Indice termico universale del clima, un importante indicatore bioclimatico del rischio termico per la salute dell’uomo

“L’Europa è il continente che si riscalda più velocemente, con un aumento delle temperature superiore al doppio della media globale; i tre anni più caldi registrati in Europa dal 1950 si sono tutti verificati a partire dal 2020, i dieci più caldi dal 2007″. Sono alcuni dei messaggi chiave contenuti nel rapporto sullo Stato del Clima del 2023 realizzato dal Copernicus Climate Change Service (C3S) e dalla World Meteorological Organization (WMO).

Non sorprende quindi scoprire che in Europa ventitré delle trenta ondate di caldo più gravi dal 1950 si sono verificate a partire dal 2000, cinque solo negli ultimi tre anni. Dal 2000 in poi il caldo è stato di gran lunga la principale causa di morte dovuta a eventi meteorologici e climatici estremi: sono stati stimati tra 55.000 e 72.000 decessi in ciascuna estate del 2003, 2010 e 2022 a causa delle ondate di caldo.  Non sono ancora noti i numeri del 2023. Da inizio secolo la mortalità correlata al caldo è aumentata in quasi tutta Europa, soprattutto nelle regioni centrali e meridionali della Penisola Iberica.

Gli scenari futuri non sono incoraggianti: probabilmente le ondate di calore diventeranno sempre più frequenti, intense e durature, e questo inevitabilmente ricadrà sulla salute fisica e mentale della popolazione.  E’ quindi necessario disporre di adeguati strumenti per l’identificazione delle condizioni ambientali termicamente pericolose, la valutazione degli impatti sulla salute umana e la definizione delle opportune misure di prevenzione.

L’indice termico universale del clima (Universal Thermal Climate Index o UTCI) è un sofisticato indice bioclimatico sviluppato proprio per soddisfare questa esigenza. Vediamo di cosa si tratta e quali sono le possibili applicazioni, tra bioclimi termici, storiche ondate di calore e previsioni  biometeorologiche in modalità operativa.

L’UTCI e le dieci categorie di disagio termico

Sviluppato nel 2009 dalla Società Internazionale di Biometeorologia  e dalla COST Action 730 attraverso una collaborazione multidisciplinare di esperti,  l’UTCI è un indice bioclimatico che descrive lo stress che il corpo umano sperimenta nel tentativo di mantenere l’equilibrio termico con l’ambiente esterno circostante.  E’  elaborato da un modello avanzato di termoregolazione umana che stima la risposta fisiologica indotta dalla temperatura dell’aria, dalla radiazione solare, dall’umidità e dalla velocità del vento, tenendo anche conto dell’isolamento termico prodotto dagli indumenti.

L’UTCI è espresso come temperatura percepita (°C) ed è valido per l’intero intervallo di esposizione termica, cioè dal freddo al caldo. Questo indice bioclimatico viene rappresentato mediante una scala di valutazione composta da 10 categorie di stress termico. Ciascuna categoria è definita da uno specifico intervallo di valori di UTCI e corrisponde ad un insieme ben preciso di risposte fisiologiche umane all’ambiente esterno, che possono essere controllate o prevenute adottando comportamenti e stili di abbigliamento diversi.

.L’UTCI non è certo l’unico indice sviluppato e utilizzato ai fini della valutazione delle condizioni bioclimatiche: nell’ultimo secolo ne sono stati creati oltre cento, alcuni semplici, basati solo su misurazioni meteorologiche (es. Indice di Calore, Humidex e Wind Chill), alcuni basati anche sulle reazioni del corpo umano allo stress termico (es. Temperatura Percepita, Temperatura Fisiologica Soggettiva e Sforzo Fisiologico), come l’UTCI. Tuttavia, analisi comparative basate su dati globali, dati sinottici dell’Europa e dati locali provenienti da speciali campagne di misurazione, hanno permesso di scoprire che l’UTCI esprime molto meglio le condizioni bioclimatiche in tutte le situazioni meteorologiche.

Analogamente al corpo umano, l’UTCI è infatti molto sensibile ai cambiamenti degli stimoli ambientali, riesce quindi meglio degli altri indici a cogliere la variabilità di temperatura, umidità, radiazione e velocità del vento e a rappresentare, con la scala a 10 categorie, il grado di stress termico e le sue conseguenze sull’organismo umano.

ERA5-HEAT, il primo set di dati storici di UTCI su scala globale

Fino a qualche anno fa l’impiego dell’UTCI  si basava prevalentemente su dati registrati  da stazioni meteorologiche o su dati di rianalisi (dati  di osservazione elaborati e proiettati su una griglia da un modello) ricostruiti a fini di ricerca su determinate aree del Pianeta.

La disponibilità e la diffusione di informazioni così importanti è enormemente aumentata dal gennaio del 2020 grazie al rilascio di ERA5-HEAT (Human thErmAl comforT), il primo set di dati storici di UTCI e di MRT (Mean Radiant Temperature) sotto forma di rianalisi climatica su scala globale, al quale tutti possono accedere.

Generati utilizzando le variabili climatiche di ERA5, una rianalisi elaborata dal Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio Termine (ECMWF) nell’ambito del Copernicus Climate Change Service (C3S), i dati orari di ERA5-HEAT dal 1979 ad oggi sono pubblicamente e liberamente disponibili per il download nel Climate Data Store sviluppato come parte di C3S. Essendo ad oggi l’unica serie storica globale su griglia dell’UTCI, ERA5-HEAT si rivolge a un’ampia gamma di utenti con un interesse per le applicazioni ambiente-salute su qualsiasi scala spaziale e temporale.

L’UTCI come indicatore di rischio sanitario da calore in Europa: lo studio

Il potenziale dell’UTCI come indicatore di rischio per la salute legato al caldo è stato dimostrato per la prima volta a livello paneuropeo da un gruppo di ricercatori dell’Università di Reading. I risultati dell’analisi sono stati pubblicati nel 2018 sull’International Journal of Biometeorology.

Utilizzando 38 anni (dal 1979 al 2016) di dati meteorologici  provenienti dalla rianalisi ERA_Interim dell’ ECMWF, i ricercatori hanno costruito la climatologia dell’UTCI  per l’intero Continente e identificato due principali bioclimi termici estivi.

Un bioclima è associato a condizioni di stress da calore ed è predominante nel settore meridionale dell’Europa, dalla Penisola Iberica agli Urali attraverso l’area mediterranea, i Balcani e il Caucaso, dove si raggiungono livelli di stress termico moderato (UTCI da +26 a +32 °C) e forte (UTCI da +32 a +38 °C) nelle ore centrali del giorno. Il secondo bioclima è invece associato a condizioni neutre e riguarda le parti più settentrionali dell’Europa, dove in media il disagio termico legato al caldo non è sperimentato e, anzi, al tramonto e all’alba sono presenti condizioni di stress da freddo.

La correlazione tra i dati bioclimatici dell’UTCI e i dati di mortalità di 17 Paesi europei ha evidenziato che nelle zone in cui nelle ore più calde del giorno prevalgono condizioni di stress termico neutre (UTCI da +9 a +26 °C), il numero di decessi non varia al variare dei valori di UTCI (Norvegia e Islanda), o diminuisce man mano che l’UTCI aumenta fino a circa 20°C (Paesi Bassi), per poi iniziare a crescere leggermente all’aumentare dell’UTCI (Irlanda, Regno Unito, Germania, Danimarca, Svezia e Finlandia). Laddove invece prevalgono condizioni di stress termico da calore (UTCI > 26 °C e > 32 °C), la mortalità aumenta in modo evidente all’aumentare dell’UTCI, come accade in Italia e in tutti i Paesi dell’Europa meridionale.

Come è variato l’UTCI in 40 anni? L’analisi della variazione dell’UTCI nel corso dei decenni ha permesso di rilevare che dal 1979 il valore  medio estivo europeo alle 12 UTC  è aumentato fino a 1 °C rispetto alla climatologia 1979-2016, suggerendo l’aumento dello stress da caldo, evidente soprattutto negli anni più recenti. In particolare, l’UTCI era di circa 0.5 °C più freddo rispetto alla climatologia nel ventennio 1980–1999, 0.5 °C più caldo nel decennio 2000–2009 e  ben 1 °C più caldo nel periodo 2010-2016.

L’UTCI e la storica ondata di caldo del 2003

Come banco di prova per valutare la relazione UTCI-mortalità in occasione di un evento estremo, gli autori della pubblicazione hanno utilizzato la storica ondata di caldo del 2003, con le sue temperature eccezionali e l’elevato numero di decessi.

Nell’agosto 2003, i settori occidentale e centrale dell’Europa registrarono valori UTCI fino a 10 °C superiori alla media stagionale. Lo stress da caldo aumentò fino a 2 categorie UTCI sopra la media, esponendo la popolazione a un carico di calore molto superiore a quello a cui è adattata. In Francia, ad esempio, le aree solitamente caratterizzate da uno stress da caldo assente o moderato furono sottoposte a stress da caldo da moderato a forte per gran parte della giornata. Nella città di Parigi, il numero di giorni con stress moderato, forte e molto forte aumentò rispettivamente del 36%, 16% e 10%.

Lo stress da caldo provocò un aumento senza precedenti del numero di morti. Nell’agosto 2003, valori UTCI superiori alla media erano associati a una mortalità superiore alla media in quasi tutti i Paesi, soprattutto in Francia, Portogallo e Spagna, ma anche in Italia, Grecia, Svizzera, Germania, Regno Unito e Belgio.  Anche l’Irlanda registrò valori UTCI più elevati, ma, a differenza di altri Paesi europei, il numero di morti diminuì.

In Danimarca, Islanda e Austria aumentarono i valori di UTCI, ma non aumentò il numero di decessi, o diminuì leggermente. Norvegia, Svezia e Finlandia non sperimentarono scostamenti importanti rispetto alle condizioni medie.

L’UTCI e i record europei del 2023: i dati del rapporto ESOTC

“Il 2023 è stato il secondo anno più caldo per l’Europa dal 1950, dopo il 2020”, avverte Copernicus nel rapporto ESOTC 2023 (https://climate.copernicus.eu/esotc/2023).

Sebbene l’estate europea non sia stata la più calda mai registrata, la stagione ha vissuto condizioni estreme. In particolare, l’ondata di calore che ha colpito il Continente dal 13 al 29 agosto è andata ad occupare il quarto posto del ranking di severità degli ultimi 70 anni elaborato dal Regional Climate Centre (RCC) del WMO, dopo l’ondata occorsa dal 17 luglio al 18 agosto del 2010, la più estesa e duratura mai registrata, per ora al primo posto, quella dal 29 luglio al 13 agosto del 2003, e quella 18-30 giugno 2021.

Se andiamo ad analizzare nel dettaglio i dati dell’UTCI, scopriamo che il 2023 è stato un anno da record dal punto di vista biometeorologico. Dal 1950, infatti, non si sono mai contati così tanti giorni con “stress da caldo estremo”, la massima categoria dell’UTCI,  che equivale ad una temperatura percepita superiore a 46 °C. Per la più estrema delle categorie di disagio termico da calore, il 2023 ha dunque superato il 2022, che invece ha raggiunto il record per il numero di giorni con “stress da caldo molto forte”, quindi per valori di UTCI compresi fra 38 e 46 °C.

Nel 2023 gran parte dell’Europa ha vissuto diversi giorni con “stress da caldo forte” (UTCI tra 32 e 38 °C), soprattutto i settori meridionali, dove si sono contati anche 60-80 giorni con questa condizione. Vaste aree dell’Europa meridionale hanno anche vissuto diversi giorni di “stress da caldo molto forte” (UTCI tra 38 e 46 °C), soprattutto il sud della Spagna. Alcune parti della Spagna meridionale e orientale, della Francia sudoccidentale, dell’Italia meridionale e della Sardegna, della Grecia e della Turchia occidentale hanno inoltre registrato fino a 10 giorni di “stress da caldo estremo” (UTCI > 46 °C).

L’estate del 2023 può, purtroppo, vantare anche un altro record. Ha infatti visto l’area più vasta d’Europa colpita da almeno una condizione di “stress da caldo forte”, con il 13 % del Continente esposto a condizioni di stress “forte”, “molto forte” o “estremo” il 23 di luglio.  Lo stesso giorno, il 41 % di questa parte dell’Europa (il settore meridionale) ha vissuto condizioni di “stress da caldo forte”.

L’UTCI come strumento di previsione

Come raccomandato nel 2004 dal WMO e dall’Organizzazione Mondiale della Sanità, i servizi meteorologici nazionali di molti Paesi hanno implementato sistemi di avviso e allerta per la salute, basati perlopiù su procedure di valutazione termica semplificate. Nell’ultimo decennio, tuttavia, diversi studi hanno dimostrato che i modelli operativi all’avanguardia riescono a prevedere con successo l’UTCI a livello globale e su diverse scale spaziali e temporali, dimostrando così che le capacità tecniche sono ormai sufficienti per l’implementazione e l’uso di questo complesso indice bioclimatico anche per scopi operativi.

Uno studio pubblicato sull’International Journal of Biometeorology, ad esempio, ha valutato la predicibilità dell’UTCI su scala globale utilizzando le previsioni deterministiche ad alta risoluzione a 10 giorni (HRES) e le previsioni probabilistiche d’ensemble a 15 giorni (ENS) dell’ECMWF. Le previsioni probabilistiche si sono dimostrate migliori di quelle deterministiche, ed efficaci fino a 10 giorni anche in occasione di situazioni estreme, come l’ondata di caldo eccezionale che tra luglio e agosto del 2010 colpì la  Russia.

Uno studio pubblicato nel 2022 sulla rivista Weather ha analizzato la previsione dell’ondata di caldo senza precedenti verificatasi a fine giugno 2021 in Canada, valutando e confrontando le previsioni di temperatura a 2 metri, UTCI e Humidex prodotte, anche in questo caso, da HRES e ENS dell’ECMWF. Durante questo evento estremo la temperatura sfiorò i 50°C (nella città di Lytton),  si registrarono oltre 1000 decessi a causa del calore, interruzioni di corrente dovute allo scioglimento dei cavi elettrici, e strade deformate.  L’ondata di caldo marina associata a quella terrestre uccise milioni di organismi. Durante questo evento l’UTCI indicò un livello di “stress da caldo estremo” (UTCI  > 46 °C) in un’area molto ampia.

I risultati del lavoro indicano che i modelli sono stati in grado di prevedere con accuratezza un evento di ondata di caldo senza precedenti con diversi giorni di anticipo. Evidenziano inoltre i vantaggi dell’uso combinato di una previsione deterministica ad alta risoluzione (HRES), più abile a cogliere correttamente valori di temperatura e UTCI estremi,  e di una previsione probabilistica (ENS), in grado di indicare la possibilità di un evento estremo con largo anticipo. Inoltre, mentre l’evoluzione dell’evento prevista da temperatura, UTCI e Humidex è risultata simile, gli errori di sottostima riscontrati in tutte e tre le variabili sono stati più piccoli nelle previsioni  fino a 5 giorni dell’UTCI, che quindi si è dimostrato lo strumento più adatto per prevedere l’intensità dell’ondata di calore nel breve termine.

L’UTCI e le previsioni biometeorologiche operative in Europa (e in Italia)

L’UTCI è dunque uno strumento molto valido per la valutazione del rischio termico a cui è esposta la popolazione e il suo inserimento all’interno di un servizio operativo giornaliero di previsione è, come abbiamo visto, raccomandato. Qual è la situazione in Europa?

Secondo una revisione effettuata tre anni fa, nel nostro continente sono attivi cinque sistemi appositamente sviluppati per prevedere operativamente le condizioni biometeorologiche umane tramite l’UTCI, ed è coinvolta anche l’Italia.

I cinque sistemi di previsione operativa dell’UTCI sono stati sviluppati dall’ECMWF, dall’Istituto Idrometeorologico Ceco (CHMI), dall’Istituto Polacco di Meteorologia e Gestione delle Acque (IMGW-PIB), dall’Istituto Portoghese del Mare e dell’Atmosfera (IPMA), e da un consorzio multi-istituto italiano composto dall’Istituto di BioEconomia del Consiglio Nazionale delle Ricerche (IBE-CNR), dal Centro di Bioclimatologia dell’Università di Firenze (CIBIC) e dal Laboratorio di Monitoraggio e Modellazione Ambientale per la Sostenibilità e lo Sviluppo (LaMMA).

Ciascun sistema si basa sull’accoppiamento tra un modello di previsione meteorologica e il modello UTCI: le previsioni di temperatura dell’aria, umidità, velocità del vento e radiazione solare elaborate dal modello di previsione meteorologica vengono cioè passate al modello UTCI per il calcolo delle previsioni biometeorologiche. Successivamente, le previsioni dell’UTCI vengono diffuse agli utenti finali. Le mappe di previsione oraria dell’UTCI  elaborate dal 2017 dal consorzio italiano per l’intero territorio nazionale sono pubblicate su un sito web dedicato e sono attualmente in fase di aggiornamento.

Solo le previsioni elaborate dall’ECMWF riguardano l’intero territorio europeo e l’utente finale sono le agenzie della Protezione Civile, che accedono ai dati mediante una piattaforma web interna. La catena operativa è stata istituita nel 2016 e coinvolge il modello deterministico ad alta risoluzione (HRES) per le previsioni a 10 giorni e il modello d’ensemble (ENS) per le previsioni a più lungo termine. Una volta terminato il periodo di test attualmente in corso, ECMWF renderà liberamente accessibili le previsioni operative su scala globale di diversi indici di comfort termico, compreso l’UTCI.

L’estate è ormai alle porte. Quali sorprese ci riserverà? Intanto ripassiamo la lezione dell’anno scorso con questo video riepilogativo degli eventi chiave occorsi in Europa durante il 2023