Utilizzo del modello climatico regionale RegCM4 per la ricostruzione di circolazione atmosferica, precipitazioni e campi di temperatura sul ghiacciaio del Tagliamento (Alpi sud-orientali) a 21 ka.

The Last Glacial Maximum (LGM) is a global event that occurred 26 to 21 ka BP. It was characterised by the expansion of ice sheets, mountain glaciers, permafrost and sea ice and was associated with a mean sea level drop of about 120 m. The environment was deeply modified by decreased temperature (3 to 6°C globally) and different precipitation regimes compared with today's conditions. In the southeastern Alps, the Tagliamento glacier expanded into the Friuli plane with a piedmont lobe. Mountain glaciers are inherently sensitive to changes in climate conditions and are strongly affected by temperature and precipitation variations and are thus considered crucial climate indicators. For the Tagliamento glacier during the LGM, the physical processes leading to its extension and mass balance are not yet fully understood. Contributions likely derive from reduced snowmelt and evaporation related to lower temperature and changes in regional circulations. Disentangling these contributions is thus important for a full understanding of the dynamics of the glacier. The low elevation and relatively small accumulation basin of the Tagliamento glacier make it an ideal case study for the application of a high-resolution regional climate model, which can provide climate information at fine spatial scales. Therefore this thesis combines a high-resolution regional climate model (RCM), the ICTP RegCM4 model system, with LGM topography, vegetation and glacier morphology reconstructed from paleoclimate proxies. The primary aim of the thesis is to improve our knowledge about the atmospheric circulation and thermodynamic conditions that sustained the Tagliamento glacier at the LGM. A multiple nesting approach is adopted, with the RegCM4 run at high spatial resolution (12 km) over a greater Alpine domain, with boundary conditions from an intermediate resolution (50 km) RegCM4 simulation, itself driven by the atmospheric component of the MPI Earth System Model (ECHAM). Two 20-year long simulations are conducted and intercompared, one for the climate state at the LGM standard (21 ka BP) and one for pre-industrial conditions. In order to validate and customise the RegCM4 simulation, an experiment forced with ERA-Interim observations reanalysis data is performed and compared with observational precipitation and temperature datasets. For the LGM simulation orbital parameters and greenhouse gas concentrations are set at the LGM values. This is one of the few applications of RCMs to paleoclimate studies today. The results show that RegCM4 at 12 km of resolution is able to capture the spatio-temporal variability of the atmospheric circulation patterns which were responsible for the development of several glaciers in the domain at the LGM, with simulated climate fields compatible with available proxies and other model reconstructions. LGM temperatures are simulated to be about 6.6°C lower than at pre-industrial times, with drier conditions over the study domain, especially north of the alpine chain, and with the southern alpine region relatively wetter due to increasing southerly moist flow. Stratiform and convective precipitation contributed to feed the Tagliamento glacier, with the predominance of convective phenomena from late spring to early autumn, while during the rest of the year southerly and westerly stratiform precipitation prevailed, as originated from a cyclonic circulation. In the southeastern Alps, summer precipitation often occurred as snowfall, limiting extensive melting phenomena, and in general precipitation was higher than in the whole alpine chain. These conditions favoured the development of a large glacier in a southerly exposed, low elevation basin. This project represents a step forward in the framework of paleoclimate studies, adding new high-resolution quantitative information about the atmospheric circulation feeding glacier formation at the LGM and paving the way for several future developments.

L'ultimo massimo glaciale (LGM in inglese) è stato un evento globale avvenuto da 26 a 21 ka, segnato dall'espansione di calotte glaciali, ghiacciai montani, permafrost e ghiaccio marino e associato ad un abbassamento del livello medio del mare di circa 120 m. Le temperature da 3 a 6°C più basse rispetto ad oggi e i diversi regimi di precipitazione hanno profondamente modificato l'ambiente. Durante l'LGM il ghiacciaio del Tagliamento si espandeva nella pianura Friulana con un lobo pedemontano. I ghiacciai montani sono particolarmente sensibili ai cambiamenti delle condizioni climatiche e sono fortemente influenzati dalle variazioni di temperatura e precipitazioni e quindi sono considerati importanti indicatori climatici. I processi che hanno portato alla formazione del ghiacciaio del Tagliamento all'LGM non sono ancora del tutto chiari, ma sono probabilmente ascrivibili alla riduzione della fusione del manto nevoso e dell'evaporazione legate a temperature più basse e a cambiamenti nella circolazione atmosferica. La bassa quota e il bacino di accumulo relativamente piccolo fanno del ghiacciaio del Tagliamento un caso studio ideale per l'applicazione di un modello climatico regionale ad alta risoluzione. Questo studio combina un modello climatico regionale ad alta risoluzione con ricostruzioni ambientali basate su proxy paleoclimatici di topografia, vegetazione e ghiacciai per l'LGM. Obiettivo primario di questo studio è analizzare la circolazione atmosferica che ha portato allo sviluppo del ghiacciaio del Tagliamento all'LGM. Questo lavoro è basato su un nesting multiplo. Il modello climatico regionale RegCM4, sviluppato dall'ICTP, è stato forzato prima dal modello climatico globale del Max Planck Institute for Meteorology (ECHAM) e poi dallo stesso RegCM4 con una risoluzione di 50 km. Le simulazioni finali hanno fornito informazioni quantitative sul clima dell'LGM e del preindustriale per le regioni alpina e appenninica con una risoluzione di 12 km. Al fine di validare il modello, è stata eseguita una simulazione, forzata con i dati di rianalisi di ERA-Interim che è stata confrontata poi con dataset grigliati di misure dirette di precipitazione e temperatura. Il sistema RegCM4 è stato adattato per simulare il clima della regione alpina. Per le simulazioni all'LGM, i parametri orbitali e le concentrazioni di gas serra sono stati fissati ai valori dell'LGM. I risultati di questo studio evidenziano che RegCM4 a 12 km di risoluzione è in grado di rappresentare la variabilità  spazio-temporale della circolazione atmosferica che hanno portato allo sviluppo dei principali ghiacciai delle Alpi sudorientali, degli Appennini e dei Balcani all'LGM. I risultati sono compatibili con proxy ambientali e ricostruzioni da modelli. I risultati di RegCM4 per l'LGM, mostrano temperature 6,6°C più fredde rispetto al periodo preindustriale e condizioni generalmente più secche. La regione a sud delle Alpi era relativamente più umida rispetto alla regione a nord. Precipitazioni stratiformi e convettive hanno contribuito ad alimentare il ghiacciaio del Tagliamento, con predominanza di fenomeni convettivi dalla tarda primavera all'inizio dell'autunno. Durante il resto dell'anno prevalevano precipitazioni stratiformi provenienti dai quadranti meridionali e occidentali, causate da una circolazione ciclonica. Nelle Alpi sud orientali le precipitazioni estive spesso avvenivano sotto forma di nevicate, limitando la fusione dei ghiacciai. Le Alpi sudorientali ricevevano una maggiore quantità  di precipitazioni (sia liquide che solide) rispetto al resto della catena alpina. Questo fatto ha favorito lo sviluppo di un ghiacciaio così grande in un bacino esposto a sud e a bassa quota. Questo progetto rappresenta un passo avanti nel contesto degli studi paleoclimatici, aggiungendo nuove informazioni quantitative ad alta risoluzione sulla circolazione atmosferica all'LGM e aprendo la strada a diversi sviluppi futuri.