Previsioni del tempo

Le previsioni del tempo
Daniele Izzo – Meteorologo
Centro Epson Meteo
[email protected]
Le previsioni del tempo
L’approccio scientifico è indispensabile per poter prevedere tutti i fenomeni
meteorologici: temporali, pioggia, neve, vento, tornado, uragani/tifoni, ondate di
caldo e di freddo
–Bergamo scienza 2012
–2
Le previsioni del tempo
La Meteorologia è una scienza ma le previsioni del
tempo ancora oggi non sono attendibili al 100% e non
lo saranno neanche tra 100, 1000, 10000 anni !!!
Le previsioni del tempo
La Meteorologia è una scienza ma le previsioni del
tempo ancora oggi non sono attendibili al 100% e non
lo saranno neanche tra 100, 1000, 10000 anni !!!
Perché le previsioni del tempo
non saranno mai “esatte” ?
Le previsioni del tempo
Le previsioni del tempo
La cartina del tempo mostrata in televisione è il
risultato di un lavoro di 10-12 ore compiuto da
migliaia di persone sparse in tutto il mondo
Le previsioni del tempo
Per prevedere “il tempo che farà” su una data area geografica è
indispensabile innanzitutto conoscere il “tempo che c’è”
Per descrivere l’evoluzione di un qualsiasi sistema fisico
è necessario innanzitutto conoscere
le condizioni iniziali
Le previsioni del tempo
Traiettoria parabolica di un proiettile: la gittata dipende dalle condizioni iniziali di
lancio (velocità e angolo)
Legge fisica
Le previsioni del tempo
Osservazione
del tempo
Leggi della fisica
dell’atmosfera
Previsione
del tempo
Le previsioni del tempo
A livello planetario esiste una fitta
rete di osservazione del tempo
coordinata
dall’Organizzazione
Meteorologica Mondiale (WMO,
World Meteorological Organization)
Lo stato iniziale dell’atmosfera
Stazioni meteo al suolo (~15.000, distanti 100-200 km)
Boe oceaniche (~3500)
Navi (~4000)
Palloni sonda (~2000, ogni 6 o12 ore)
Aerei (~9000)
Satelliti meteorologici polari e geostazionari (decine)
Radar meteorologici (centinaia)
Stato iniziale dell’atmosfera
Il numero attuale di osservazioni non copre
il fabbisogno minimo di dati
Stato iniziale dell’atmosfera
Le cause
Il 70% del globo è ricoperto da mari, oceani
e deserti
I dati satellitari sono spesso imprecisi e
quindi non utilizzabili
Fonti di errore di una previsione
Imperfetta conoscenza dello stato iniziale dell’atmosfera
Le previsioni del tempo
Lo stato iniziale dell’atmosfera (“il tempo che c’è”)
viene fatto evolvere utilizzando
I modelli fisico-matematici
I modelli fisico-matematici sono lo strumento più potente e affidabile
che esiste oggi per elaborare una previsione meteorologica
Modello fisico-matematico
Modello fisico-matematico
È un insieme di istruzioni che, agendo sulla condizione
iniziale dell’atmosfera, permettono di simulare il suo
comportamento utilizzando le opportune leggi fisiche che
descrivono il sistema atmosfera e la sua interazione con
l’oceano, con la superficie terrestre e con la radiazione solare
Cos’è una previsione del tempo?
È l’evoluzione futura delle principali grandezze meteorologiche
osservate (pressione, vento, temperatura, umidità) ottenuta
tramite l’impiego di un modello fisico-matematico
I processi fisici
effetto Stau
effetto Foehn
Approssimazione
di un modello fisico-matematico
La complessità e il numero enorme di leggi fisiche necessarie a
descrivere il sistema atmosfera e la sua interazione con la
superficie terrestre impone una approssimazione di tali leggi e
una schematizzazione dell’orografia e della copertura del suolo
Approssimazione
di un modello fisico-matematico
La complessità e il numero enorme di leggi fisiche necessarie a
descrivere il sistema atmosfera e la sua interazione con la
superficie terrestre impone una approssimazione di tali leggi e
una schematizzazione dell’orografia e della copertura del suolo
La natura stessa di un modello è fonte
di errore nell’elaborazione di una
previsione!
Fonti di errore di una previsione
Imperfetta conoscenza dello stato iniziale dell’atmosfera
Approssimazioni delle leggi fisiche
Approssimazioni degli algoritmi matematici
Imperfetta schematizzazione dell’orografia
Imperfetta schematizzazione della copertura del suolo
Flavio Galbiati in visita al National Center for Atmospheric Research (NCAR)
Perché la previsione sia fruibile in tempo utile, la risoluzione
delle complesse e numerose equazioni fisiche contenute in un
modello necessita l’utilizzo di potenti calcolatori
Per una previsione di 3 giorni sull’Italia con un dettaglio
di 8 km occorre risolvere:
300.000 miliardi di operazioni
1 milione di persone impiegate 24 ore
su 24 e che svolgano a mano tale mole di
operazioni (5 sec per ogni operazione)
impiegherebbero 50 anni !
Computer e previsioni meteo
Il miglioramento delle previsioni meteorologiche va di pari
passo con l’aumento delle performance dei computer
Aumentare la potenza di calcolo significa
poter impiegare leggi fisiche dell’atmosfera
più precise e utilizzare una migliore
risoluzione dell’orografia e schematizzazione
del suolo
Risoluzione dei modelli
La superficie terrestre e l’atmosfera vengono suddivisi in box
tramite l’utilizzo di griglie orizzontali
Risoluzione dei modelli
In ciascun nodo del grigliato l’osservazione del tempo (pressione,
temperatura, vento, umidità) viene fatta evolvere risolvendo il
complesso sistema di equazioni del modello fisico-matematico
Risoluzione dei modelli e orografia
Risoluzione dei modelli e orografia
Risoluzione dei modelli
In giallo i punti ove sono state effettuate le osservazioni
In blu i nodi di griglia ove sono riportati i valori interpolati
Risoluzione dei modelli
L’interpolazione delle osservazioni nei nodi di griglia
è una ulteriore fonte di errore
nell’elaborazione di una previsione meteorologica!
Risoluzione di un modello e previsioni
Diminuire la risoluzione dei modelli vuol dire prevedere con
maggior dettaglio e precisione fenomeni a piccola scala quali
temporali, piogge convettive, venti locali (ad esempio le
brezze), la nebbia, la formazione di isole di calore
Diminuire la risoluzione dei modelli vuole però anche dire
moltiplicare i nodi di griglia e quindi le operazioni di calcolo e il
tempo di elaborazione di una previsione
Risoluzione di un modello e previsioni
Per poter abbassare la risoluzione dei modelli
e così prevedere con maggior dettaglio e
precisione fenomeni locali è innanzitutto
necessario aumentare la potenza di calcolo e
in secondo luogo possedere una più fitta rete
di osservazioni
Fonti di errore di una previsione
Imperfetta conoscenza dello stato iniziale dell’atmosfera
Approssimazioni delle leggi fisiche
Approssimazioni degli algoritmi matematici
Imperfetta schematizzazione dell’orografia
Imperfetta schematizzazione della copertura del suolo
Interpolazione delle osservazioni nei nodi di griglia
Le previsioni del tempo: un mixing tra…
Osservazioni
Modelli fisico-matematici
Computer
Le previsioni del tempo come probabilità…
Per tutti questi motivi le previsioni del tempo elaborate con
i modelli, seppure basati su metodi rigorosamente
scientifici, esprimono soltanto la probabilità del verificarsi
dei fenomeni meteorologici e non già, come la pubblica
opinione crede, la certezza che essi si manifestano
I modelli fanno acqua…
…anche per colpa delle farfalle
Se anche i fenomeni fisici fossero perfettamente conosciuti, se
le osservazioni iniziali fossero complete e, ancora, se si avessero
a disposizione una potenza di calcolo illimitata non sarebbe
comunque possibile fornire previsioni perfette
Motivo
l’atmosfera è un sistema caotico
Effetto farfalla
Tutti i sistemi caotici, come appunto l’atmosfera, hanno il difetto di
essere molto sensibili alle condizioni iniziali, caratteristica nota come
effetto farfalla
È sufficiente una piccolissima perturbazione
nello stato iniziale dell’atmosfera, come il
battito di una farfalla, per determinare
situazioni finali molto diverse
La statistica per superare i limiti spaziali e temporali di una
previsione del tempo
I modelli impiegano le medie d’ensemble
Il modello viene fatto “girare” decine e
decine di volte a partire da condizioni iniziali
appena diverse e da queste numerose corse
del modello si calcola la media
Medie d’ensemble del modello WRF del CEM
(Temperatura a 850 hPa per il Nord Italia)
Medie d’ensemble del modello GFS della NOAA
(Temperatura a 850 hPa per la città di Verona)
Le previsioni del tempo esprimono lo scenario futuro dell’atmosfera più
probabile. Per essere completa una previsione dovrebbe essere sempre
affiancata da un numero che ne esprime la probabilità (Indice di affidabilità)
Gli output dei modelli:
la carte o mappe di previsione
Le mappe al suolo
Le mappe a 850 hPa
Le mappe a 700 hPa
Le mappe a 500 hPa
Le mappe degli spessori
Le velocità verticali
Le mappe di nuvolosità e precipitazione
Le mappe al suolo
Le mappe al suolo
Le mappe a 850 hPa
Utili per individuare i fronti e lo spostamento delle masse d’aria
Le mappe a 850 hPa
Utili per individuare lo zero
termico e l’eventuale quota
delle nevicate
Le mappe a 500 hPa
Utili per inquadrare la circolazione generale dell’atmosfera
e lo spostamento dei sistemi nuvolosi (perturbazioni)
Le mappe dell’umidità relativa
Utili per individuare e valutare la copertura nuvolosa
Grazie per l’attenzione!
Daniele Izzo – Centro Epson Meteo
[email protected]