Sistema di previsione numerica COSMO

I sistemi di previsione numerica calcolano lo stato futuro dell’atmosfera. MeteoSvizzera utilizza il modello di previsione numerica COSMO (Consortium for Small-Scale Modelling) per generare previsioni su scala regionale e locale, per l’arco alpino e per tutta la Svizzera, aree in cui la complessa orografia gioca un ruolo non trascurabile. Le varie configurazioni con cui MeteoSvizzera calcola il modello COSMO, assieme alle previsioni numeriche fornite dal modello europeo del CEPMMT / ECWMF, forniscono la base di partenza per l’elaborazione giornaliera presso MeteoSvizzera delle previsioni e delle allerte, ad esempio in caso di tempeste o precipitazioni intense.

L’evoluzione del tempo può essere simulata grazie a complessi modelli numerici. A tale scopo MeteoSvizzera impiega il modello meteorologico di previsione numerica COSMO, che calcola più volte al giorno previsioni numeriche ad alta risoluzione per la regione alpina.

Il sistema di previsione COSMO calcola in modo dettagliato lo stato futuro dell’atmosfera, dalla superficie terrestre fino a circa 20 chilometri di altitudine. I calcoli tengono conto anche delle caratteristiche del suolo, dell’evoluzione della copertura nevosa e della temperatura dei laghi. Il modello è sviluppato nel quadro di una stretta collaborazione internazionale.

COSMO: un modello di previsione numerica

Il modello numerico di previsione del tempo descrive, per il tramite delle  leggi della fisica, ciò che avviene nell’atmosfera nonché gli scambi fra atmosfera e superficie terrestre. Le complesse equazioni che lo compongono sono derivate dai principi di conservazione dell’energia, della massa e della quantità di moto,  come pure dalle leggi che descrivono i cambiamenti di stato dell’acqua e gli scambi radiativi fra le nuvole e suolo.

Partendo da opportune condizioni iniziali e al margine, si può matematicamente risolvere il risultante sistema di equazioni e calcolare in questo modo come evolverà lo stato dell’atmosfera nel futuro. Il modello numerico descrive una grande varietà di processi atmosferici a diverse scale temporali e spaziali, come ad esempio lo sviluppo di un sistema depressionario, di una situazione di favonio, di una nevicata oppure l’innescarsi della convezione estiva. I calcoli sono effettuati su una griglia tridimensionale, dove la distanza verticale tra i livelli non è omogenea, ma diventa più fitta in vicinanza del suolo, al fine di descrivere al meglio i fenomeni che si sviluppano a basse quote.

② I modelli di previsione COSMO: COSMO-1, COSMO-E e COSMO-7

I modelli numerici di previsione a griglia larga che coprono l’intero globo terrestre sono troppo imprecisi per generare previsioni regionali o addirittura locali. Le previsioni meteorologiche per la Svizzera, con la sua orografia complessa, si basano pertanto su modelli specifici per aree locali, con una griglia ridotta. MeteoSvizzera impiega dei modelli con diversi “passi di griglia” per applicazioni differenziate. Con “passo di griglia” si indica la distanza fra i punti di griglia per la quale sono calcolate le grandezze meteorologiche.

  • COSMO-1
    Modello con alta risoluzione spaziale per la previsione a corto termine, valida per il giorno attuale e per quello successivo. La distanza fra i punti di griglia è di 1.1 km. Il modello ricopre l’intera regione alpina.
  • COSMO-E
    Questo modello d’insieme calcola una previsione probabilistica, utilizzando un insieme di 21 differenti corse. Con un modello d’insieme è possibile indicare lo sviluppo più probabile della situazione  meteorologica, come pure stimare l’affidabilità della previsione. Inoltre è possibile fornire una stima della probabilità con cui un determinato evento meteorologico si verificherà. COSMO-E fornisce previsioni per i successivi cinque giorni. La distanza fra i punti griglia è di 2.2 km. Anche COSMO-E ricopre l’intera regione alpina.
  • COSMO-7
    A complemento dei modelli ad alta risoluzione COSMO-1 e COSMO-E, specifici per la regione alpina, MeteoSvizzera gestisce anche il modello COSMO-7, che con una griglia più grossolana ricopre l’intera Europa centrale e occidentale.  La distanza fra i punti di griglia di COSMO-7 è attorno a 6.6 km. Le previsioni del modello COSMO-7 si estendono per i successivi 3 giorni.

Il Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine (CEPMMT - ECMWF) mette a disposizione due modelli numerici globali, uno ad alta risoluzione (con un passo di griglia di circa 10 km) e uno d’insieme (con un passo di griglia di circa 20 km). Entrambi sono utilizzati quali condizioni al margine per i modelli regionale COSMO.

Assimilazione delle osservazioni meteorologiche in COSMO

Le condizioni di partenza necessarie a “far partire” il calcolo del modello numerico sono ottenute in modo ideale tramite una combinazione di osservazioni meteorologiche, previsioni fornite dalle corse precedenti del modello e informazioni climatologiche. Il processo che porta all’inserimento di queste informazioni all’interno di un modello prende il nome di “assimilazione”.  Il ciclo di assimilazione di COSMO-1 e di COSMO-E forniscono ogni ora una nuova analisi completa della situazione meteorologica in atto. Quest’analisi sarà la base di partenza per il calcolo della previsione numerica. Il ciclo di assimilazione utilizza le osservazioni e le misure meteorologiche raccolte sia al suolo sia nell’atmosfera libera, alfine di descrive nel modo più dettagliato possibile, e fisicamente coerente, lo stato attuale dell’atmosfera. Anche le misure effettuate dai radar meteorologici sono assimilate e portano ad un importante valore aggiunto in particolare nelle prime ore di previsione.

Calcolo delle previsioni numeriche dei modelli COSMO

L’elaborazione di una previsione con un modello numerico richiede una grande capacità di calcolo in tempi molto brevi. Una tipica previsione di COSMO-1 per 24 ore richiede più di 4 biliardi (4 x 1015) operazioni aritmetiche. Tutti i calcoli sono effettuati al Centro svizzero di calcolo scientifico (CSCS) di Lugano da un supercomputer, chiamato “Piz d’Es-cha”, configurato per lavorare in modo parallelo. Le previsioni di COSMO-1 sono calcolate otto volte al giorno, ogni tre ore. Esse si estendono sulle successive 33 ore, salvo la corsa delle 03UTC che si estende per 45 ore. Le previsioni di COSMO-1 sono a disposizione 100 minuti dopo l’inizio dei calcoli, vale a dire alle 01:40 UTC, alle 04:40 UTC, ecc. Le previsioni COSMO-E si estendono sui successivi 5 giorni e sono calcolate due volte al giorno, con riferimento alle 00UTC e alle 12UTC. Le previsioni COSMO-E sono a disposizione attorno alle 04:00 UTC e alle 16:00 UTC. Infine, COSMO-7 viene calcolato quattro volte al giorno, con riferimento alle 00UTC, 06UTC, 12UTC e 18UTC e copre un orizzonte di previsione di 3 giorni.

COSMO: una proficua collaborazione internazionale

Affinché in futuro le previsioni meteorologiche diventino ancora più affidabili, MeteoSvizzera sviluppa in continuazione il modello di previsioni numeriche COSMO nel quadro di una collaborazione internazionale. I servizi meteorologici nazionali di Germania, Grecia, Israele, Polonia, Romania, Russia e Svizzera collaborano tra di loro all’interno del Consortium for Small-scale Modelling (COSMO). Questo consorzio è stato fondato nell’ottobre del 1998 con lo scopo di sviluppare e migliorare continuamente un modello non idrostatico ad area limitata, da usare dai suoi membri sia per aspetti operazionali che per progetti di ricerca.

COSMO

MeteoSvizzera collabora all’interno del Consorzio COSMO (Consortium for Small-Scale Modelling) con numerosi altri servizi meteorologici europei.

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