Heat wave and heat stress space-time pattern analysis in Lombardy using climate reanalysis data

In recent decades, the increase in frequency and intensity of heat wave (HW) events worldwide has posed growing threats to ecosystem well-being. This trend is significantly affecting the human population, resulting in widespread thermal discomfort, which is commonly assessed through heat stress (HS) metrics. This thesis investigates the space-time dynamics of HWs and HS in the Lombardy region (Northern Italy), which is a suitable case study due to its climatic features and topographically diverse landscape. Given this heterogeneity, the research adopts a methodology for HW detection based on location-specific historical temperature series. For the same reason, four HS indices are employed to provide a comprehensive overview of thermal discomfort across the study area. The analysis is based on the VHR-REA_IT climate reanalysis dataset—available with hourly frequency and 2.2 km resolution from 1981 to 2023—, dynamically downscaled from ERA5 by the Euro-Mediterranean Center on Climate Change (CMCC). The methodology enables the characterization of HW events in terms of their intensity, duration, frequency, and spatial extent. Four selected HS indices—Humidex, Wet-Bulb Globe Temperature, Universal Thermal Climate Index, and Lethal Heat Stress Index—are computed to assess the physiological response to extreme heat. The outcomes highlight a clear increase over time in the frequency, intensity, and duration of HWs, along with a growing persistence of hazardous thermal conditions. Moreover, the study shows that the most severe heat-induced discomfort exhibits spatial heterogeneity, reflecting the region’s complex topography. The research results also indicate a significant decadal rise in the number of days characterized by thermal discomfort (up to +7 days per decade). Lastly, this work underscores the need to integrate HW and HS analysis to better inform public strategies, supporting the development of climate-resilient and adaptive policies. The methodology developed in this work is fully documented and released as open source, promoting transparency and encouraging further research in other regions.

Negli ultimi decenni, l’aumento della frequenza e dell’intensità delle ondate di calore (heat wave, HW) a livello globale ha rappresentato una crescente minaccia per il benessere degli ecosistemi. Questo fenomeno sta influenzando in modo significativo anche la popolazione umana, generando condizioni diffuse di discomfort termico, comunemente valutate attraverso metriche di stress termico (heat stress, HS). Questa tesi analizza la dinamica spazio-temporale di HW e HS nella regione Lombardia (Italia settentrionale), considerata un caso studio particolarmente adatto per le sue peculiari caratteristiche climatiche e la diversità topografica del territorio. In considerazione di tale eterogeneità, la ricerca adotta una metodologia di rilevamento di HW basata sulle serie storiche della temperatura specifiche per ciascuna località. Per lo stesso motivo, sono stati utilizzati quattro indici di HS, al fine di offrire un quadro complessivo del discomfort termico nell’area di studio. L’analisi si basa sul dataset di rianalisi climatica VHR-REA_IT—disponibile con frequenza oraria e risoluzione di 2.2 km dal 1981 al 2023)—prodotto dal Centro Euro-Mediterraneo sui Cambiamenti Climatici (CMCC) tramite dowscaling dinamico di ERA5. La metodologia consente di caratterizzare gli eventi di HW in termini di intensità, durata, frequenza ed estensione spaziale. I quattro indici di HS selezionati—Humidex, Wet-Bulb Globe Temperature, Universal Thermal Climate Index e Lethal Heat Stress Index—permettono di valutare la risposta fisiologica alle condizioni di calore estremo. I risultati evidenziano un chiaro aumento, nel corso del tempo, della frequenza, intensità e durata di HW, accompagnato da una crescente persistenza di condizioni termiche critiche. Inoltre, lo studio dimostra che il discomfort termico presenta una marcata eterogeneità spaziale, riflettendo la complessità morfologica della regione. I risultati evidenziano anche un significativo incremento nel numero di giorni caratterizzati da discomfort termico su base decennale (fino a +7 giorni per decennio). Infine, questo lavoro sottolinea la necessità di integrare l’analisi di HW e HS per supportare in modo più efficace le strategie pubbliche e favorire lo sviluppo di politiche climaticamente resilienti e adattive. La metodologia sviluppata è completamente documentata e resa disponibile pubblicamente, promuovendo trasparenza e incoraggiando futuri approfondimenti in altri contesti geografici.