle differenze tra i valori di temperatura dell’aria osservati contemporaneamente presso l’Osservatorio Meteorologico dell’Università Federico II, nel  centro urbano di Napoli,   e  sul Vesuvio (40° 49’N; 14°26’E;  612 m slm), ad una  distanza di appena  15 km e  il cui intorno non ha subito nel tempo  modificazioni di carattere antropico  (Palumbo and Mazzarella, 1981). Le serie di tali  differenze di temperatura  contengono in sé quelle informazioni, filtrate dell'effetto delle variazioni a larga scala, generalmente ampie e perciò difficili da eliminare statisticamente.  Nella tavola VI e in figura 6 sono riportati i valori medi  delle differenze di Tmin e Tmax, per quinquenni, in quanto l’analisi dei dati medi ottenuti per ragguppamenti di più anni ha mostrato che la media su 5  fornisce il valore ottimale della stabilità statistica.  I dati delle differenze  delle Tmax e Tmin sono stati riportati anche per le stagioni invernali (novembre, dicembre, gennaio, febbraio)  ed estive (maggio,  giugno,  luglio, agosto).

Tavola VI

Valori medi quinquennali delle differenze tra i valori delle temperature minime e massime dell’Osservatorio Meteorologico dell’Università di Napoli Federico II  e dell’Osservatorio Vesuviano.

 Incrementi statisticamente significativi di 1.8°C e di 0.7°C  si sono riscontrati nelle temperature massime e minime, rispettivamente e, più accentuatamente, nelle Tmax, in estate e nelle Tmin, in inverno. Questi risultati indicano che il clima di Napoli dal 1923 al 1972 si è riscaldato sempre di più per la presenza di una intensa isola di calore urbana. Purtroppo la stazione sul Vesuvio è stata incredibilmente dismessa nel 1973 impedendo di fatto la investigazione di una eventuale accentuazione  dell’isola di calore urbana. Solo recentemente è stata installata sul cratere del Vesuvio, a cura dell’Osservatorio Meteorologico dell’Università di Napoli Federico II, una nuova stazione meteorologica che sarà   presa a riferimento nei prossimi anni.

7. ISOLA DI CALORE URBANA

La città di Napoli poggia su di un insieme di edifici craterici, solcati da canaloni che di per sè ostacolano la circolazione dell'aria nei quartieri più bassi. Il processo di urbanizzazione si è sviluppato negli ultimi decenni con una velocità tale che oggi il 90 % dell'area del centro urbano è coperta da manufatti che ulteriormente  riducono la circolazione aerea. Le numerose pareti verticali sono responsabili di sensibili modificazioni nel bilancio energetico, sia per l'elevata capacità termica dei materiali di rivestimento che per il minor valore dell'albedo rispetto alla campagna. In area urbana, infatti, le radiazioni vengono continuamente riflesse tra il suolo e le pareti verticali per cui la quantità di calore, ritenuta dai manufatti urbani, è di gran lunga superiore a quella assorbita da un piano orizzontale come l'area rurale.  Tutto questo determina la nascita e lo sviluppo di un'area urbana in grado di determinare sensibili alterazioni nei dati microclimatici locali (WMO, 2004), spesso difficili da valutare in termini quantitativi per la complessità del fenomeno.  E’ ragionevole  considerare l’intera  città come un corpo nero, cioè un corpo ideale capace di assorbire tutte le radiazioni incidenti e di emettere radiazione alla massima intensità per ogni lunghezza d’onda. Un corpo nero segue la legge di Stephan:

E = s T4

dove  s  è la  costante di Stephan pari a 5.67 x 10-8 W m-2 K-4 e  T è la temperatura del corpo  in gradi K.  Da campagne di misure effettuate con una  termocamera e con strumentazioni di precisione, è stato possibile misurare valori  della temperatura in diverse aree della città di Napoli e in diversi periodi dell’anno.  Questo ha permesso  di  assumere 50°C come il valore tipico estivo  della città di Napoli. Considerando la città un corpo nero con T= 323 K ed   applicando  la legge di Stephan  si ottiene che l’energia E che fuoriesce dalla città risulta  pari a  600 W/m2.  Presso l’Osservatorio Meteorologico a  Napoli centro, nei pomeriggi estivi  e  con cielo sereno,  la radiazione solare  R risulta essere pari a circa  1000 Watt/m2 con un  flusso di energia uscente  H,  dato da: H = 0.4 (R- 100)  (Pasquill and Smith, 1983),    pari a  360  W/ m2. E’ come se a Napoli, in estate, nelle ore di massima insolazione, splendessero due Soli:  O Sole mio, che sta scomparendo per l’aumento della nuvolosità,  e   la città stessa che emette energia  quanto il Sole vero.

5.     DISCUSSIONE E CONCLUSIONI

 La città di Napoli, come tutte le città metropolitane, è affetta dall’isola di calore urbana  che trae origine sia dal tipico assetto geometrico delle città, con strade relativamente strette rispetto alle dimensioni verticali degli edifici,  sia  dal particolare tessuto urbano, costituito in prevalenza da asfalto, calcestruzzo, mattoni e cemento che assorbono in media il 10% in più di energia solare. In estate, nelle ore più assolate, l’asfalto e le pareti esterne degli edifici delle città raggiungono spesso temperature superiori a 60-90°C. I  canyon urbani sono in grado di  catturare una maggiore quantità di radiazione solare attraverso  un processo di  riflessioni multiple degli stessi raggi solari che, in una specie di ping-pong, rimangono intrappolati  dalle pareti dei palazzi e dal fondo stradale. L’isola di calore urbana è resa più intensa anche dalla estensione piuttosto ridotta, entro il perimetro cittadino, di superfici evaporanti, come specchi d’acqua, prati ed alberi. Infatti l’evaporazione da parte dei suoli umidi o bagnati, oppure da parte delle foglie della vegetazione, sottrae all’aria enormi quantità di calore  (ben 600 calorie per ogni grammo di acqua che evapora). E’ evidente quindi che a una minore evaporazione da parte delle aree urbane rispetto a quelle rurali corrisponde un minor raffreddamento dell’aria che sovrasta le città. Se nel periodo invernale l’isola di calore urbana  comporta un aumento dei valori di temperatura all’interno delle città mitigando le basse temperature, questo fenomeno può risultare particolarmente dannoso per la salute umana nella stagione estiva in corrispondenza delle ondate di calore quando  la temperatura dell’aria, oltre a raggiungere valori più elevati rispetto alle  aree rurali circostanti nelle ore diurne, si mantiene elevata anche nelle ore  notturne, alterando le capacità di ripresa dell’organismo umano dalle condizioni di  estremo calore a cui è stato sottoposto nelle ore diurne (Di Cristo et al., 2006). Inoltre l’isola di calore urbana è in grado di cambiare drasticamente le stratificazioni d’aria di equilibrio termodinamico che governano  la stabilità delle masse d’aria e la diffusione degli inquinanti per cui  risulta importante  eseguire una zonazione climatica dettagliata delll’intera area metropolitana  con l’ausilio di stazioni fisse e mobili dislocate in orizzontale e in verticale in modo  strategico al fine di identificare i diversi microclimi della città. In meteorologia, l’unico modo per  ottenere informazioni vere  è quello di fare misure al posto giusto e al momento giusto e non affidarsi esclusivamente all’uso di  computer e modelli matematici. Giova osservare  che è attraverso lo strumento di misura che il mondo della scienza arriva a sostituirsi al mondo del pressappoco (Koyrè, 1961). Nel passato l’attenzione alle problematiche meteorologiche ed ambientali era maggiore; basti pensare  che  nel secolo scorso  operative altre tre  stazioni meteorologiche  all’interno della città di Napoli:  l’Osservatorio Astronomico, l’Osservatorio Vesuviano e le Terme di Agnano. Tali stazioni sono state una alla volta  incredibilmente dismesse impededendo così ogni tentativo di  quantificazione  dell’intensità dell’isola di calore urbana. Solo in questi ultimi anni,  l’Osservatorio Meteorologico  dell’Università degli Studi   di Napoli Federico II  sta  cercando di portare avanti una politica  di adozione  delle numerose stazioni meteo già operanti  sul territorio della Regione Campania in maniera del tutto disarticolata,  attivando convenzioni con il Servizio  Agrometeorologico della Regione Campania, il Corpo Forestale dello Stato, l’Ente Porto, l’ENAV, l’UGM, le Terme di Agnano, la Provincia di Salerno, le Comunità Montane, gli Istituti Nautici, le Amministrazioni Comunali, le Aziende  di Agriturismo e produttrici di vino di qualità quali la prestigiosa Azienda Mastroberardino e molti  privati. Con questa politica di adozione,  la rete meteorologica dell’Università di Napoli Federico II  può ora contare  su circa 65 stazioni  distribuite  sull’intero  territorio Regionale da Gaeta (LT) nel basso Lazio, fino a Greci (AV) nell’appennino Dauno e   a Sapri (SA) nel basso Cilento, tutte consultabili  via modem in tempo reale e capaci di fornire preziose informazioni per una affidabile previsiosbe del tempo in Campania. C’è una richiesta sempre maggiore  di informazione meteorologica che,  però, in Italia non è soddisfatta da una corrispondente offerta didattica ed informativa nello stesso ambito universitario. Basti pensare che presso l’Ateneo Federiciano, corsi  di  Climatologia sono accesi solo per  Scienze della Natura e Scienze Geologiche; che  presso  il corso di Laurea di Scienze Ambientali, istituito da  pochi anni  presso la Federico II e  che  presso la stessa Facoltà di Scienze ambientali della seconda Università non sono  contemplati minimamente corsi del genere, come se l’ambiente dovesse prescindere dalla fisica dell’atmosfera. Sono ormai maturi  i tempi per creare un servizio di previsione meteorologica  affidato alle Università  e di  considerare  il clima e il tempo  argomenti di interesse generale e  non  più solo un pretesto per scambiare quattro chiacchiere al bar.

APPENDICE

GEOMETRIA FRATTALE

La geometria frattale si sforza di superare la rigidità della geometria euclidea aggiungendo  alla dimensione intera euclidea un decimale  che tiene conto del grado di rozzezza di un oggetto o della irregolarità di una successione di eventi. 

Secondo la geometria frattale,  una palla di biliardo ha dimensione euclidea pari a 3 e dimensione topologica e frattale pari a 2 mentre una palla da tennis ha una dimensione euclidea pari a 3, una dimensione topologica pari a 2 e una dimensione  frattale pari, per esempio, a 2.5 con il decimale  che tiene conto del grado di  ruvidezza della palla da tennis. Alla base  della geometria frattale è, inoltre,  la proprietà dell’invarianza di scala secondo la quale gli oggetti piccoli si distribuiscono con la  la stessa legge di potenza di distribuzione degli oggetti grandi.  L’idea di un  microscosmo quale versione  ridotta del macrocosmo fu intuita già nel 1600 da Leibinitz secondo il quale piccole porzioni del mondo (monadi) erano complesse ed organizzate come le porzioni più grandi.  Per calcolare la dimensione frattale di un insieme di eventi come, per esempio, quelli piovosi, è  stato utilizzato l’algoritmo della Polvere di Cantor (fig. 7) (Mazzarella, 1998) che è così organizzato. Si    incomincia con una linea e si procede ad eliminare la terza parte centrale (r = 1/3)  conservando le rimanenti 2 (N = 2) terze parti; quindi si elimina la terza parte centrale dei segmenti rimanenti, conservando sempre le 2 terze parti e   si continua  nello stesso modo. La Polvere di Cantor è l’insieme  di punti che rimane e la loro distribuzione è ben misurata dalla dimensione frattale D così definita:

                D = log(N)/(log(1/r) =log(2)/log(3) = 0.6309                               

Più isolati sono gli eventi minore è il valore di D. Mandelbrot (1983) fu il primo a  utilizzare la Polvere  di Cantor alla base del modello per la distribuzione degli errori in una linea di trasmissione telefonica; periodi di trasmissione senza errori erano mescolati a periodi in cui gli errori erano concentrati in un arco di tempo molto ristretto. Ma questi periodi di errori, esaminati con maggiore precisione, contenevano periodi senza errori. Lo stesso modello si ripeteva passando  a scale sempre più piccole: era questo un esempio di tempo frattale. Ad ogni scala temporale, dalle ore ai secondi, Mandelbrot scoprì che il rapporto fra errori e trasmissione pulita rimaneva costante.

 BIBLIOGRAFIA

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De Martonne E., Nouvelle carte mondiale de l’indice d’ariditè, La meteorologie, 1, 3-20, 1941.

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