Modellistica Numerica del Servizio Meteorologico dell'Aeronautica

La previsione numerica del tempo  (Numerical Weather Prediction - NWP) è un campo altamente specializzato della meteorologia che è in continua evoluzione. La variazione del tempo meteorologico,  cioè di grandezze come la temperatura, il vento, l'umidità, ecc., è descritta da un sistema di equazioni, detto modello matematico, che rappresentano i processi dinamico-fisici agenti nell'atmosfera. Le equazioni non hanno una soluzione esatta e sono risolte con metodi approssimati che considerano l'atmosfera suddivisa in un certo numero di volumi di dimensione finita. La dimensione dei volumi caratterizza la risoluzione spaziale di un modello numerico. I centri di previsione operativa, come il Centro Nazionale di Meteorologia e Climatologia Aeronautica (CNMCA), sono in grado di fornire informazioni con dettaglio dell'ordine di pochi chilometri utilizzando modelli numerici di previsione così complessi da richiedere l'uso di super-calcolatori. Il CNMCA si è recentemente dotato di un super-calcolatore del tipo “HP cluster linux” con prestazioni dell’ordine della decina di teraflops (floating point operations).  
Il processo di produzione della previsione numerica può essere comunemente suddiviso in quattro fasi:
1) la raccolta delle osservazioni
2) la determinazione dello stato iniziale tramite l'assimilazione dati
3) la previsione col modello numerico e la post-elaborazione
4) la verifica delle previsioni

1) La raccolta delle osservazioni
La raccolta delle osservazioni meteorologiche avviene nel quadro di cooperazione stabilito dal Programma World Weather Watch (WWW) dell’Organizzazione Meteorologica Mondiale (OMM). Le osservazioni, sul territorio nazionale così come nel resto del mondo, sono effettuate nell’ambito del WWW rispettando i dettami del Global Observing System (GOS), il cui scopo è quello di regolamentare e garantire le osservazioni dello stato dell’atmosfera e della superficie oceanica per consentire analisi, previsioni, avvisi, per il monitoraggio del clima e dell’impatto ambientale. Tutte le osservazioni sono scambiate a livello mondiale per mezzo del Global Telecommunication System (GTS), elemento del WWW.
Ogni Nazione è tenuta a raccogliere i propri dati di osservazione meteorologica per la trasmissione sulle reti di telecomunicazione del GTS. Il CNMCA di Pratica di Mare, in qualità di Regional Telecommunication Hub (RTH), oltre a raccogliere i dati del territorio nazionale, riceve per la successiva ritrasmissione i dati di Malta, Grecia, Turchia e Libano; inoltre accentra tutti i dati dell’area europea.

2) La determinazione dello stato iniziale tramite l'assimilazione dati
Il settore dell'assimilazione dei dati (Data Assimilation) si occupa di trovare il migliore stato iniziale possibile dell'atmosfera considerate tutte le osservazioni raccolte a disposizione in una certa finestra temporale. Tali dati, irregolarmente distribuiti nello spazio e nel tempo, sono analizzati con l’impiego di algoritmi statistico-numerici per ottenere la migliore stima dello stato dell’atmosfera (analisi), rappresentato su di un grigliato tridimensionale regolare ad un istante di tempo fissato.
L’uso delle osservazioni per l’inizializzazione di un modello numerico è una peculiarità dei centri meteorologici operativi. Il CNMCA vanta un esperienza più che decennale in questo campo che gli ha consentito di mantenere un ruolo di primo piano anche a livello mondiale. Il CNMCA infatti utilizza da anni la tecnica variazionale 3DVAR e ha implementato operativamente un sistema di assimilazione dati basato sulla tecnica del filtro di Kalman stocastico (Ensemble Kalman Filter - EnKF) che è il risultato dei più recenti e avanzati studi nel settore. La versione di EnKF utilizzata al CNMCA è denominata Local Ensemble Transform Kalman Filter (LETKF).
Il sistema LETKF fornisce un certo numero di condizioni iniziali dal quale si può derivare quella più probabile (ensemble mean) e la sua incertezza (ensemble spread). Attualmente il Servizio Meteorologico del Canada (CMC) e il Servizio Meteorologico del Regno Unito (UK Met Office) hanno un sistema simile operativo, più complesso nel caso del CMC, e utilizzato per inizializzare il loro sistema di previsione probabilistica (Ensemble Prediction System - EPS). Il Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio e Lungo Termine (ECMWF) ha recentemente adottato un approccio ibrido utilizzando un ensemble di sistemi di assimilazione 4DVAR a risoluzione degradata per migliorare il proprio EPS e la propria analisi deterministica 4DVAR. Il Servizio Meteorologico degli Stati Uniti (NCEP) e quelli del Giappone (JMA) e della Germania (DWD) stanno lavorando anche su formulazioni ibride.
Il CNMCA è il primo centro ad utilizzare operativamente un sistema di assimilazione dati di tipo ensemble (non ibrido) per inizializzare un sistema di previsione deterministico.

3) La previsione col modello numerico e la post-elaborazione
La previsione numerica è ottenuta utilizzando le equazioni di un modello fisico-matematico della circolazione atmosferica nota la conoscenza dello stato iniziale dell'atmosfera e delle eventuali condizioni al contorno, se si tratta di un modello ad area limitata. Una stima accurata delle condizioni iniziali e un buon modello numerico sono gli elementi fondamentali di un accurato sistema di previsione numerica. Gli algoritmi di post-elaborazione sono applicati ai campi di previsione del modello numerico per ottenere informazioni aggiuntive e fornire dati di facile interpretazione.
Il CNMCA utilizza operativamente il modello atmosferico denominato COSMO. COSMO è un consorzio costituito da alcuni servizi meteorologici europei (Germania, Svizzera, Italia, Grecia, Polonia, Russia, Romania), al quale il CNMCA partecipa attivamente, per lo sviluppo di un modello numerico di previsione ad altissima risoluzione.
Attualmente le applicazioni operative di tale modello sono: COSMO-ME (7km) e COSMO-IT (2.8km).

4) La verifica delle previsioni
Nell’ultima fase del processo NWP le previsioni di un modello numerico valide a un certo istante sono confrontate con le corrispondenti osservazioni o analisi per la determinazione oggettiva di alcune grandezze statistiche (errore medio, scarto quadratico medio, ecc.). I valori di tali grandezze, calcolati in un periodo di tempo sufficientemente lungo dal punto di vista statistico, forniscono informazioni sulla bontà della previsione numerica.      
Il CNMCA ha sviluppato nell’ambito del consorzio COSMO il sistema Versus, che costituisce uno strumento flessibile e configurabile per la verifica delle previsioni numeriche. Tale sistema permette di effettuare verifiche statistiche su tutti i modelli operativi presso il CNMCA e sul modello globale di riferimento IFS del ECMWF. Report mensili e trimestrali per opportuni parametri al suolo ed in quota vengono redatti e resi pubblici sul sito del Servizio Meteorologico dell'Aeronautica (www.meteoam.it/?q=Verifiche%20Modelli), come pure report specifici ad uso interno e per gli scopi scientifici del consorzio COSMO.


Schema a blocchi del sistema LETKF del CNMCA

 


Domini di integrazione dei modelli COSMO-ME e COSMO-IT del CNMCA

 


Schema a blocchi del sistema di post-elaborazione del CNMCA

 

Approfondimenti:

Osservazioni e modelli

Sistema di Assimilazione di tipo ensemble del CNMCA