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Modellistica Numerica del Servizio Meteorologico dell'Aeronautica

 

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  è dotato di un super-calcolatore del tipo “HP cluster linux” con prestazioni dell’ordine della decina di teraflops (floating point operations). E’ in corso l’ammodernamento del sistema con tecnologia ibrida CPU/GPU per raggiungere prestazioni prossime a 200 teraflops. 

 

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/WMO). 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) per la regione VI - Europa, 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.

Il WMO Information System (WIS) rappresenta l’evoluzione del sistema GTS per il programma WWW. In tale ambito il CNMCA svolge la funzione di duplice Data Collection and Production Centre (DCPC), rispettivamente in qualità di RTH e di Regional Specialized Meteorological Centre (RSMC) per la meteorologia marina sul Mediterraneo.

Inoltre il CNMCA è dotato di sistemi per la ricezione e il processamento dei dati tele-rilevati dai satelliti meteorologici, sia mediante ricezione diretta in banda L e X sia attraverso la rete EUMETCAST gestita dall’agenzia europea EUMETSAT.

Infine in virtù di accordi bilaterali con altre Pubbliche Amministrazioni e Enti Privati il CNMCA dispone di osservazioni ad alta densità sul territorio nazionale.         

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 ha utilizzato per anni la tecnica variazionale 3DVAR e ha implementato operativamente da giugno 2011 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 particolare versione di EnKF usata al CNMCA (Bonavita, Torrisi e Marcucci, 2008, 2010) è nota come Local Ensemble Transform Kalman Filter (LETKF) ed è operativa dal 1 giugno 2011.  L'analisi CNMCA-LETKF (vd. approfondimento approfondimento_assimilazione.pdf) viene utilizzata operativamente per inizializzare il modello COSMO-ME per la previsione deterministica e un sistema di previsioni probabilistiche COSMO-ME EPS.

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) e il servizio meteorologico francese (MF) hanno 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) ha invece uno schema ibrido che usa l’algoritmo 3DVAR. Gli istituti meteorologici 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 a scala locale.

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.

Negli ultimi anni i modelli atmosferici ad alta risoluzione hanno raggiunto un livello di affidabilità sempre più elevato divenendo strumenti di largo impiego nelle attività di previsione a brevissimo e breve termine dei centri meteorologici operativi. In questo ambito il CNMCA (Centro Nazionale Meteorologia e Climatologia Aeronautica - Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare) utilizza operativamente il modello non-idrostatico sviluppato nell’ambito del consorzio COSMO (Consortium for Small-Scale Modelling) istituito tra i Servizi Meteorologici Nazionali di Germania, Svizzera, Italia, Grecia, Polonia, Romania e Russia.

Il modello COSMO è utilizzato in modalità “deterministica” in due configurazioni :

  • COSMO-ME, integrato fino a 72 ore su una griglia con passo di 7 km e 40 livelli verticali, che copre l’Europa centro-meridionale ed il bacino del Mediterraneo con quattro corse al giorno (00, 06, 12, 18 UTC) e utilizza come stato iniziale i campi d’analisi prodotti dal sistema di assimilazione di tipo probabilistico del CNMCA e i campi del modello dell’ECMWF (European Center for Medium-Range Weather Forecasts) come condizioni al contorno;
  • COSMO-IT, integrato fino a 24 ore su una griglia innestata in COSMO-ME con passo di 2.8 km e 65 livelli verticali, che copre l’Italia, con quattro corse al giorno (00, 06, 12, 18 UTC) ed è inizializzato da una corsa di assimilazione di tipo nudging;

Recentemente al CNMCA è stato implementato un sistema di previsioni probabilistiche che consente anche di determinare l’incertezza associata alla previsione deterministica (vd. approfondimento: approfondimento_previ_probabilistiche.pdf). In modalità probabilistica (Ensemble Prediction System - EPS) il modello COSMO è usato nella configurazione:

  • COSMO-ME EPS, costituito da 40+1 membri integrati su una griglia con passo di 10 km e 45 livelli verticali, che copre l’Europa centro-meridionale ed il bacino del Mediterraneo, con due corse al giorno (00 e 12 UTC), per previsioni fino a 72 ore.

 

Il CNMCA collabora con ARPA-ER e ARPA-Piemonte, nell’ambito dell’accordo LAMI, per lo sviluppo del modello COSMO ed il suo utilizzo operativo per le previsioni sul territorio nazionale ai fini di protezione civile.

In collaborazione con ISMAR-CNR è stato sviluppato un sistema di previsione dello stato del mare (NETTUNO) basato sul modello COSMO e sul modello delle onde (WAM). Il sistema NETTUNO esiste in diverse configurazioni: deterministica (configurazione a risoluzione 3’ e 1’) e probabilistica (NETTUNO-EPS).  Approfondimento: approfondimento_post_processing.pdf

Schema del sistema di previsioni operativo al CNMCA

 

 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.

 

Approfondimenti:

Il sistema di Assimilazione Dati di tipo Ensemble (link a file: approfondimento_assimilazione.pdf)

La previsione probabilistica (link a file: approfondimento_previ_probabilistiche.pdf)

Il sistema di post-elaborazione (link a file: approfondimento_post_processing.pdf)

Previsioni mensili

 

 

Referenze

Bonavita M, Torrisi L, Marcucci F. 2008. The ensemble Kalman filter in an operational regional NWP system: Preliminary results with real observations. Q. J. R. Meteorol. Soc. 134, 1733-1744.

Bonavita M, Torrisi L, Marcucci F. 2010. Ensemble data assimilation with the CNMCA regional forecasting system. Q. J. R. Meteorol. Soc. 136, 132-145.