Gli stratocumuli anticiclonici

Non è inusuale, durante le giornate autunnali e invernali, trovarsi in una situazione anticiclonica in cui spesso lo zero termico assume valori molto elevati e, in montagna, si assiste a giornate soleggiate e calde, mentre chi abita in pianura osserva dei cieli grigi che spesso non lasciano passare la radiazione solare neppure nelle ore più calde, oppure si ma limitatamente a 1-2 ore, e con temperature relativamente basse. Perchè si assiste a questa fenomenologia, e perché d’estate è molto più raro?

Per capirlo dobbiamo far ricorso agli insegnamenti della fisica dell’atmosfera. Di norma, quando ci si trova in regime anticiclonico, si è in presenza di correnti che, a livello del suolo, tendono a ruotare in senso orario attorno al massimo di pressione e contemporaneamente a divergere, come mostrato in Fig. 1.

Schema semplificato di circolazione atmosferica in presenza di depressioni e anticicloni. Nella realtà, la verticalità dei flussi subsidenti non è sempre rispettata.

Fig. 1 – Schema semplificato di circolazione atmosferica in presenza di depressioni e anticicloni. Nella realtà, la verticalità dei flussi subsidenti non è sempre rispettata.

La divergenza delle correnti al suolo richiama aria dall’alto e quindi siamo in presenza di moti discendenti (in gergo tecnico: correnti subsidenti) sopra le strutture anticloniche; nella realtà, tali correnti non sono esattamente verticali, ma possono mostrare lievi inclinazioni, soprattutto negli anticicloni dinamici. L’aria in moto discendente tende ad essere secca in quanto la sua temperatura interna aumenta a seguito della compressione adiabatica (l’aria in discesa, incontrando pressioni superiori, viene compressa adiabaticamente e quindi si riscalda) e allontana la massa d’aria dal punto di saturazione del vapore acqueo (questo poiché, in base alla legge di Clausius-Clapeyron, il contenuto di vapore acqueo alla saturazione aumenta esponenzialmente con la temperatura). Come risultato, in generale le correnti discendenti portano cieli sereni o quasi sereni, e non è un caso se la maggior parte delle aree desertiche del mondo si trova nelle fasce di latitudine tropicale, dove i moti verticali associati alle celle di Hadley della circolazione atmosferica globale sono discendenti. Per concludere, aggiungiamo che i moti di tali correnti discendenti sono molto deboli, di pochi cm/s.

Esempio di profilo vrticale di temperatura in area anticiclonica. Immagine semplificata da Università Wyoming e modificata dall'autore del blog.

Fig. 2 – Esempio di profilo vrticale di temperatura in area anticiclonica. Immagine semplificata da Università Wyoming e modificata dall’autore del blog.

A questo ragionamento, tuttavia, va aggiunto un altro fattore, ovvero quanto avviene nello strato limite. Infatti, in condizioni di alta pressione e cielo sereno, il suolo si riscalda e riscalda anche l’aria a contatto col suolo stesso, la quale, essendo leggera, tende a creare delle “bolle d’aria calda” (in gergo tecnico: termiche) che salgono; tale fenomeno si chiama convezione. In una giornata serena anticiclonica, quindi, siamo in presenza di due moti verticali opposti: il moto subsidente di discesa dall’alto verso il basso, legato all’anticiclone, e quello di salita dal basso verso l’alto, legato alla convezione. Chi vince? Generalmente, nessuno dei due. Questo perchè essi avvengono in due strati di atmosfera ben distinti, separati da uno straterello in cui la temperatura aumenta con la quota (inversione termica). Perchè si forma la zona di inversione termica? Perché, generalmente, la compressione adiabatica riscalda molto sensibilmente la massa d’aria, la quale assume temperature quindi molto alte. L’aria in salita dal suolo è soggetta allo stesso processo, ma siccome sale e incontra pressioni inferiori, si espande adiabaticamente, diminuendo quindi la propria temperatura. Quando le due masse d’aria si incontrano, risulta sensibilmente più calda quella che scende, e pertanto il moto si arresta (l’aria meno densa non può penetrare dentro quella più densa). In Fig. 2 è rappresentato un profilo verticale reale di temperatura eseguito in una località tropicale che ben evidenzia i due strati con profilo adiabatico, sopra e sotto la zona di inversione termica. Questo tipo di profili rappresenta la norma nelle zone tropicali, ma situazioni simili si verificano anche in prossimità dei massimi anticiclonici delle medie latitudini, specialmente durante la stagione estiva e quando l’umidità atmosferica nello strato limite non è troppo alta.

Radiosondaggio del 18 ottobre 2014 ore 00UTC a Cuneo. Fonte: università Wyoning.

Fig. 3 – Radiosondaggio del 18 ottobre 2014 ore 00UTC a Cuneo. Fonte: università Wyoning.

Radiosondaggio del 19 ottobre 2014 ore 00UTC a Cuneo. Fonte: università Wyoning.

Fig. 4 – Radiosondaggio del 19 ottobre 2014 ore 00UTC a Cuneo. Fonte: università Wyoning.

Cosa c’entra l’umidità? C’entra. Perchè, durante i moti convettivi nello strato limite, se l’umidità dell’aria è elevata, può succedere che il raffreddamento dell’aria durante la salita porti il vapore acqueo a superare il punto di saturazione, favorendone quindi la condensazione in minute goccioline di nube. Si formano, quindi, delle nubi le quali, data la loro collocazione all’interno dello strato limite e il loro limitato sviluppo verticale (sono limitate in alto dalla base dell’inversione termica), rientrano nella categoria degli stratocumuli.

In presenza di stratocumuli, nello strato limite il soleggiamento risulta ridotto o assente, e pertanto il suolo non si riscalda. L’atmosfera in tale strato rimane pressoché neutrale, ovvero né stabile né instabile, e i debolissimi moti verticali risultanti sono dovuto soltanto alla turbolenza episodica o residua dentro tale strato. D’estate, la lunga durata delle ore di sole in genere alla lunga provoca la rimozione dello strato di inversione, almeno temporaneamente nelle ore più calde, e le termiche riescono a diminuire l’umidità nello strato limite diluendola in quota. D’inverno, date le temperature inferiori e lo scarso soleggiamento, spesso lo strato limite risulta separato dall’atmosfera superiore, e in presenza di nubi il soleggiamento è più difficoltoso; talora lo strato di nubi si rompe soltanto nelle ore più calde del giorno, quando la radiazione solare è più efficace, ma si riforma poi quasi immediatamente all’avvicinarsi del tramonto.

Immagine satellitare nella banda del visibile alle ore 10:30 locali del 19/10/2014. Fonte: sat24.com

Fig. 5 – Immagine satellitare nella banda del visibile alle ore 10:30 locali del 19/10/2014. Fonte: sat24.com

Come esempio, guardiamo il radiosondaggio notturno registrato a Cuneo alle 00UTC del 18/10/2014, in condizioni di cielo poco nuvoloso (Fig. 3) e quello registrato 24 ore dopo, sempre a Cuneo, alle 00UTC del 19/10/2014, in condizioni di cielo coperto da stratocumuli (Fig. 4). Si nota l’irrobustimento dello strato di inversione termica sopra la città.

Se l’estensione verticale il giorno 18 era maggiore, l’intensità in termini di differenza di temperatura era invece minore; il giorno 19, lo strato si estende da circa 900 a 1600 metri, e l’inversione termica assomma a quasi 10 °C, valore che spiega bene il denso strato di stratocumuli presente su praticamente tutto il Piemonte e su gran parte della pianura padana, ad eccezione delle aree apine e prealpine (immagine satellitare in Fig. 5).

Con queste premesse, si può quindi capire come, anche in condizioni anticicloniche, che quindi sono legate a stabilità dell’aria che sfavorisce i moti verticali turbolenti, è possibile avere cieli nuvolosi; talora, nelle giornate invernali o autunnali caratterizzate da inversioni termiche molto pronunciate, lo strato di stratocumuli può essere così spesso da dare origine a deboli precipitazioni (pioviggini o piogge leggere) mentre, al di sopra dell’inversione, il cielo può essere sereno e le temperature molto gradevoli.

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

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.

Very low minima of extratropical cyclones in North Atlantic

Meteorological forecasts for the approaching weekend (January 26-27, 2013) show the presence of a very deep sea level pressure minimum in the North Atlantic ocean, at high latitudes, located between Iceland and UK. Without pretending to be exhaustive, we will mention the minima forecasted by some of the most used models: less than 940 hPa (on 27th at 00 UTC) by ACCESS, 939 by ECMWF (on 27th at 00 UTC) and GEM (26th at 18 UTC), 932 by JMA (on 27th at 12 UTC), 930 by NOGAPS (27th at 00 UTC), less than 930 hPa (26th at 12 UTC) by GFS, and less than 928 hPa (26th at 12 UTC) by UKMO.

access ecmwf
gem jma
nogaps gfs+96
brack4

The pressure values are quite low and resemble those measured near or inside tropical cyclones. However, these storms have a different genesis and structure and are classified in the category of extratropical cyclones. A question that one might ask is whether these values can be considered unusual, or even exceptional.

In this blog, I will try to give a brief survey of world barometric pressure records, with the help of this blog of Christofer C. Burt and, for the maps, the very useful database stored in wetterzentrale.de. Most of the information and scientific results, as well as one figure reported in this blog, came from the original papers published by S.D. Burt, listed in the references.

As one can easily imagine, excluding the small scale phenomena such as tornadoes, the lowest pressures observed on the Earth have occurred during tropical cyclones.

The following table reports the absolute minima observed for each region.

tropiclowsThe second minimum in the list is questioned by the Australian Bureau of Meteorology, that places a minimum pressure for the storm at 905 hPa on the same date and location. For North Atlantic, the minimum value is 882 hPa: for sake of comparison, the lowest value observed during the track of hurricane Sandy in October 2012 was 940 hPa, and that of hurricane Katrina in August 2005 was 902 hPa.

When we move to extratropical cyclones, the situation is different. The minima are a little bit higher, but not so much as one could imagine.

For Southern hemisphere, the record belongs to a storm developed near Antarctica, with 919 hPa observed at Casey station on the Windmill Islands (just outside the Antarctic Circle) on Vincennes Bay (66°17’S 110° 31’ E) on August 8-9, 1976.

In the northern hemisphere, the most probable record of lowest pressure is held by the storm of January 10th, 1993, which showed a central pressure of 912-915 hPa between Iceland and Scotland near 62°N 15°W. The map from wetterzentrale.de, shows, at 00 UTC of January 11st, a deep minimum lower than 930 hPa, as a part of a large depression covering the whole northern Atlantic. I am remembering here that, in the site, the maps are available every 24 hours, at 00 UTC.

Rrea00119930111Also the storm occurred on December 15th-16th, 1986, deepened to at least 916 hPa south-east of Greenland, near 62°N 32°W, a value assessed by the British Meteorological Office, while the West German meteorological service proposed a pressure possibly as low as 912-913 hPa. The map below, at 00 UTC of December 15th, shows a minimum lower than 925 hPa, and a situation quite different from the previous one, in which the depression size was smaller and supposedly with most intense winds. In both cases, the evolution of the system was quite rapid: the low intensified by 25-30 hPa in only 24 hours, and filled by 25-30 hPa in a similar time.

Rrea00119861215

On December 15, 1986, the ship Uyir, sailing southeast of Greenland, recorded the value of 920.2 hPa. According with the British Met. Office, the central pressure of the storm, which was centered some distance southeast of the ship, was 916 hPa. The map below, at 00 UTC of December 15th, shows a minimum lower than 925 hPa, very close to Greenland. The almost explosive deepening of the depression was followed by a fast filling on the subsequent day.

Rrea00119861215

It is interesting also to mention some record values observed on the territory of individual nations. The Iceland one is 923.6 hPa, observed on December 2nd, 1929, at Storhofoi. The map on 3rd at 00 UTC shows a minimum of 945 hPa close to the Iceland; the depression has undergone a rapid deepening and a subsequent rapid filling.

Rrea00119291203

Other two relevant minima studied by the British weather historian Stephen Burt are:

921.1 hPa on Feb. 5, 1870 measured by the ship Neier at 49°N 26°W;

924 hPa on Feb. 4, 1824, measured at Reykjavik, Iceland (the lowest on land measured pressure in the North Atlantic). These two minima are too old in order to draw a map.

Also the value of 925.5 hPa, recorded on Dec. 4, 1929 by the SS Westpool somewhere in the Atlantic (the exact location is unknown) is noticeable: in this case, the map on 5th at 00 UTC shows a minimum of less than 940 hPa off the Ireland, with very strong winds on the Irish coasts.

Rrea00119291205In UK, the minimum value of sea level pressure recorded over the territory was 925.6 hPa, on January 26th, 1884, at Ochtertyre, Pershire. In this case, the map from wetterzentrale.de on 27th at 00 UTC reveals a minimum of 945 hPa located between England and Norway.

Rrea00118840127

For this event, a surface chart of the cyclone drawn 6 hours before (Burt, 2006) reveals the minimum of 925.6 hPa at Ochtertyre, in Scotland.

uklow

Even if not in the north Atlantic, also the most powerful storm observed in Alaska in modern history in October 25-26, 1977, at Dutch Harbor on the Aleutian Island of Unalaska, is remarkable. The minimum pressure observed was 926 hPa on the evening of October 25th. Winds gusted to 130 mph at Adak, and gusted for 12 consecutive hours exceeding 110mph. The map below reveals as, even in this case, the size of the depression, the proximity of the isobars, leaving deduce a very strong wind speed associated with the cyclone.

alaska_oct1977Worthy of mention is also the minimum recorded in Ireland, at Belfast, on December 8th, 1886: 927.2 hPa. In that occasion, the map on 7th at 00 UTC reveals a narrow depression elongated from North Pole to Mediterranean sea and centered on Scotland, already filled to less than 955 hPa.

Rrea00118861209Finally, we want to mention also the Finland record of 939.7 hPa, recorded on March 1st, 1990. The map of February 28th at 00 UTC clearly shows the minimum (lower than 950 hPa) over the southern Finland as the center of a large depression covering most of northwestern Europe. Differently on previous cases, the evolution of this minimum was slower, and the cyclone, formed on February 26th near Iceland, moved northwards, gradually filling.

Rrea00119900228This short overview of meteorological situations favourable to produce very low cyclones in the northern hemisphere can be sufficient to say that the vale predicted for the next weekend in the north Atlantic can be considered not exceptional and not unusual, even if rare. Normally these storms are confined, in both hemispheres, at latitudes not lower than 50°, with very few exceptions.

The range of pressures predicted by the different models for the storm of the January 26-27 weekend is of about 12 hPa (according with the forecasts available at 10 p.m. of January 22nd, the minimum will range between 928 and 940 hPa), and is in agreement with the standard deviation of 15 hPa of the ensemble prediction of ECMWF model (see figure below).

Rees962To get a more quantitative picture, it is possible to use the data founded by Von Ahn et al. in this study of 2005, that will be shorthly summarized here. The authors examined all extratropical or mid-latitude storm systems showing a wind speed larger than the value defined as “hurricane force” (HF, equal to or larger than 64 kts). They used near-surface winds from the National Aeronautics and Space Administration (NASA) QuikSCAT scatterometer. In this way, they observed, from October 2001 to April 2004, a total of 120 HF cyclones. The distribution in terms of minimum pressure was the one reported in the figure below.

cyclone2The authors, examining the evolution of these cyclones, have noticed that, for most cyclones, HF conditions were observed to occur at or near the time of minimum central pressure (the mature phase of the cyclone), lasting on average less than 24 hours, a relatively short-life compared to the average life span of 5 days for ocean storms. The typical evolution of an ocean storm follows the scheme depicted by Shapiro and Keyser (1990) and well summarized in the paper of Von Ahn et al., that I summarizes here. The cyclone begins as an open frontal wave with a warm front and cold front (I). As the cyclone intensifies, also the frontal wave amplifies. The cold front pushes eastward (South of the low) and the temperature gradient tightens to the West of the low center (II). The front associated with this tightening temperature gradient west of the low is referred to as the bent back front or occluded front. The wave continues to amplify (III) and the bent back (occluded) front and associated temperature gradient swings eastward to the southwest of the low center. The strongest temperature gradient in phase III is associated with the continuous warm to bent back front and not in association with the cold front to the south. Phase III is referred to as the frontal T-bone. Phase IV shows the mature cyclone or warm core frontal seclusion. At this point, the very strong temperature gradient (or front) has encircled the surface low center. A shallow pocket of relatively warm air has migrated to the low center and become cut off or secluded (thus the term warm seclusion). Within the warm seclusion the air is very unstable and convection may occur. An arc of very strong temperature gradient surrounds this pocket of warmer air with cold air found to the exterior of this temperature gradient. A very strong pressure gradient exists on the cold side of the temperature gradient (south of the low). It is in this area of strong pressure gradient that HF conditions are often observed.

cyclone3_smUsing the winds derived by QuikSCAT images to create composites of the maximum winds for 17 open ocean HF cyclones (11 in the North Pacific and 6 in the North Atlantic) near maturity or close to minimum central pressure, Von Ahn et al. have determined where HF conditions occur most frequently, deriving a conceptual model of cyclone development shown in the figure below. According with this model, the area of HF winds recorded by QuikSCAT, indicated in the figure with red hatching, is located from southeast to nearly west of the low center during the mature phase of an ocean cyclone. Figure 5 illustrates where to anticipate HF winds in a mature cyclone.

cyclone5_smIt is needless to say that, despite the short duration of HF conditions, HF cyclones can indeed be very dangerous, especially if the area of strongest winds will impact on land area. A well know example is the sequence of storms that hit France and central Europe during the Christmas holidays of 1999, at unusually low latitudes.

In the case of landfall, contrary to what happens for tropical cyclones, in which the “engine” is constituted by the presence of water vapor, the system does not dissipate too much during the landfall, but follows its natural dynamics.

Aknowledgements

Thanks to:

Cristopher Burt for his two posts on weatherunderground;

Stephen Burt for list of North Atlantic pressure records and the list of his papers;

Steve Gregory for the map of the Alaskan storm of 1977 and related information.

References

Burt, Christopher C. (2011) Weather extremes. Super Extra-tropical Storms; Alaska and Extra-tropical Record Low Barometric Pressures, available on http://www.wunderground.com/blog/weatherhistorian/comment.html?entrynum=49

Burt, Christopher C. (2011) Weather extremes. World and U.S. Lowest Barometric Pressure Records, available on http://www.wunderground.com/blog/weatherhistorian/comment.html?entrynum=50

Burt, Stephen D. (1983) New UK 20th Century low pressure extreme. Weather, 38, pp. 209-13

~ (1985) Remarkable pressure fall at Valentia, 17 October 1984. Weather, 40, pp. 48-51

~ (1987) A new North Atlantic low pressure record. Weather, 42, pp. 53-56

~ (1987) A new North Atlantic low pressure record. The Marine Observer, 57, No. 297 (July 1987), pp. 122-125

~ (1987) Deep depressions. Letters to the Editor, The Times, London: REPRINTED IN Letters to the Editor, J Meteorol, 12, pp 348-8

~ (1989) London’s lowest barometric pressure in 167 years. Weather, 44, pp 221-5

~ (1993) Another new North Atlantic low pressure record. Weather, 48, pp 98-103

~ (2006) Barometric pressure during the Irish storm of 6-7 January 1839. Weather, 61, pp 22-27

~ (2006b) Britain’s highest barometric pressure on record is incorrect. Weather, 61, pp 210-1

~ (2007) The Lowest of the Lows … Extremes of barometric pressure in the British Isles, Part 1 – the deepest depressions. Weather, 62 (1), pp 4-14

~ (2007) The Highest of the Highs … Extremes of barometric pressure in the British Isles, Part 2 – the most intense anticyclones. Weather, 62 (2), pp 31-41

~(2008) The intense anticyclone over NW Russia, early January 2008. Weather, 63, pp 174-76

~ (2009) Long-term variations in extremes of barometric pressure in the British Isles. Weather, 64, pp 187-189

~ (2011) Barometric pressure during the Irish storm of 6-7 January 1839. Published online at http://www.irishmetsociety.org/jan-1839-storm