Le misure necessarie per l’inizializzazione dei modelli per la previsione del tempo

John von Neumann, dopo aver teorizzato e realizzato il primo calcolatore numerico funzionante, nel 1950, decise di testarne le potenzialità applicandovi quella che secondo lui era la problematica più complessa: la previsione numerica delle condizioni meteorologiche. Fu per questo che, insieme a Jule Gregory Charney, il padre della meteorologia numerica funzionante, fondò il Geophysical Fluid Dynamics Laboratory.

Il meteorologo Lewis Fry Richardson, creatore del primo modello dinamico per la previsione del tempo, propone la creazione di una "fabbrica di previsione" che avrebbe occupato circa 64.000 "computer umani" seduti in sorte di "gironi danteschi" intorno alla circonferenza di un globo gigante. Ogni uomo-calcolatore sarebbe stato responsabile per la risoluzione di equazioni differenziali relative alla meteorologia in un quadrante della terra (adesso noi diremmo: in un punto griglia). Su un piedistallo al centro di questa fabbrica, un direttore avrebbe orchestrato questa "sinfonia" di equazioni proiettando un fascio luminoso sulle aree del globo in cui il calcolo era troppo veloce o lento: insomma, un direttore-sincronizzatore, ruolo che nei computer è ora occupato dal clock. Si può proprio dire che Richardson fu un antesignano...

Il meteorologo Lewis Fry Richardson, creatore del primo modello dinamico per la previsione del tempo, propone la creazione di una “fabbrica di previsione” che avrebbe occupato circa 64.000 “computer umani” seduti in sorte di “gironi danteschi” intorno alla circonferenza di un globo gigante. Ogni uomo-calcolatore sarebbe stato responsabile per la risoluzione di equazioni differenziali relative alla meteorologia in un quadrante della terra (adesso noi diremmo: in un punto griglia). Su un piedistallo al centro di questa fabbrica, un direttore avrebbe orchestrato questa “sinfonia” di equazioni proiettando un fascio luminoso sulle aree del globo in cui il calcolo era troppo veloce o lento: insomma, un direttore-sincronizzatore, ruolo che nei computer è ora occupato dal clock. Si può proprio dire che Richardson fu un antesignano…

Ho detto funzionante, in quanto, prima di loro due, alla fine degli anni ’20, Lewis Fry Richardson aveva già tentato di prevedere, retroattivamente, il tempo integrando numericamente le equazioni differenziali del moto relative ad una giornata, che specificamente era il 20 maggio 1910. Il suo tentativo, tuttavia, nonostante il fatto che egli dovette fare tutti i conti “a mano”, poichè i computer non esistevano ancora (la parola “computer” fu usata più volte da Richardson nel suo significato letterale di “persona che fa i conti”), fallì, in quanto i suoi calcoli previdero un incremento di pressione in sei ore di circa 150 hPa. A posteriori, si scoprì che il motivo del suo fallimento fu un problema di trattamento delle condizioni iniziali, che egli non adoperò in quanto non conosceva evidentemente questo tipo di problema, e che fece sì che i suoi risultati fossero viziati dalla presenza di onde di gravità (oggigiorno, le onde di gravità vengono opportunamente filtrate). Fu questo il vero motivo del fallimento, e non un problema di instabilità numerica, dovuto al non aver impiegato i criteri di stabilità delle soluzioni numeriche nei suoi calcoli, scoperti in seguito (criterio di stabilità di Courant-Friedrichs-Lewy), in quanto Richardson integrò le equazioni per un solo time step, della durata di sei ore. Anche se può sembrare molto breve, tale lavoro lo tenne impiegato part time almeno per sei settimane (come egli stesso lasciò scritto), ma secondo alcuni in realtà la mole di calcoli fu così monumentale che potrebbe averci impiegato addirittura due anni (si veda questo libro di Lynch). Il lavoro di Richardson, tuttavia, pur se non coronato dal successo, lo consacrò ai posteri come il vero pioniere della previsione meteorologica numerica, un risultato ancora più notevole se si pensa che lo fece nel tempo rimasto libero dal servizio presso la Ambulance Unit quaccher

Ancora oggi, la previsione meteorologica rappresenta uno dei campi scientifici che più necessita di calcolatori ad altissima capacità di calcolo e di memoria. Forse però pochi sanno che anche l’inizializzazione dei dati necessari alle corse dei modelli è un processo che richiede un’ingente capacità di calcolo ed una struttura internazionale molto efficiente di raccolta dei dati stessi.

Nello scorso post avevamo visto cosa sono i modelli meteorologici. In questo post parleremo dei tipi di dati necessari, mentre successivamente vedremo come i modelli li elaborano. Per ora, ci limitiamo semplicemente a dire che le principali variabili necessarie per la definizione dello stato dinamico e termodinamico del sistema sono: la pressione, la temperatura, le tre componenti della velocità del vento, la quantità di vapore acqueo, acqua liquida e ghiaccio. Siccome un modello meteorologico è prognostico, calcola i valori delle grandezze nel futuro; per farlo, deve conoscere i valori delle grandezze nel presente. Consentitemi in questo post di dare per scontata questa affermazione, sulla quale torneremo nel post seguente.

Esempio di stazione meteorologica. Questa stazione, fotogrfata nel 2008,  si trova ad Aegina Marina, sull’isola di Egina, e praticamente racchiude tutti gli errori che è possibile commettere nell’installazione di una stazione meteo (per fortuna, almeno non c’è l’anemometro).

Questa stazione, da me fotografata nel 2007, si trova(va) ad Aegina Marina, sull’isola di Egina, e praticamente racchiude tutti gli errori che è possibile commettere nell’installazione di una stazione meteo. Infatti, i dati che arrivano da una stazione simile sono totalmente inutili (per fortuna, almeno non c’è l’anemometro).

Esempio di capannina meteorologica. Questa stazione si trova a Torino, presso i Giardini Reali, ed è quasi a norma WMO: l’edificio sullo sfondo è però un po’ troppo vicino ed inoltre sono presenti degli alberi nelle vicinanze, ma non essendoci l’anemometro si può dire che questa stazione sia rappresentativa del clima urbano.

Questa stazione si trova a Torino, presso i Giardini Reali, ed è quasi a norma WMO: l’edificio sullo sfondo è però un po’ troppo vicino ed inoltre sono presenti degli alberi nelle vicinanze, ma non essendoci l’anemometro si può dire che questa stazione sia rappresentativa del clima urbano.

Esempio di capannina meteorologica

Esempio di capannina meteorologica e disposizione della strumentazione tipica al suo interno. Il suolo sottostante dovrebbe essere inerbito, ed il colore mantenuto bianco. La porta dovrebbe essere posizionata a Nord, per non essere colpita dalla radiazione solare quando si leggono i dati.

Nel post precedente, abbiamo visto come i modelli risolvano numericamente le equazioni su grigliati tridimensionali (ad esempio, nel caso dei due modelli più famosi, il GFS e l’IFS, si hanno oltre cento milioni di punti griglia). Questo significa che, su ogni punto griglia, all’inizio della simulazione, è necessario fornire i valori iniziali delle variabili sopra menzionate. Qui vogliamo dettagliare quali dati si usano, il che ci porta a parlare anche di quali dati si misurano.

Nel mondo, esistono moltissime stazioni meteorologiche che misurano diversi tipi di dati. Quelle più comuni sono dotate di una capannina in legno (Stevenson screen, o shelter) verniciata di bianco (al fine di riflettere il più possibile la radiazione solare, e di garantire l’omogeneità delle stazioni tra di loro), posta a circa 1.5 m di altezza rispetto al suolo.

Esempio di una stazione meteorologica moderna. In questa stazione, non è più presente la capannina, e gli strumenti sensibili sono alloggiati dentro apposite pagodine bianche al fine di non risentire della radiazione solare.

Esempio di una stazione meteorologica moderna. In questa stazione, non è più presente la capannina, e gli strumenti sensibili sono alloggiati dentro apposite pagodine bianche al fine di non risentire della radiazione solare.

Le regole dell’organizzazione meteorologica mondiale (WMO) prescrivono che, in una stazione a norma, la capannina sia posta su suolo inerbato, e che i principali ostacoli (alberi, edifici, ma anche colline, ecc.) siano collocati a circa 100 m di distanza in ogni direzione.

Prescrivono inoltre che gli strumenti, di tipo tradizionale, siano collocati in capannina, anche se, al giorno d’oggi, sono molto diffusi anche gli strumenti collocati su pagodina, i quali, tuttavia, non sono, incredibilmente, ancora soggetti a normative specifiche da parte del WMO.

La dotazione standard di una stazione meteorologica comprende: termometro, igrometro (o psicrometro), barometro, anemometro e pluviometro, dei quali i primi tre dovrebbero stare all’interno della capannina.  Alcune stazioni sono dotate anche di solarimetro o altri strumenti per la misura della radiazione solare o infrarossa, o anche ultravioletta.

Le stazioni poste in alta quota hanno i nivometri, che misurano lo spessore della neve al suolo, al posto del pluviometri, i quali non funzionano bene in presenza di nevicate molto copiose; e spesso non hanno anemometri, in quanto il ghiaccio potrebbe bloccarne il movimento o ricoprirne le parti sensibili, rendendoli così inutili.

In prossimità dei fiumi, inoltre, alcune stazioni idrologiche, oltre a strumenti per la misura del livello dei fiumi, come gli idrometri, possiedono anche alcuni strumenti meteorologici. Infine, sul mare, che, ricordiamolo, occupa i due terzi della superficie terrestre, sono presenti delle boe strumentate, sulle quali sono montati alcuni strumenti meteorologici. A queste misure si aggiungono, infine, le misure effettuate lungo le loro rotte da alcune navi, anch’esse dotate di strumentazione.

Struttura del Global Telecommunication System. Fonte: Wikipedia

Struttura del Global Telecommunication System. Fonte: Wikipedia

Una selezione di tutti questi dati meteorologici confluisce nel Global Telecommunication System. Ci sono due motivi sostanziali per i quali non tutte le misure vengono utilizzate. Il primo è che i dati debbono essere messi in circolo in tempo reale, per cui le stazioni meteorologiche debbono essere in grado di spedirli ai centri di raccolta istantaneamente. Il secondo, e più importante, è che la copertura delle stazioni non è affatto omogenea sul globo (come si vede dalle immagini relative al numero di dati circolanti nel GTS, sotto, la densità riflette contemporaneamente la densità abitativa, almeno fino ad una certa soglia, e lo sviluppo economico delle zone: Stati Uniti, Europa e Sud-Est asiatico sono le zone con maggiore densità di stazioni), e soprattutto non è proporzionale a quanto sarebbe richiesto. La densità di stazioni, infatti, dovrebbe essere rappresentativa delle caratteristiche della superficie stessa. Ad esempio, su un deserto omogeneo, sarebbe inutile avere molte stazioni, visto che presumibilmente le misure da esse rilevate non sarebbero troppo diverse tra loro. Invece, in una zona con sistemi orografici anche semplici, una maggiore ricchezza di stazioni può permettere di caratterizzare meglio la meteorologia dei singoli luoghi.

- varie tipologie di dati confluiti attraverso il GTS al centro ECMWF per elaborare la corsa modellistica delle ore 00 UTC del 4 gennaio 2014. (a) stazioni meteorologiche su terra e su nave; i puntini sul mare indicano sia le navi, sia a volte delle piccole isole; come si può notare, la copertura è molto disomogenea sulla superficie terrestre. (b) boe strumentate: la copertura è relativamente più omogenea delle precedenti (ad eccezione delle zone polari e subpolari), anche se la densità è di gran lunga inferiore. (c) dati meteorologici provenienti da aerei: la copertura rivela le principali rotte interne ed intercontinentali dei vari paesi del mondo. Si nota anche che non tutti i paesi partecipano in ugual modo alla raccolta dati (il che a volte dipende anche dall’orario: certe rotte hanno distribuzioni giornaliere differenziate). (d) dati meteorologici forniti dai satelliti geostazionari (direttamente o indirettamente) ; la colorazione diversa identifica i vari satelliti. (e) postazioni di radiosondaggio; (f) profilatori verticali (palloni senza sonda). Fonte: ecmwf.int.

Stazioni meteorologiche su terra e nave che hanno fatto confluire i dati attraverso il GTS al centro ECMWF per elaborare la corsa modellistica delle ore 00 UTC del 4 gennaio 2014. I puntini sul mare indicano le navi e, a volte, delle piccole isole. Come si può notare, la copertura è molto disomogenea sulla superficie terrestre. Fonte: ecmwf.int.

- varie tipologie di dati confluiti attraverso il GTS al centro ECMWF per elaborare la corsa modellistica delle ore 00 UTC del 4 gennaio 2014. (a) stazioni meteorologiche su terra e su nave; i puntini sul mare indicano sia le navi, sia a volte delle piccole isole; come si può notare, la copertura è molto disomogenea sulla superficie terrestre. (b) boe strumentate: la copertura è relativamente più omogenea delle precedenti (ad eccezione delle zone polari e subpolari), anche se la densità è di gran lunga inferiore. (c) dati meteorologici provenienti da aerei: la copertura rivela le principali rotte interne ed intercontinentali dei vari paesi del mondo. Si nota anche che non tutti i paesi partecipano in ugual modo alla raccolta dati (il che a volte dipende anche dall’orario: certe rotte hanno distribuzioni giornaliere differenziate). (d) dati meteorologici forniti dai satelliti geostazionari (direttamente o indirettamente) ; la colorazione diversa identifica i vari satelliti. (e) postazioni di radiosondaggio; (f) profilatori verticali (palloni senza sonda). Fonte: ecmwf.int.

Boe strumentate che hanno fatto confluire i dati attraverso il GTS al centro ECMWF per elaborare la corsa modellistica delle ore 00 UTC del 4 gennaio 2014. La copertura è relativamente più omogenea rispetto alle precedenti (ad eccezione delle zone polari e subpolari), anche se la densità è di gran lunga inferiore. Fonte: ecmwf.int.

- varie tipologie di dati confluiti attraverso il GTS al centro ECMWF per elaborare la corsa modellistica delle ore 00 UTC del 4 gennaio 2014. (a) stazioni meteorologiche su terra e su nave; i puntini sul mare indicano sia le navi, sia a volte delle piccole isole; come si può notare, la copertura è molto disomogenea sulla superficie terrestre. (b) boe strumentate: la copertura è relativamente più omogenea delle precedenti (ad eccezione delle zone polari e subpolari), anche se la densità è di gran lunga inferiore. (c) dati meteorologici provenienti da aerei: la copertura rivela le principali rotte interne ed intercontinentali dei vari paesi del mondo. Si nota anche che non tutti i paesi partecipano in ugual modo alla raccolta dati (il che a volte dipende anche dall’orario: certe rotte hanno distribuzioni giornaliere differenziate). (d) dati meteorologici forniti dai satelliti geostazionari (direttamente o indirettamente) ; la colorazione diversa identifica i vari satelliti. (e) postazioni di radiosondaggio; (f) profilatori verticali (palloni senza sonda). Fonte: ecmwf.int.

Dati meteorologici (diretti e indiretti) forniti dai satelliti geostazionari che hanno fatto confluire i dati attraverso il GTS al centro ECMWF per elaborare la corsa modellistica delle ore 00 UTC del 4 gennaio 2014. La colorazione diversa identifica i vari satelliti. Come si vede, numericamente il dataset è il più consistente tra tutte le fonti di dati, ma la copertura non è tridimensionalmente omogenea, e la qualità in certi casi è inferiore. Fonte: ecmwf.int.

- varie tipologie di dati confluiti attraverso il GTS al centro ECMWF per elaborare la corsa modellistica delle ore 00 UTC del 4 gennaio 2014. (a) stazioni meteorologiche su terra e su nave; i puntini sul mare indicano sia le navi, sia a volte delle piccole isole; come si può notare, la copertura è molto disomogenea sulla superficie terrestre. (b) boe strumentate: la copertura è relativamente più omogenea delle precedenti (ad eccezione delle zone polari e subpolari), anche se la densità è di gran lunga inferiore. (c) dati meteorologici provenienti da aerei: la copertura rivela le principali rotte interne ed intercontinentali dei vari paesi del mondo. Si nota anche che non tutti i paesi partecipano in ugual modo alla raccolta dati (il che a volte dipende anche dall’orario: certe rotte hanno distribuzioni giornaliere differenziate). (d) dati meteorologici forniti dai satelliti geostazionari (direttamente o indirettamente) ; la colorazione diversa identifica i vari satelliti. (e) postazioni di radiosondaggio; (f) profilatori verticali (palloni senza sonda). Fonte: ecmwf.int.

Dati meteorologici provenienti da aerei che hanno fatto confluire i dati attraverso il GTS al centro ECMWF per elaborare la corsa modellistica delle ore 00 UTC del 4 gennaio 2014. La copertura rivela le principali rotte interne ed intercontinentali dei vari paesi del mondo. Si nota anche che non tutti i paesi partecipano in ugual modo alla raccolta dati (il che a volte dipende anche dall’orario: certe rotte hanno distribuzioni giornaliere differenziate). Fonte: ecmwf.int.

- varie tipologie di dati confluiti attraverso il GTS al centro ECMWF per elaborare la corsa modellistica delle ore 00 UTC del 4 gennaio 2014. (a) stazioni meteorologiche su terra e su nave; i puntini sul mare indicano sia le navi, sia a volte delle piccole isole; come si può notare, la copertura è molto disomogenea sulla superficie terrestre. (b) boe strumentate: la copertura è relativamente più omogenea delle precedenti (ad eccezione delle zone polari e subpolari), anche se la densità è di gran lunga inferiore. (c) dati meteorologici provenienti da aerei: la copertura rivela le principali rotte interne ed intercontinentali dei vari paesi del mondo. Si nota anche che non tutti i paesi partecipano in ugual modo alla raccolta dati (il che a volte dipende anche dall’orario: certe rotte hanno distribuzioni giornaliere differenziate). (d) dati meteorologici forniti dai satelliti geostazionari (direttamente o indirettamente) ; la colorazione diversa identifica i vari satelliti. (e) postazioni di radiosondaggio; (f) profilatori verticali (palloni senza sonda). Fonte: ecmwf.int.

Profilatori verticali (palloni senza sonda) che hanno fatto confluire i dati attraverso il GTS al centro ECMWF per elaborare la corsa modellistica delle ore 00 UTC del 4 gennaio 2014. Fonte: ecmwf.int.

- varie tipologie di dati confluiti attraverso il GTS al centro ECMWF per elaborare la corsa modellistica delle ore 00 UTC del 4 gennaio 2014. (a) stazioni meteorologiche su terra e su nave; i puntini sul mare indicano sia le navi, sia a volte delle piccole isole; come si può notare, la copertura è molto disomogenea sulla superficie terrestre. (b) boe strumentate: la copertura è relativamente più omogenea delle precedenti (ad eccezione delle zone polari e subpolari), anche se la densità è di gran lunga inferiore. (c) dati meteorologici provenienti da aerei: la copertura rivela le principali rotte interne ed intercontinentali dei vari paesi del mondo. Si nota anche che non tutti i paesi partecipano in ugual modo alla raccolta dati (il che a volte dipende anche dall’orario: certe rotte hanno distribuzioni giornaliere differenziate). (d) dati meteorologici forniti dai satelliti geostazionari (direttamente o indirettamente) ; la colorazione diversa identifica i vari satelliti. (e) postazioni di radiosondaggio; (f) profilatori verticali (palloni senza sonda). Fonte: ecmwf.int.

Postazioni di radiosondaggio che hanno fatto confluire i dati attraverso il GTS al centro ECMWF per elaborare la corsa modellistica delle ore 00 UTC del 4 gennaio 2014. Fonte: ecmwf.int.

Non bisogna dimenticare, tuttavia, che il dettaglio dipende anche dalla scala risolta dal modello: per inizializzare la previsione su una determinata area, infatti, è richiesto un numero di stazioni diverso a seconda che si usi un modello globale (GCM – si noti che la sigla è la stessa usata per indicare i Global Climate Models) o uno ad area limitata (LAM): quest’ultimo, infatti, lavorando  su scale più piccole, richiede un maggior numero di dati. Nelle figure a fianco e sotto, abbiamo riportato il numero di dati che viene raccolto dal GTS per inizializzare il modello IFS dell’ECMWF: pur se il numero di stazioni è riferito ad un preciso istante temporale, l’ordine di grandezza può essere assunto come tipico e valido anche per gli altri modelli globali del mondo.

Le stazioni meteorologiche normalmente misurano in modo più o meno continuativo i dati. Nel circuito GTS, tuttavia, ne vengono trasmessi solamente alcuni, per lo stesso motivo di cui sopra, ed anche per non intasare con troppi dati il circuito stesso. Normalmente, una stazione meteo inserita nel circuito GTS appartiene o alla rete METAR (stazioni meteo di interesse aeronautico) o a quella SYNOP. Le prime prevedono la trasmissione su scala oraria dei dati meteo, mentre le seconde ogni tre ore. In alcuni casi, durante la notte la trasmissione dei dati si interrompe. L’orario di trasmissione dei dati segue in tutto il mondo l’orario UTC (Universel Temps Coordonné, in pratica l’ora del meridiano 0 di Greenwich) . Per le stazioni SYNOP, la trasmissione avviene alle: 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18 e 21 UTC.

Fino ad ora abbiamo parlato soltanto di stazioni dislocate sulla superficie terrestre. Il modello richiede dati anche nel resto dell’atmosfera, o quantomeno della troposfera (lo strato che racchiude i 6-18 km più vicini al suolo) e della stratosfera medio-bassa (fino a 50 km di altezza). Come si ottengono misure in tali aree? Con i palloni sonda, gli aerei ed i satelliti.

Esempio di sonda meteorologica (in questo caso della VAISALA), con i sensori in essa dislocati.

Esempio di sonda meteorologica (in questo caso della VAISALA), con i sensori in essa dislocati. Queste sonde inviano un segnale che viene rilevato, a terra, da almeno tre antenne, in modo da poterla localizzare nello spazio tridimensionale e poterne quindi dedurre la velocità del moto, da cui si deriva quella del vento.

Sonda meteorologica attaccata ad un pallone riempito di elio. Il pallone, riempito ad una certa pressione, deve garantire una velocità ascensionale media di 1-3 m/s.

Sonda meteorologica attaccata ad un pallone riempito di elio. Il materiale rosso è il paracadute, Il pallone, riempito ad una certa pressione, deve garantire una velocità ascensionale media di 1-2 metri al secondo.

I palloni sonda sono grossi palloni, riempiti di elio, che salgono con velocità costante, ed ai quali è attaccata una sonda meteorologica che misura i principali parametri atmosferici e li trasmette via radio alle centrali di raccolta dati, mentre il vento lo si ricava dalla triangolazione del segnale radio. Ci sono circa settecento stazioni nel mondo che eseguono radiosondaggi, di norma due volte al giorno, ad ore fisse: le 00 e le 12 UTC. In Italia, ad esempio, ci sono otto stazioni di radiosondaggio fisse: Levaldigi (Cuneo), Milano, Udine, San Pietro Capofiume (Bologna), Roma, Brindisi, Palermo e Cagliari; di queste, quella cuneese e quella bolognese sono delle ARPA, mentre le altre fanno capo all’Aeronautica Militare, sotto la cui egida vi è ancora il Servizio Meteorologico Nazionale (in questi giorni sembra siano stati emanati i regolamenti attuativi del Servizio Meteorologico Distribuito, che potrebbe riunificare i servizi regionali con quello nazionale). Le radiosonde (qui un esempio) sono tutte a perdere, in quanto, a grandi altezze, il pallone di elio, che salendo si dilata sempre più a causa della ridotta pressione atmosferica esterna, ad un certo punto esplode e quindi la sonda ricade al suolo.

Strumentazione tipica presente su un aeroplano, in cui si distinguono anche alcuni sensori meteorologici.

Strumentazione tipica presente su un aereo, in cui si distinguono anche alcuni sensori meteorologici.

Molti aerei di linea sono strumentati con sensori meteorologici (necessari per la sicurezza del volo stesso) e raccolgono diversi dati con continuità durante le loro rotte. Questi dati hanno il vantaggio di essere molto fitti, in quanto ci sono molti aerei nel mondo, ma anche lo svantaggio di fornire dati soltanto in determinate porzioni di atmosfera, e cioè le aerovie, come si vede dalla figura precedente che mostra i dati AIRCRAFT confluiti all’ECMWF. Pertanto, la maggior parte dei dati si riferisce a quote situate nei pressi della tropopausa. Ovviamente ci sono anche i profili verticali durante le fasi di decollo e atterraggio. Inoltre, poichè spesso gli orari dei voli sono discontinui, non c’è neppure la continuità temporale. In ogni caso, numericamente gli aerei forniscono alcune decine di migliaia di dati di alta qualità al circuito GTS.

Esistono due principali tipi di satelliti meteorologici che orbitano intorno alla Terra. Quelli che seguono un’orbita geosincrona orbitano attorno all’equatore con una velocità angolare uguale a quella di rotazione terrestre, e pertanto “vedono” sempre la stessa porzione di superficie; di questi ce ne sono sette, tra i quali quello che “vede” l’Europa è il MSG3; essi orbitano necessariamente ad una distanza di circa 36000 km dalla superficie terrestre. Quelli che seguono invece un’orbita polare si trovano molto più vicini alla Terra (circa 6000 km) ed effettuano una rivoluzione in circa 1.5-2 ore, ma inquadrano ogni volta una porzione diversa della superficie, in media ripassando sulla stessa zona (ma con angolazioni diverse) 1-2 volte al giorno.

Esistono due principali tipi di satelliti meteorologici che orbitano intorno alla Terra. Quelli che seguono un’orbita geosincrona orbitano attorno all’equatore con una velocità angolare uguale a quella di rotazione terrestre, e pertanto “vedono” sempre la stessa porzione di superficie; di questi ce ne sono sette, tra i quali quello che “vede” l’Europa è il MSG3; essi orbitano necessariamente ad una distanza di circa 36000 km dalla superficie terrestre. Quelli che seguono invece un’orbita polare si trovano molto più vicini alla Terra (circa 6000 km) ed effettuano una rivoluzione in circa 1.5-2 ore, ma inquadrano ogni volta una porzione diversa della superficie, in media ripassando sulla stessa zona (ma con angolazioni diverse) 1-2 volte al giorno.

Infine, i satelliti meteorologici, monitorando l’atmosfera praticamente con continuità temporale in bande spettrali a diverse lunghezze d’onda, forniscono una grande mole di dati, molto superiore – numericamente – a quella delle altre metodologie di misura (come si può vedere da una delle Figura 2, che rappresenta il numero e la dislocazione di dati usati per l’inizializzazione dell’IFS dell’ECMWF); si tratta, però, di dati indiretti, ovvero di valori molte volte ricavati dalle misure primarie (quelle di radiazione), e quindi affetti da errori maggiori. E, per certi valori, la copertura di dati è anche discontinua. Ad esempio, il satellite può ricavare una stima della temperatura superficiale del mare (la SST), ma ovviamente lo fa soltanto nelle zone in cui non sono presenti nubi (che schermano la vista del mare da parte del satellite).

A questi strumenti si possono aggiungere eventuali altri strumenti, come per esempio quelli che effettuano misure di remote sensing da terra (Sodar, RASS, Wind Profiler, Radar, Lidar, …), i quali forniscono misure di profili verticali (tipicamente di velocità del vento e temperatura, e talora di vapore acqueo). Tuttavia, a parte i Radar, essi sono abbastanza rari, dal momento che sono molto costosi. Tra quelli summenzionati, i Radar meteorologici sono in realtà abbastanza diffusi, in quanto la rete meteo Radar mondiale ricopre quasi tutte le zone orograficamente non troppo complesse del pianeta; tuttavia, al momento, appare ancora problematico arrivare ad una disponibilità del dato Radar utile per l’inizializzazione dei modelli in tempo reale, e non tutti i centri modellistici includono tali dati.

Abbiamo citato praticamente tutti i dati relativi alle variabili atte a caratterizzare lo stato dell’atmosfera. Un modello meteorologico ha però anche la necessità di conoscere lo stato della superficie di interfaccia con l’atmosfera, e cioè del suolo o del mare. Ormai i modelli numerici più avanzati (come ad esempio l’IFS) girano accoppiati con un modello che, in modo analogo a quanto avviene con l’atmosfera, prevede le condizioni dello stato del mare, ed in particolare la sua temperatura (superficiale e profonda) e gli scambi (termici e di vapore acqueo) con l’atmosfera. Inoltre essi contengono anche delle apposite routine che prevedono i processi nello strato di sottosuolo di interesse meteorologico (e cioè quello convolto negli scambi di calore e vapore acqueo con l’atmosfera su tempi scala dell’ordine delle due settimane). Poiché anche questi due sottosistemi (suolo e mare) debbono essere inizializzati, è necessario fornire come condizioni iniziali i valori delle variabili (temperatura ed umidità del sottosuolo, e temperatura del mare) a diverse profondità. Dal momento che sono molto poche le stazioni di misura che registrano la temperatura e l’umidità del sottosuolo, e per quanto riguarda il mare, a parte le SST (temperature superficiali), per le quali i satelliti forniscono un dataset sufficientemente completo, ci sono pochissime misure sott’acqua, si ricorre a metodi numerici o a particolari algoritmi di ricostruzione a partire da altre variabili.

Abbiamo quindi visto che la raccolta dei dati necessari per l’inizializzazione dei modelli richiede un’organizzazione estremamente complessa che li raccolga presso dei centri e poi li ridistribuisca in tutto il mondo. A loro volta, i centri meteorologici più importanti memorizzano i dati di loro interesse nei propri archivi e li processano per renderli disponibili ai modelli numerici. L’organizzazione dell’accentramento dei dati meteorologici avviene a diversi livelli, e non sempre le strutture comunicano tra di loro (così, non è purtroppo raro vedere più stazioni a breve distanza tra loro).

In particolare, nel nostro paese esistono attualmente diverse reti meteorologiche che fanno capo ad enti, strutture o istituti diversi, pubblici e privati. Alla rete del servizio meteorologico dell’aeronautica si affiancano, a livello regionale o sovraregionale, le reti delle varie ARPA, del CNR, dei servizi agrometeorologici regionali, delle società di distribuzione elettrica, ma anche dei consorzi agrari e di una miriade di altre entità più o meno grandi, tra le quali non si possono dimenticare quelle che raccolgono i dati delle stazioni amatoriale, attualmente in grande diffusione. Al momento, non esiste un ente nazionale che sovraintenda e coordini tutte le tipologie di dati, mentre esiste invece un centro che si occupa di raccogliere tutti i dati che confluiranno nel circuito del WMO. Risulterebbe troppo lungo e noioso ricostruire tutti gli eventi storici che hanno portato, nel tempo, a questa situazione molto intricata e confusionaria, e praticamente unica nel panorama meteorologico europeo e mondiale, soprattutto pensando che, originariamente, l’Italia fu uno dei primi paesi nel mondo a dotarsi di un’efficiente rete di monitoraggio meteorologico.

Limitandoci, pertanto, alla situazione attuale, già di per sé parecchio complicata, per quanto riguarda la strutturazione delle attività meteorologiche in Italia, dal 2006 il comparto della Difesa ha ristrutturato il Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare, l’organo ufficialmente riconosciuto dal WMO come rappresentante ufficiale della meteorologia italiana, in questo modo:

  • Ufficio Generale Spazio Aereo e Meteorologia – Reparto Meteorologia, USAM, che è l’organismo politico e di rappresentanza, e che organizza le attività del servizio e sovraintende i rapporti con l’estero;
  • Centro Nazionale di Meteorologia e Climatologia Aeronautica, CNMCA, che si occupa della raccolta, elaborazione e diffusione di dati e prodotti meteorologici (analisi, previsioni, avvisi, ecc.) su tutto il territorio nazionale.

Dal CNMCA dipendono 84 stazioni presidiate (di cui 44 in servizio 24 ore) e 110 stazioni automatiche, nonché il 1° CMR che ha lo scopo di svolgere la Veglia Meteorologica Aeronautica Nazionale sull’intero spazio aereo italiano, anche ai fini militari. Inoltre, è il CNMCA che si occupa di dirottare presso i vari centri meteorologici, operativi e non, il flusso dei dati meteorologici provenienti dal GTS, e viceversa di indirizzare le informazioni meteorologiche nazionali verso il GTS stesso.

Alle attività del Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare (ricordiamo che soltanto in un altro paese europeo, la Grecia, il servizio meteorologico è appannaggio dei militari) si sono affiancate, negli ultimi venti anni, quelle delle varie ARPA (acronimo di Agenzia regionale per la protezione dell’ambiente). Queste agenzie, istituite dal 1993 con funzioni sostitutive del servizio sanitario nazionale, hanno assunto via via diverse competenze anche nel campo ambientale, soprattutto negli anni successivi all’entrata in vigore della legge 21 gennaio 1994, quando è diventato loro compito istutuzionale la diffusione delle informazioni e dei dati ambientali e il loro monitoraggio e controllo. In talune regioni, come in Emilia Romagna, l’ARPA ha assunto le competenze di preesistenti organismi che esercitavano attività meteorologica in ambito locale (l’ERSA, Ente Nazionale Sviluppo Agricolo, istituito in tale regione sin dal 1977). In diverse regioni italiane, soprattutto al Nord, le ARPA posseggono al loro interno una struttura che si occupa di dati e bollettini meteorologici in ambio regionale e/o locale.

Naturalmente, se il riordino delle attività meteorologiche derivante dalla messa in opera del Servizio Meteorologico Distribuito andasse in porto, è possibile, e per certi versi altamente auspicabile, che si assista ad una ulteriore ristrutturazione.

Per concludere questo post, ritengo utile sottolineare due ulteriori aspetti delle misure. Il primo è che i dati meteorologici hanno una grande utilità anche per gli studi sul clima: anche se le scienze del clima abbracciano molteplici discipline, tra le quali la meteorologia è soltanto una di esse, è pur vero che la risostruzione degli andamenti termici del passato è un parametro che permette di avere un’idea di massima sulla climatologia, a livello generale ed a scala globale o almeno continentale, di un periodo o di una macrozona. Il secondo è che un requisito fondamentale per una corretta effettuazione delle misure è la necessità di effettuare una manutenzione accurata dei siti e degli strumenti di misura, mediante una taratura rigorosa degli strumenti ed il controllo delle condizioni del sito di acquisizione,  e della qualità dei dati acquisiti.

Questi due aspetti sono strettamente interconnessi. Da un lato, la presenza di dati non corretti può alterare l’inizializzazione dei modelli meteorologici, alterando quindi sin dal principio la correttezza delle previsioni su di essi basate. Dall’altro, l’analisi climatica delle serie storiche confronta i valori medi al fine di trovare delle piccole differenze (di temperatura e altre variabili) e, sulla base di queste, dedurre la presenza di eventuali cambiamenti climatici e quantificarne l’ammontare; sotto questo aspetto, un’alterazione della misura dovuta a cattiva manutenzione della stazione può causare l’indisponibilità di tale stazione ai fini della valutazione climatologica (in quanto le tecniche di analisi climatica dei dati ne rivelano l’inadeguatezza per analisi di questo tipo), facendo perdere di fatto un’utile risorsa per ottenere la quale sono stati impiegati quattrini e persone: il che sarebbe un vero peccato.

2 thoughts on “Le misure necessarie per l’inizializzazione dei modelli per la previsione del tempo

  1. Claudio benevenuto nel mondo dei blog in italiano; e congratulazioni per questo magnifico post; immagino e spero che proseguirai con i modelli del clima …..

    • Grazie! La mia intenzione è proprio quella, partendo dai modelli in uso per la meteorologia, di arrivare poi a parlare degli Earth System Models. Facendo un po’ di chiarezza e tentando di far capire che tipo di scienza c’è dietro ai due minuti quotidiani in cui il presentatore di turno ci racconta il tempo previsto per l’indomani, spesso poco prima o dopo l’oroscopo. O, il che sarà molto più difficile, dietro alle oltre mille pagine dei rapporti IPCC.

Please leave a comment

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...