CHIUSURA DEL CICLO DELL'ACQUA UTILIZZANDO MODELLI CLIMATICI E IDROLOGICI SULL'EUROPA

The Euro-Mediterranean region is a recognized climate change hotspot facing intensified hydrological extremes. Despite advances in regional coupled and Earth system models developed for this region, river representation still remains inadequate, preventing accurate water cycle closure and limiting assessment of floods and droughts. Thus, this thesis addresses this critical gap through a systematic evaluation of hydrological modelling components—runoff generation schemes, river routing models, and parameter calibration—to improve discharge simulation in Euro-Mediterranean regional coupled climate models. The research adopted a progressive three-stage framework. First, seven runoff schemes of different complexity within the Noah-MP land surface model were evaluated globally, identifying the Schaake scheme as optimal for Mediterranean climates. Second, two state-of-the-art routing models—CaMa-Flood and WRF-Hydro—driven by the ENEA-REG regional coupled model, were compared across Mediterranean river basins (1990-2014). Both substantially outperformed the ENEA-REG pre-existing routing component (Hydrological Discharge (HD) model), with WRF-Hydro achieving mean KGE improvements from 0.32 to 0.48 through calibration using the DDS algorithm. Third, considering computational constraints for century-long climate projections, the optimal feasible configuration (Schaake + CaMa-Flood) was applied to CMIP6-driven scenarios (SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP5-8.5) to assess future hydrological extremes over the Euro-Mediterranean region. Results demonstrate clear spatial patterns in projected changes. For floods, a north-south dipole emerges: high-latitude regions (northern, northwestern, north-central, and northeastern Europe) show increased magnitude and frequency under higher emissions, while areas around the Mediterranean basins generally exhibit decreasing trends except for localized intensification in central-southern Spain under SSP5-8.5. For droughts, widespread intensification is consistent across the whole continental Europe, with severe drought return periods shortening to less than 5 years by end-of-century under high emissions in water-stressed Mediterranean basins. Given the above results, the CaMa-Flood routing model was successfully incorporated into ENEA-REG version 3.0, producing measurable reductions in Mediterranean Sea salinity biases and demonstrating cascading benefits throughout the coupled modelling framework. These advances provide actionable insights for water resource management, flood prediction, and climate adaptation strategies across the vulnerable Euro-Mediterranean region, while establishing methodological frameworks applicable to other regional modelling initiatives worldwide.

La regione Euro-Mediterranea è una della aree più vulnerabili agli impatti dei cambiamenti climatici, sempre più esposta ad estremi idrologici intensi. Nonostante i progressi raggiunti nello sviluppo di modelli regionali accoppiati e modelli del sistema Terra, la rappresentazionedei dei processi fluviali rimane ancora inadeguata in questa regione. Tale limitazione impedisce un’accurata chiusura del ciclo dell’acqua e riduce l’affidalibilità delle valutazioni relative ad eventi di inondazioni e siccità. Questa tesi affronta questa tale lacuna attraverso una valutazione critica e sistematica dei componenti della modellazione idrologica — schemi di generazione del deflusso, modelli idrodinamici di fiumi e calibrazione dei parametri— per migliorare la simulazione della portata nei modelli climatici accoppiati regionali per il bacino del Mediterraneo. La ricerca è stata sviluppata secondo un approccio progressivo articolato in tre fasi. In primo luogo, sono stati valutati a livello globale sette schemi di deflusso di diversa complessità all'interno del modello di superficie terrestre Noah-MP. Tale analisi ha identificato lo schema Schaake come ottimale per il clima mediterraneo. In secondo luogo, sono stati confrontati due modelli di fiumi —CaMa-Flood e WRF-Hydro— forzati dal modello regionale accoppiato ENEA-REG nei bacini fluviali del Mediterraneo (1990-2014). Entrambe le configurazioni hanno mostrato prestazioni nettamente superiori rispetto al componente idrologica preesistente all’interno di ENEA-REG (modello Hydrological Discharge (HD)). In particolare,WRF-Hydro ha ottenuto miglioramenti, con incrementi medi del KGE da 0,32 a 0,48, tramite calibrazione utilizzando l'algoritmo DDS. In terzo luogo, considerando differenti scenari climatici (SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP5-8.5), la configurazione Schaake + CaMa-Flood è stata applicata a scala Europea per valutare gli estremi idrologici futuri sulla regione Euro-Mediterranea. I risultati evidenziano chiari patterns spaziali. Per quanto riguarda le inondazioni, emerge un dipolo nord-sud: le regioni ad alta latitudine (Europa settentrionale, nord-occidentale, centro-settentrionale e nord-orientale) mostrano maggiore entità e frequenza nello scenario ad elevate emissioni (SSP5-8.5). Al contrario le aree attorno al bacino del Mediterraneo mostrano generalmente tendenze decrescenti, fatta eccezione per l'intensificazione localizzata nella Spagna centro-meridionale. Per quanto riguarda la siccità, l'intensificazione risulta invece diffusa e persistente su tutta l'Europa continentale, con periodi di ritorno della siccità grave che si riducono a meno di 5 anni entro la fine del secolo. Alla luce dei risultati sopra riportati il modello idrodinamico CaMa-Flood è stato incorporato con successo nella versione 3.0 di ENEA-REG, producendo una sostanziale riduzione del bias di salinità nell’alto Adriatico. Questi progressi forniscono informazioni utili per la gestione delle risorse idriche, la previsione delle inondazioni e le strategie di adattamento climatico nella vulnerabile regione Euro-Mediterranea, stabilendo al contempo quadri climatici applicabili ad altre iniziative di modellazione regionale in tutto il mondo.