LA PREVISIONE METEOROLOGICA

La previsione meteorologica è al tempo stesso una forma d’arte arte e di scienza (anzi, come dice qualcuno, è la Meteorologia ad essere “la meno precisa delle scienze esatte, ma la più precisa delle forme d’arte”…!!), per la quale risulta necessario combinare esperienza e conoscenze teoriche, capacità di abbinare la visione a larga scala (cosiddetta sinottica) delle masse d’aria e dei sistemi barici con quella micrometeorologica degli effetti dovuti all’orografia locale ed alla natura del territorio. Nel campo dell’assistenza al volo, i progressi resi possibili dall’elevata disponibilità di dettagliate immagini satellitari e di dati provenienti dalle reti di osservazione radar, nonché dal continuo sviluppo della modellistica matematica, stanno portando verso un aumento della capacità previsionistica ad alta risoluzione spaziale (le aree terminali, cioè di convergenza dei flussi di traffico aereo) e temporale (il nowcasting, ovverosia la previsione entro le successive due ore). Tuttavia, fermo restando che requisiti primari del mondo aeronautico sono la sicurezza e l’efficienza, l’elemento umano continua e continuerà ancora per lungo tempo a giocare un ruolo di primissimo piano per la sua capacità di integrare, monitorare e comunicare informazioni meteorologiche sempre più complesse e sofisticate, soprattutto nelle condizioni di criticità dovute a fenomeni di severe weather.

Tecniche di previsione e loro attendibilità

Per arrivare a formulare una previsione, il Meteorologo utilizza contemporaneamente diverse tecniche, miscelandole in base alla sua esperienza, alla quantità di informazioni disponibili, alla difficoltà dello scenario meteorologico e al grado di precisione richiesto dalla previsione stessa.

Il primo e il più semplice di questi metodi è quello della persistenza, cioè assumere che le condizioni al momento della previsione non cambieranno rispetto a quelle attuali. L’ipotesi della persistenza risulta dunque funzionale in presenza di fenomeni scarsamente evolutivi o che appaiono muoversi molto lentamente; di contro, ed ovviamente, essa si dimostra inefficace quando le condizioni meteorologiche variano significativamente da un giorno all’altro. La previsione del tempo basata sull’uso del modello concettuale della persistenza è destinata ad avere un rapido decadimento al di sotto della soglia di accettabilità, che per un modello di previsione non può essere il 50% (altrimenti pari al lancio di una monetina) ma deve attestarsi almeno al 68%, limite inferiore di attendibilità del modello matematico dell’ECMWF, il Centro Europeo per le Previsioni a Medio Termine (European Centre of Medium Range Weather Forecasting). Pertanto essa viene utilizzata solo come approccio alla previsione per il nowcasting (entro le due ore successive) o per periodi dell’ordine di un giorno o due; essa può tuttavia trovare applicazioni anche su scale temporali molto più lunghe, mensili o stagionali, per esempio con l’assunto che ad un mese caldo e secco ne possa far seguito un altro dalle caratteristiche simili.

Il principio della tendenza si basa, invece, sulla determinazione della velocità e della direzione con cui si muovono i sistemi meteorologici e sulla conseguente estrapolazione matematica della loro futura posizione; per esempio, se una linea di temporali si trova a circa 20 km e si muove a circa 10 km/h, è possibile predirne l’arrivo in circa 2 ore. È evidente come il sistema si riveli funzionale non solo quando sia possibile determinare questi valori con precisione, ma anche quando essi tendano a rimanere inalterati per un periodo di tempo sufficientemente lungo (una loro variazione avrebbe infatti come conseguenza quella di rendere la previsione inattendibile) e quando il territorio non presenti significativi ostacoli al loro movimento.

Sulla disponibilità di statistiche di lungo periodo relative ad una particolare località si fonda il metodo climatologico, secondo il quale le condizioni meteorologiche, in un dato momento futuro, rifletteranno la media di ciò che è avvenuto in passato nello stesso giorno ed alla medesima ora; anche qui, è evidente come esso divenga inefficace in presenza di condizioni “anomale” per quel dato periodo dell’anno.

Per certi aspetti simile a quello climatologico, in quanto facente anch’esso ricorso ad elementi statistici, è il principio dell’analogia, basato sull’affermazione che, in presenza di un determinato scenario meteorologico, l’evoluzione sarà simile a quanto avvenuto in passato in presenza delle medesime condizioni. È ovviamente di difficile applicazione, in quanto è praticamente impossibile incappare in due condizioni perfettamente analoghe, mentre differenze anche minime possono risolversi in evoluzioni anche tra loro molto differenti, a maggior ragione in presenza di condizioni esterne (ad esempio, di un’orografia molto pronunciata, come nel caso delle nostre Alpi) che possono addirittura influire in modo diverso anche a parità di condizioni iniziali.

Il metodo della previsione numerica o NWP (Numerical Weather Prediction), infine, consiste nella determinazione dello stato futuro del tempo, basata su complessi sistemi di equazioni, per l’appunto note come modello numerico, che rappresentano l’atmosfera ed i processi che avvengono al suo interno. Le indeterminazioni in questa procedura sono intrinseche alla natura stessa dei modelli, che, per quanto precisi, sono pur sempre una versione semplificata della realtà; tuttavia, i progressi tecnologici che hanno reso disponibili supercomputer ad elevate capacità di calcolo (l’Earth Simulator Center giapponese utilizza una macchina con una capacità di picco di 40 Teraflop, cioè 40 mila miliardi di operazioni al secondo, mentre l’ECMWF si attesta intorno ai 16,5 Teraflop) hanno certamente contribuito a rendere la previsione numerica estremamente professionale ed affidabile, per lo meno su scale temporali dell’ordine di qualche giorno, e certamente la più adatta per settori delicati come quello dell’assistenza al volo.

Le osservazioni

Quale che sia la logica prescelta, una previsione sul futuro comportamento del tempo meteorologico deriva sempre da una preventiva e quanto più possibile accurata conoscenza dello stato attuale dell’atmosfera: una serie di misure (le osservazioni), eseguite in tutto il mondo ad intervalli regolari e a orari prefissati, vengono così utilizzate dai meteorologi per analizzare le caratteristiche del tempo ad un determinato istante e per estrapolarne il più probabile comportamento futuro. Le fonti dei dati meteorologici sono molte e di varia natura, includendo navi, aerei, piattaforme petrolifere, boe e palloni, oltre ad una rete di stazioni manuali ed automatiche sparse tutt’intorno al globo; l’automazione viene spesso utilizzata per assistere o sostituire l’osservatore umano, specialmente nelle aree più disagiate o inospitali. Sistemi remoti, sia al suolo che nello spazio, aumentano e completano le informazioni fornite dai sistemi convenzionali.

Nel campo della NWP, questo patrimonio di informazioni rappresenta il punto di partenza (l’analisi) di un modello di previsione, ovvero la soluzione iniziale del problema fisico-matematico che il modello stesso deve risolvere. Come già accennato, il comportamento dell’atmosfera, essendo regolato dalle leggi fisiche della fluidodinamica, può essere espresso tramite sistemi di equazioni matematiche, che tuttavia, non prevedono una soluzione esatta, cioè la possibilità di ricavare valori futuri ben definiti, ma solo soluzioni approssimate, ricavabili a patto di conoscere i valori assunti dagli stessi parametri incogniti in un determinato momento, per l’appunto la cosiddetta “soluzione iniziale” o “condizione al contorno”.

I modelli matematici

Per risolvere le complesse equazioni della modellistica, si procede così dividendo l’atmosfera in “scatole”, con un punto di griglia al centro di ogni scatola; le proprietà atmosferiche sono quindi rappresentate da ciò che accade a ciascuno dei punti di griglia. La griglia di punti, il sistema di equazioni ed il metodo di soluzione delle equazioni viene indicato genericamente come il modello; le osservazioni compiute in un determinato istante vengono utilizzate per definire i valori iniziali di griglia (condizioni al contorno) per pressione, temperatura, umidità e vento, rappresentando quindi l’atmosfera all’inizio della previsione.

Nella realtà non esiste un unico modello matematico che sia in grado di simulare il comportamento dell’atmosfera. Come sappiamo, il tempo meteorologico può essere fortemente influenzato dall’esterno (per esempio, dall’orografia del luogo) e di tutto ciò una buona simulazione matematica deve pur tenere conto; per non incorrere in grossolani errori, si preferisce quindi creare modelli a scala ristretta, aumentando nel contempo il numero dei parametri che rendono conto delle caratteristiche fisiche e morfologiche della zona su cui operano.

Tuttavia le stazioni di osservazione non sempre si trovano sul territorio alla distanza raccomandata dalla normativa internazionale (300 km per quelle che compiono osservazioni in quota, 150 per le altre), di conseguenza il passo di griglia, cioè la distanza minima tra due di queste stazioni, non è omogeneo. Questo è il motivo per il quale i modelli ad area limitata funzionano bene dove il passo di griglia reale è costante, mentre altrove vengono utilizzati modelli ad area globale, in grado di interpolare i dati mancanti, al prezzo, però, di una maggiore indeterminazione sulla soluzione alle latitudini corrispondenti alla maggior rarefazione delle stazioni di osservazione.

Un modello di previsione ha quindi bisogno di un dominio, che identifichi in modo univoco l’area geografica e la porzione di atmosfera oggetto dell’indagine e sul quale, a partire dalle condizioni iniziali, si deve eseguire l’integrazione delle equazioni fondamentali dell’atmosfera. Il risultato è la NWP, le carte meteorologiche ricostruite tramite un processo di interpolazione grafica di una soluzione matematica ad un problema complesso che, come tale, ha una certa indeterminazione, progressivamente crescente nel tempo.

Naturalmente esistono diversi livelli di controllo qualità in questo processo: il primo riguarda la qualità dei dati di inizializzazione dei modelli (set di dati omogeneo proveniente da stazioni certificate, che eseguono misure meteorologiche in aderenza agli standard internazionali); il secondo riguarda la “calibrazione” del modello di previsione, ovvero la sua verifica di qualità fatta grazie a processi di verifica “a posteriori”; il terzo concerne l’affinamento dei modelli grazie all’uso delle più moderne tecniche di calcolo ed allo studio di casi didattici particolarmente significativi.

Il contributo del caos…

Il comportamento caotico dell’atmosfera, tuttavia, introdurrà sempre, in qualsiasi modello matematico, una percentuale di errore non valutabile a priori; nella preparazione di carte a diversa scadenza (previsioni a +24 ore, +48 ore, ecc.), l’errore, propagandosi, assumerà dimensioni maggiori, fino a rendere del tutto inconsistente la simulazione stessa. La previsione basata sull’uso dei modelli ad area limitata, gode di grande dettaglio ed affidabilità ma inevitabilmente offre una capacità prognostica limitata nel tempo alle 72 ore massimo, mentre la previsione basata sull’uso dei prodotti ad area globale del ECMWF gode di grande affidabilità fino a 5 giorni. Per esigenze superiori a questo limite è necessario mutare l’approccio al problema, adottando o una filosofia di tipo statistico-climatologico oppure, come avviene nella moderna tecnica detta EPS (Ensemble Prediction System), una concezione non deterministica, ma stocastica, ovvero probabilistica.

L’introduzione della variabile del caos nelle previsioni del tempo corrisponde al preciso intento di considerare il problema meteorologico con un approccio non del tipo causa-effetto (cioè deterministico) ma probabilistico, derivante dalla semplice osservazione che piccole perturbazioni nelle condizioni iniziali dalle quali parte l’integrazione delle equazioni fondamentali dell’atmosfera fatta da un modello, si traduce in una serie di scenari evolutivi alternativi, da quello ritenuto più affidabile (operativo) a quelli semplicemente possibili. Nella tecnica EPS ogni parametro atmosferico viene risolto con una serie di inviluppi di curve, rappresentanti tutte le sue possibili evoluzioni e, tra questi, si scelgono quelli maggiormente rappresentati nello spettro delle soluzioni possibili.

Questo tipo di approccio viene utilizzato per forzare nel tempo e nello spazio la validità della soluzione al problema della previsione ottenuto con il modello deterministico, per spingerlo oltre il limite matematico e fisico dei classici 5 giorni. Con la previsione EPS si ottengono “scenari evolutivi” (e quindi previsioni per i singoli parametri atmosferici di riferimento) tempo fino a 10 giorni, con buona affidabilità; naturalmente le indicazioni della previsione d’Ensemble servono da critica al modello deterministico operativo e lo sostengono nel periodo di tempo più delicato, quello tra i 3 giorni ed i 5 giorni, proprio quando è sensibile in esso il calo della affidabilità.

…e quello del Meteorologo

Ultimo anello della catena previsionistica è, infine, il Meteorologo, che, ricevute le carte attuali e previste, formula le sue previsioni per le zone assegnategli. Una previsione ha, quindi, sempre una base sperimentale, fondandosi su una serie di osservazioni eseguite in modo sistematico ed omogeneo nell’arco delle ore precedenti; tuttavia, essa non è mai un atto puramente meccanico, poiché il Meteorologo deve saper interpretare ciò che vede sulle carte, utilizzando sì la propria preparazione teorica, ma soprattutto la propria esperienza e conoscenza della geografia del luogo, per poter meglio valutare come essa possa influenzare l’andamento del tempo, o quale importanza dare a particolari che non compaiono su carte a scala continentale, ma che possono annunciare importanti cambiamenti del tempo a livello locale.

Il contributo del Meteorologo nasce, in definitiva, da un’articolata sinergia tra competenza ed esperienza, che coinvolge la dinamica stessi dei processi mentali (cioè l’abilità diagnostica e prognostica), unitamente al possesso di lungimiranza (o “vista sinottica”) e capacità di sintesi, con l’aggiunta di… un briciolo di pura fortuna! (… perché no?).

Fine


 

 

Figura 1

Le stazioni meteorologiche automatiche sostituiscono l’osservatore umano nelle località più disagiate del pianeta. È il caso di questo apparato, che, situato all’interno del continente antartico, invia i propri dati alla base italiana di Baia Terra Nova, grazie al rilancio operato dai satelliti polari americani della rete NOAA (foto Marco Tadini).

Figura 2

Una tromba marina fotografata nel mese di luglio al largo delle coste pugliesi non è certo il tipico tempo che è possibile predire con metodi climatologici o statistici! Tuttavia, i moderni sistemi radar e satellitari sono in grado di seguire gli spostamenti sulla superficie terrestre dei fenomeni atmosferici più violenti, permettendo così ai Meteorologi di dedurne l’evoluzione a breve scadenza (foto Marco Tadini).

 


 

 

Dott. Marco Tadini
meteorologo

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