Cos’è una previsione d’insieme e come funziona?

26 maggio 2016

MeteoSvizzera ha messo in servizio il sistema di previsione d’insieme COSMO-E e dispone ora per la prima volta di un proprio sistema di previsione di questo genere. COSMO-E elabora due volte al giorno 21 previsioni per i prossimi cinque giorni, leggermente diverse, ma che hanno la stessa probabilità di verificarsi. – Cos’è esattamente una previsione d’insieme e come viene elaborata? Perché è utile calcolare un insieme di previsioni?

Se con un modello numerico di previsione meteorologica si calcola un’unica previsione (cosiddetta “deterministica”), il risultato ottenuto corrisponde a una possibile evoluzione del tempo. Tuttavia esso non contiene alcuna indicazione sull’affidabilità di questa previsione. Per poter valutare l’incertezza di una previsione meteorologica, si calcolano quindi una serie di previsioni leggermente diverse (nel gergo specialistico si parla di “leggermente perturbate”), il cosiddetto “insieme” o “ensemble”, ottenendo così diversi possibili evoluzioni del tempo. Da queste diverse previsioni, che hanno tutte la stessa probabilità di verificarsi, è possibile calcolare l’affidabilità della previsione d’insieme e la probabilità con cui un evento meteorologico si verifica (denominata anche previsione probabilistica). In un sistema di previsione d’insieme si possono “perturbare” le condizioni di partenza, le condizioni al contorno o il modello stesso. Nel caso ideale si effettua la perturbazione di tutte e tre queste componenti, ma una dopo l’altra …

Il modello numerico di previsione meteorologica COSMO

La componente principale di un sistema di previsione d’insieme è il modello numerico di previsione meteorologica. Nel caso di COSMO-E si impiega il modello del Consortium for Small-Scale Modelling (COSMO). La versione di COSMO utilizzata per COSMO-E si distingue (salvo per la sua distanza doppia fra i punti di griglia pari a 2,2 km) solo per alcuni piccoli dettagli dalla versione per il modello deterministico COSMO-1, che è stato messo in servizio il 31 marzo 2016 (cfr. contributo al blog su COSMO-1). Una volta che abbiamo il modello numerico di previsione, ci occorre però ancora un insieme …

Le perturbazioni delle condizioni di partenza

Alla base dello sviluppo dei sistemi di previsione d’insieme vi è la scoperta di Edward Lorenz che l’atmosfera terrestre è un sistema caotico: piccole variazioni delle condizioni di partenza possono provocare grandi variazioni nella previsione già dopo un breve periodo di previsione. Il famoso battito d’ala di una farfalla in Toscana può – ma non deve – scatenare un temporale sul Mendrisiotto.

Tenuto conto del numero limitato di stazioni di misura meteorologica a disposizione, le informazioni che abbiamo a disposizione in merito a pressione dell’aria, temperatura dell’aria o la velocità del vento sono di gran lunga insufficienti per stabilire con certezza lo stato iniziale dell’atmosfera terrestre (le cosiddette condizioni di partenza). Di questa necessità un sistema di previsione d’insieme fa virtù: calcola le singole previsioni utilizzando condizioni di partenza leggermente perturbate, ma facendo riferimento tutte alle medesime grandezze meteorologiche misurate.

Le perturbazioni al contorno

Per elaborare una previsione, un modello numerico su scala regionale come COSMO-E necessita delle cosiddette condizioni al contorno, ossia delle condizioni meteorologiche attuali, rispettivamente previste, ai margini dell’area coperta dal modello. Poiché anche la previsione meteorologica al contorno presenta delle incertezze, occorre perturbare anche le condizioni al contorno. Per COSMO-E queste ultime provengono dal sistema di previsione d’insieme globale IFS-ENS del Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine (CEPMMT - ECMWF) con una distanza fra i punti di griglia di circa 18 km. Le perturbazioni al contorno per COSMO-E sono ottenute associando ogni singola previsione COSMO-E ad una delle previsioni IFS-ENS (denominate anche «membri»).

Le perturbazioni del modello numerico di previsione meteorologica

Un modello numerico di previsione meteorologica non è mai perfetto, la formulazione del modello implica sempre delle semplificazioni, che portano con sé delle incertezze. Oltre alle condizioni di partenza e quelle al contorno, si può perturbare anche il modello stesso quantificando e simulando anche le incertezze conosciute. Nel caso di COSMO-E ciò avviene con il cosiddetto schema «Stochastic Perturbation of Physical Tendencies (SPPT)», che per ogni intervallo di tempo perturba leggermente e in modo casuale i risultati del calcolo del modello inserendo per ogni previsione dei battiti d’ala, per così dire, artificiali di una (grande) farfalla. Nella media statistica anche queste perturbazioni sono tutte equivalenti e provocano diverse evoluzioni del tempo che hanno la stessa probabilità di verificarsi.

La previsione probabilistica

Il sistema di previsione d’insieme COSMO-E descritto qui sopra consente, a questo punto, di calcolare le previsioni probabilistiche: analizzando statisticamente le 21 previsioni dei membri COSMO-E, tutte equivalenti, è possibile calcolare la probabilità che un determinato evento meteorologico si verifichi. Oltre alle 21 diverse previsioni delle precipitazioni (cfr. figura 3) possono ad esempio essere allestite anche delle mappe della probabilità per le precipitazioni (cfr. figura 4: Previsione della probabilità che il cumulo delle precipitazioni su 6 ore risulti superiore a 1 mm).

Oltre ad elaborare una previsione probabilistica, il sistema di previsione d’insieme COSMO-E consente anche di stabilire l’evoluzione meteorologica più probabile e indicare al contempo l’affidabilità di questa previsione: più le singoli previsioni dei diversi membri del sistema d’insieme COSMO-E divergono tra di loro, maggiore è l’incertezza della previsione. Più gli sviluppi delle singole corse del modello sono simili, minore è il grado di incertezza.

L’utilizzo di COSMO-E

MeteoSvizzera ha messo in funzione COSMO-E dopo averlo testato per un periodo di sei mesi. I sistemi di previsione d’insieme, come COSMO-E, consentono in particolare di migliorare la previsione delle situazioni meteorologiche rare ed estreme. Per MeteoSvizzera e tutti i clienti che non sono interessati unicamente all’evoluzione del tempo più probabile, COSMO-E costituisce quindi una base imprescindibile per l’emissione delle allerte di maltempo per la regione alpina.

COSMO-E in funzione sul nuovo supercalcolatore

Come il modello deterministico COSMO-1, che è già stato messo in servizio operazionale il 31 marzo 2016, anche COSMO-E è elaborato sul nuovo supercalcolatore “Piz Kesch” presso il Centro Svizzero di Calcolo Scientifico (CSCS) a Lugano. “Piz Kesch” è stato sviluppato da MeteoSvizzera in collaborazione con il CSCS, il Center for Climate Systems Modeling (C2SM) del Politecnico federale di Zurigo e le aziende Cray e NVIDIA per soddisfare le esigenze di MeteoSvizzera. MeteoSvizzera è il primo servizio meteorologico nazionale ad utilizzare una nuova architettura di calcolatori per i suoi modelli numerici di previsione operazionali: tramite l’impiego di acceleratori grafici (GPU) e di un programma ottimizzato per GPU, il supercalcolatore non è solamente molto più rapido, ma anche estremamente più efficiente dal punto di vista energetico; di conseguenza a parità di costi la potenza di calcolo del nuovo supercalcolatore è decisamente superiore.

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