Sistema di previsioni COSMO

I sistemi di previsione 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. Il modello aiuta i meteorologi anche nell’elaborazione delle allerte, ad esempio di tempeste o inondazioni.

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 ad alta risoluzione per tutta l’Europa, ponendo un accento particolare sulla 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 dell’evoluzione della copertura nevosa, della temperatura dei laghi e delle caratteristiche del suolo. 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 matematiche 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, una nevicata, una situazione di favonio 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.

I modelli di previsione COSMO

I modelli numerici di previsione 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. MeteoSvizzera impiega dei modelli con varie risoluzioni per applicazioni differenziate. Con la parola “risoluzione” viene indicata la distanza fra i punti di griglia per la quale sono calcolati i parametri meteorologici.

  • COSMO-1: Modello per la previsione a corto termine, per il giorno attuale e per il seguente. La distanza fra i punti di griglia è di 1.1 km.
  • COSMO-E: Questo modello calcola una previsione probabilistica. Vale a dire è in grado di fornire una stima della probabilità con cui un determinato evento meteorologico si verificherà e fornisce previsioni per i prossimi cinque giorni. La distanza fra i punti griglia è di 2.2 km.
  • COSMO-7: la distanza fra i punti di griglia è attorno a 6.6 chilometri. Le previsioni del modello COSMO-7 si estendono per 72 ore e spazialmente coprono l’Europa centrale e occidentale.

Il Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine (CEPMMT - ECMWF) fornisce una previsione su scala globale, che è utilizzata quale condizione al margine per il modello regionale COSMO.

Calcolo dei modelli COSMO presso il CSCS

Tutti i calcoli sono effettuati al Centro svizzero di calcolo scientifico (CSCS) di Lugano da un supercomputer Cray, che lavora in modo parallelo. Le previsioni COSMO-1 si estendono sulle successive 33 ore e sono calcolate otto volte al giorno, ogni tre ore. La prima elaborazione inizia alle ore 00.45 UTC. Le previsioni COSMO-E si estendono alle successive 120 ore e sono calcolate due volte al giorno, alle 00.45 e 12.45 UTC.

Con il modello COSMO viene calcolata, inoltre, ogni tre ore, una nuova analisi tramite un ciclo di assimilazione. Quest’analisi fornisce le condizioni iniziali per la previsione. Il modello utilizza tutte le osservazioni al suolo e, soprattutto, quelle nell’atmosfera libera, per descrivere al meglio lo stato iniziale dell’atmosfera. COSMO-1 assimila anche i dati radar, che danno un enorme valore aggiunto per le previsioni a corto termine (“nowcasting”).

Nowcasting

Attraverso il nowcasting MeteoSvizzera fornisce previsioni ad elevata risoluzione spaziale e temporale dell’evoluzione del tempo nei minuti...

Elaborazione di oltre 35’000 informazioni sull’arco di 24 ore

Condizioni iniziali appropriate, anche al contorno, per inizializzare il calcolo di un modello numerico, sono prodotte combinando le attuali osservazioni dell’atmosfera, la corsa precedente del modello e le informazioni climatiche. L’integrazione di tutti questi dati è il cosiddetto processo di assimilazione. Un tipico periodo di assimilazione di 24 ore integra circa

  • 100 radiosondaggi verticali
  • 3'500 osservazioni aeree
  • 31'000 osservazioni al suolo
  • 700 osservazioni provenienti da profilatori del vento (windprofiler).

Inoltre, COSMO-1 elabora giornalmente circa 7'000 immagini fornite dal radar delle precipitazioni per migliorare la rappresentazione dei processi che portano alla formazione dei temporali.

Più di 4 biliardi di operazioni aritmetiche per una previsione

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 che devono essere compiute in meno di 24 minuti. Raggiungere simili risoluzioni a livello locale è stato possibile grazie alla parallela evoluzione dei modelli numerici e dei supercalcolatori negli ultimi cinquanta anni, che hanno permesso la continua crescita dell’affidabilità dei modelli di previsione numerica.

I vantaggi dell’alta risoluzione risultano evidenti in regioni dall’orografia complessa, come illustrato dal seguente esempio di una simulazione del vento.

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, Polonia, Romania, Russia e Svizzera collaborano tra di loro all’interno del Consortium for Small-Scale Modelling. 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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