Proposal of New Climate Model-Based Projection Of DDF Curves

The intensification of the global hydrological cycle due to climate change poses a critical challenge to the design of hydraulic infrastructures, particularly urban drainage systems which are highly sensitive to short duration rainfall extremes. Traditional Depth Duration Frequency (DDF) curves, derived under the assumption of stationarity are increasingly outdated as sub-daily precipitation events are becoming more frequent and intense. This thesis proposes a novel framework for updating DDF curves for the city of Pavia, (Northern, Italy), based on the rainfall future projection from Regional Climate Models (RCMs), to ensure future infrastructure resilience. The study uses high resolution observational data from the ARPA Lombardia Pavia SS 35 rain gauge, covering two distinct intervals: i) a Historical Period (1985–2005) ii) a Current Period (2006–2024). These records are compared against an ensemble of five (RCMs) to assess their ability to capture short duration extremes (1 to 24 hours). Future projections are derived under two Representative Concentration Pathways (RCP 4.5 and RCP 8.5) for three time horizons, namely, Near Future (2025–2050) , Mid Future (2051–2075 and Far Future (2076–2100). A key methodological innovation of this work is the development of a Parametric Bias Correction technique. Unlike traditional methods that apply correction factors derived from historical data (1985–2005) this approach calibrates factors using the Current Period (2006–2024) as the baseline. explicitly accounts for the non-stationary nature of model bias in a warming climate. The correction is applied directly to the parameters (a and n) of the DDF power law h=a\times t^n , providing a streamlined and computationally efficient tool for engineering applications. Results indicate a clear intensification of short-duration rainfall. Under the intermediate RCP 4.5 scenario DDF curves show a monotonic increase over time. Conversely the high emission RCP 8.5 scenario exhibits high volatility with a temporary stabilization in the near term followed by a dramatic spike in intensity during the Mid-Future (2051–2075). The study concludes that historical design standards in Pavia are insufficient for future climate conditions and demonstrates that the proposed Parametric Bias Correction method offers a robust solution for developing climate-resilient hydraulic infrastructure.

L’intensificazione del ciclo idrologico globale dovuta ai cambiamenti climatici rappresenta una sfida critica per la progettazione delle infrastrutture idrauliche, in particolare dei sistemi di drenaggio urbano, che risultano altamente sensibili agli eventi di pioggia estrema di breve durata. Le tradizionali curve Intensità-Durata-Frequenza (IDF), derivate sotto l’assunzione di stazionarietà, sono sempre più obsolete poiché gli eventi precipitativi sub-giornalieri stanno diventando più frequenti e intensi. Questa tesi propone un nuovo framework per l’aggiornamento delle curve IDF per la città di Pavia (Nord Italia), basato sulle proiezioni future delle precipitazioni ottenute da Modelli Climatici Regionali (RCMs), al fine di garantire la resilienza delle infrastrutture nel futuro. Lo studio utilizza dati osservativi ad alta risoluzione provenienti dal pluviometro ARPA Lombardia Pavia SS 35, che coprono due distinti intervalli temporali: i) un Periodo Storico (1985–2005) e ii) un Periodo Attuale (2006–2024). Queste registrazioni sono confrontate con un ensemble di cinque RCM per valutarne la capacità di rappresentare gli estremi di breve durata (da 1 a 24 ore). Le proiezioni future sono derivate secondo due percorsi emissivi (RCP 4.5 e RCP 8.5) per tre orizzonti temporali: Futuro Prossimo (2025–2050), Futuro Medio (2051–2075) e Futuro Lontano (2076–2100). Un’innovazione metodologica chiave di questo lavoro è lo sviluppo di una tecnica di Correzione Parametrica del Bias. A differenza dei metodi tradizionali, che applicano fattori di correzione derivati dai dati storici (1985–2005), questo approccio calibra i fattori utilizzando il Periodo Attuale (2006–2024) come baseline, tenendo esplicitamente conto della natura non stazionaria del bias modellistico in un clima in riscaldamento. La correzione è applicata direttamente ai parametri (a e n) della legge di potenza IDF h = a × tⁿ, fornendo uno strumento semplificato ed efficiente dal punto di vista computazionale per applicazioni ingegneristiche. I risultati mostrano una chiara intensificazione delle precipitazioni di breve durata. Sotto lo scenario intermedio RCP 4.5, le curve IDF evidenziano un aumento monotono nel tempo. Al contrario, lo scenario ad alte emissioni RCP 8.5 presenta un’elevata volatilità, con una temporanea stabilizzazione nel breve periodo seguita da un marcato incremento dell’intensità nel Futuro Medio (2051–2075). Lo studio conclude che gli standard progettuali storici di Pavia sono insufficienti rispetto alle future condizioni climatiche e dimostra che il metodo di Correzione Parametrica del Bias proposto offre una soluzione robusta per lo sviluppo di infrastrutture idrauliche resilienti al clima