LA PREVISIONE NWP – 2

(Parte Seconda)

Dai modelli globali a quelli locali: come grazie al progresso tecnologico
cambia di continuo la nostra capacità di interrogare il tempo

Modelli globali e ad area limitata

Il problema del dominio, cioè dell’estensione geografica, di un modello matematico e della sua risoluzione, ovverosia delle dimensioni minime che deve avere un fenomeno atmosferico affinché risulti correttamente simulato, si traduce sostanzialmente in una questione “tecnologica”: potendo disporre di notevoli risorse di calcolo, l’ECMWF, il Centro Europeo per le Previsioni a Medio Termine, ha sviluppato un proprio modello globale con risoluzione spaziale, cioè “passo di griglia”, che arriva fino a circa 40 Km in orizzontale (in realtà è un modello spettrale che utilizza un numero totale di 511 onde; si veda Figura 1) e a 60 livelli in verticale. Il numero dei punti di griglia viene progressivamente diminuito all’aumentare della latitudine, in modo da ovviare al problema della convergenza dei meridiani ai poli e mantenere regolare la separazione est-ovest. La rappresentazione verticale è invece compresa tra il suolo e la superficie isobarica 0,1 hPa, con risoluzione superiore nei primi 1,5 km (sono presenti anche quattro livelli nel sottosuolo, fino ad una profondità di 1,9 metri); i primi livelli seguono il profilo orografico della superficie terrestre, per poi andare progressivamente a coincidere con le superfici a pressione costante. I dati orografici inseriti nel modello europeo hanno una risoluzione di 1 km e comprendono i valori di altezza media sul livello del mare, a meno delle zone di maggior elevazione, dove viene invece utilizzata una descrizione più realistica a quattro parametri.

Quando si parla di dinamiche atmosferiche, occorre però rammentare come la maggior parte del contributo energetico alla nostra atmosfera non provenga dalla radiazione solare diretta, ma dalla superficie terrestre, che questa radiazione assorbe e riemette successivamente nella banda infrarossa dello spettro elettromagnetico, invisibile all’occhio umano. Ecco quindi che i modelli globali debbono considerare nelle loro equazioni il diverso influsso di regioni anche tra loro morfologicamente molto differenti. Il modello europeo, per esempio, considera, per ciascun elemento di spazio racchiuso tra punti di griglia adiacenti (la cosiddetta “scatola” o grid box), la percentuale di terraferma presente, assegnando un valore compreso tra 0 (100% di mare) e 1 (100% di terra); vengono inoltre inseriti dati di temperatura superficiale del mare (differenziando inoltre tra “mare aperto” e “ghiaccio marino”), copertura percentuale di ciascun tipo di vegetazione, grado di albedo (cioè di riflessione della radiazione solare diretta), copertura nevosa (con dettagli di estensione, profondità e tipo della copertura), presenza nell’aria di aerosol e altre forme di polveri.

I modelli globali, seppur così perfezionati, hanno tuttavia un limite di risoluzione, a motivo del quale, volendo disporre di previsioni più dettagliate su aree ristrette, è necessario utilizzare i cosiddetti modelli “ad area limitata” o LAM (Limited Area Model), che integrano i propri calcoli su grigliati più fini, da 20 fino a pochi km (Figura 1). Ovviamente poiché un aumento della risoluzione implica sia un aumento esponenziale del numero di punti di griglia su cui risolvere le equazioni, sia una descrizione dei fenomeni fisici che deve divenire più dettagliata e precisa, l’unica soluzione possibile, a parità di tempo di calcolo, è proprio quella di restringere le aree di integrazione.

Il nesting dei modelli locali

Per spingersi ad alte risoluzioni viene usato un procedimento di “nidificazione” o nesting, che consiste in una prima applicazione del modello a risoluzione 20 Km su una prima area, a partire da condizioni iniziali definite proprio dai modelli globali; i risultati vengono utilizzati come dato iniziale per una seconda applicazione a risoluzione di 6-7 km su una seconda area, di minore estensione della prima; infine, su una terza area ancora più piccola viene applicato il modello a più alta risoluzione, ad esempio 2 Km, guidato dai risultati dell’applicazione precedente. I LAM vengono applicati su tempi che non superano le 72 ore, a causa della forzatura insita nella limitazione dell’area di applicazione: oltre tale limite, infatti, le condizioni al contorno, indicate dal modello globale, tenderebbero a prendere il sopravvento, con la possibilità che due stati iniziali tra loro molto simili vadano ad evolvere verso configurazioni finali tra loro completamente differenti.

È la rappresentazione di ciò che i matematici chiamano caos deterministico, ovverosia la capacità dei sistemi “deterministici” (cioè privi di ogni elemento aleatorio nelle equazioni che li definiscono) di generare andamenti estremamente complessi, sotto molti aspetti imprevedibili, tanto da risultare quasi indistinguibili da sequenze di eventi generati attraverso processi aleatori. Nella pratica, i LAM a 20Km arrivano a 72 ore, quelli a 6-10 Km a 48, quelli a 1-3 Km a 24-36 ore.

Pregi e difetti dei modelli locali

Il vantaggio di usare modelli ad area limitata dipende quindi dalla scala del fenomeno che si intende prevedere, risultando per esempio poco utili nei casi in cui il tempo appare dominato da strutture a grande scala come i fronti o caratterizzi ampie regioni di aria stabile e orografia non pronunciata. In presenza di condizioni ambientali rapidamente mutevoli, invece, dai LAM possono provenire informazioni extra che aiutano i meteorologi a migliorare la precisione del proprio lavoro, con un contributo di maggior dettaglio circa l’intensità dei fenomeni a piccola scala.

I modelli globali ricorrono infatti all’ipotesi dell’equilibrio idrostatico, una semplificazione delle equazioni che governano i moti atmosferici e che postula l’assenza di moti verticali a causa dell’esatta equivalenza tra due forze contrapposte, che agiscono su un medesimo volume di atmosfera: la gravità e la differenza di pressione (il cosiddetto gradiente barico) tra le diverse quote. Se ciò può di massima essere considerato vero per molti fenomeni a scala globale e sinottica (intendendo con questo termine strutture che abbiano dimensioni dell’ordine del migliaio di km, come gli anticicloni e le depressioni), dove sono i movimenti orizzontali a predominare, non può più essere considerato realistico per i fenomeni a mesoscala (termine questo che si riferisce invece a dimensioni dell’ordine delle decine o centinaia di chilometri), per i quali deve invece essere assunta l’ipotesi della non idrostaticità, con conseguente inserimento di equazioni per la resa dei movimenti verticali, alla base, per esempio, dei fenomeni di origine convettiva. Nella pratica, l’ipotesi dell’equilibrio idrostatico è una semplificazione che, sacrificando la descrizione dei moti verticali, viene introdotta per permettere al modello di concludere le proprie elaborazioni in tempo utile all’impiego pratico, mantenendo nel contempo una sufficiente risoluzione orizzontale. Ovviamente, è questa una limitazione intrinseca dei modelli globali che tenderà ad essere sempre meno necessaria grazie al progressivo aumento delle capacità di calcolo dei moderni supercomputers.

In aggiunta a tutto ciò, i LAM hanno spesso prestazioni migliori nelle regioni costiere o di montagna (Figura 2) rispetto ai tradizionali modelli globali, purché possano disporre di dati topografici di elevato dettaglio, così come di informazioni precise sulla temperatura del mare.

Gli svantaggi insiti nella natura dei modelli a scala locale sono principalmente riconducibili alla forte dipendenza dalle condizioni al contorno utilizzate per l’inizializzazione; per questo, è sempre consigliabile controllare sistematicamente la bontà di un LAM paragonandone analisi e previsioni a breve scadenza con le osservazioni, anche in funzione della compilazione di una sorta di casistica circa il comportamento del modello stesso in precedenti situazioni meteorologiche analoghe. Inoltre, anche i modelli locali a più alta risoluzione devono comunque ricorrere all’espediente della parametrizzazione, cioè della descrizione attraverso parametri derivati statisticamente o dai relativi processi fisici, per poter includere al proprio interno alcuni fenomeni che hanno dimensioni tipiche dell’ordine del chilometro e che risultano, quindi, interamente compresi in una grid box; pensiamo, ad esempio, ad alcune turbolenze che si generano per l’attrito con ostacoli naturali o artificiali (Figura 3).

Utilizzo dei modelli NWP

I modelli globali operativi (cioè quelli gestiti in modo da garantirne il continuo funzionamento) vengono di massima elaborati due volte al giorno (in gergo ogni elaborazione viene detta corsa run) ed i prodotti distributi agli aventi diritto mediante canali dedicati. Ma il run del modello è solo una parte del processo prognostico, poiché il meteorologo deve aggiungere il proprio personale contributo al dato numerico prima che la previsione venga emessa, considerando quei dettagli a scala troppo piccola per un modello globale o, nel caso di impiego di modelli LAM, paragonando attentamente la previsione a breve scadenza con le osservazioni.

Il meteorologo può, inoltre, compiere anche una valutazione comparativa tra run successivi di uno stesso modello, per verificarne il grado di consistenza interna ed eventualmente ricorrere all’ausilio di altri dati nel caso questa venga palesemente a mancare, così come tra run contemporanei di diversi modelli, aumentando il grado di attendibilità della propria previsione, di fronte alla convergenza di questi verso situazioni non discordanti.

È questa insostituibile collaborazione tra uomo e computer che costituisce uno degli aspetti più all’avanguardia della scienza meteorologica.

2 – Fine

 


 

Figura 1

Il dominio dei modelli globali e ad area locale.

Figura 1

Il dominio dei modelli globali e ad area locale

Figura 1

Il dominio dei modelli globali e ad area locale.


 

 

Dott. Marco Tadini
meteorologo

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