I modelli matematici per le previsioni metereologiche

Le previsioni meteorologiche sono basate su complessi modelli numerici che cercano di simulare l’evoluzione dei vari parametri fisici…

Le previsioni meteorologiche sono basate su complessi modelli numerici che cercano di simulare l’evoluzione dei vari parametri fisici caratterizzanti l’atmosfera fino ad un determinato numero di giorni. I parametri fisici rappresentano le variabili di un sistema di equazioni differenziali da risolvere nel tempo sulle tre componenti spaziali.
Le grandezze tempo e spazio sono strettamente dipendenti tra loro.

16Se si vogliono risolvere le equazione ad una risoluzione spaziale molto elevata significa che anche la scala temporale dei fenomeni meteorologici possa essere molto piccola. Chiaramente aumentando la risoluzione spaziale e temporale il sistema di equazioni differenziali tenderebbe a simulare un’atmosfera sempre più reale. Purtroppo c’è una limitazione a tale scelta legata alla velocità di calcolo degli elaboratori elettronici.

Il sistema di equazioni differenziali per essere risolvibile necessita della soluzione al primo istante temporale, ovverosia della condizione iniziale. Lo stato iniziale atmosferico viene determinato su tutto il globo terrestre con l’aiuto di 3 principali sistemi di misura: stazioni meteorologiche, palloni sonda e satelliti. L’unico strumento che riesce ad investigare tutta la colonna d’aria dal suolo fino ad una quota massima di circa 20-30 km è il pallone sonda. Chiaramente le stazioni sinottiche preposte per la misura delle variabili atmosferiche non ricoprono tutti i punti del globo terrestre, ed in particolare rimangono scoperti i mari. La determinazione dello stato iniziale può essere quindi fonte di piccole incertezze che possono successivamente propagarsi all’interno del modello numerico ed essere causa di successivi errori nella previsione meteorologica. Con l’aiuto delle previsioni probabilistiche (EPS – Ensemble Prediction System) si cerca comunque di stimare tale errore determinando altri probabili scenari meteorologici, al momento 50, ottenuti introducendo degli opportuni piccoli errori nella condizione iniziale.

I modelli meteorologici si dividono in due grandi categorie i GCM ed i LAM.
Data assimilation: le misure effettuate sull’atmosfera per ottenere le condizioni iniziali dei GCMI GCM (Global Circulation Model) sono modelli a circolazione generale nel senso che riescono a simulare la termo-dinamica atmosferica su tutto il globo terrestre e fino alla stratosfera. I modelli a circolazione generale più affidabili sono quello europeo e quello americano. Presso il SAR si ricevono quotidianamente le uscite di entrambi i modelli. E’ comunque sul modello europeo che si basa la nostra previsione meteorologica perché tale modello rispecchia meglio quelle che sono le caratteristiche termo-dinamiche delle perturbazioni che investono l’Europa. Il centro meteorologico europeo (ECMWF – European Centre for Medium-range Weather Forecasts) è situato a Reading in Inghilterra. Presso tale centro vengono anche raccolte le misure meteorologiche effettuate in tutto il mondo per poi essere elaborate e fornire la condizione iniziale necessaria al modello numerico. Il codice del modello meteorologico europeo è scritto in modo tale (calcolo parallelo) da sfruttare al meglio le caratteristiche del potente calcolatore a multiprocessori di cui è dotato il centro. La risoluzione spaziale del modello è di 0.5° in longitudine e latitudine su 60 livelli verticali. Ogni giorno vengono fatte due corse di questo modello numerico, una basata sullo stato iniziale atmosferico relativo alle ore 00 GMT (Greenwich Meridional Time – ora solare del meridiano di Greenwich) e l’altra su quello delle ore 12 GMT. La previsione meteorologica che essi forniscono è fino a sette giorni a partire dalla condizione iniziale.

Schema generale della circolazione dell’atmosferaI LAM (Limited Area Model) sono modelli ad area limitata nel senso che simulano la termo-dinamica atmosferica di regioni più o meno grandi del nostro pianeta. Questi modelli sono stati introdotti per aumentare la risoluzione spaziale della zona da investigare a chiaro vantaggio della previsione meteorologica, ma non sostituiscono i GCM, anzi ne sono direttamente dipendenti. Infatti i LAM, oltre che delle condizioni iniziali, necessitano anche delle condizioni ai bordi. Tali condizioni vengono fornite direttamente, o indirettamente, da un GCM. Vi può essere quindi una successione di LAM, per ulteriormente aumentare la risoluzione e quindi restringere il campo di interesse di una determinata zona, ognuno dei quali usa le condizioni iniziali ed ai bordi del precedente. Il primo LAM della catena è comunque sempre direttamente legato ad un GCM. Solitamente la catena di LAM è al massimo formata da tre distinte corse del modello. La previsione meteorologica che essi forniscono è al più fino a tre giorni a partire dalla condizione iniziale. Un altro vantaggio dei modelli ad area limitata è che essi necessitano di sistemi di calcolo più piccoli di quello del centro europeo e possono quindi essere utilizzati presso i servizi meteorologici regionali.