Il 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, un’area in cui la complessa orografia gioca un ruolo non trascurabile. Le diverse configurazioni del modello numerico COSMO, assieme alle previsioni calcolato presso il Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine (CEPMMT - ECMWF), formano la base di riferimento per i meteorologi sia nell’elaborazione giornaliera delle previsioni del tempo sia nell’emissione delle allerte, ad esempio in caso 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 l’arco alpino. 

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 bordo, 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, di una nevicata, di 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: COSMO-1, COSMO-E e COSMO-7

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 spaziali per applicazioni differenziate. Con la parola “risoluzione” viene indicata la distanza fra i punti di griglia per la quale sono calcolati le grandezze meteorologici. 

  • COSMO-1
    Modello per la previsione a corto termine, per il giorno attuale e per quello seguente. La distanza fra i punti di griglia è di 1.1 km. Il modello ricopre l’intero arco alpino.

  • COSMO-E
    Questo modello calcola una previsione probabilistica, basandosi su un insieme di 21 corse singole e indipendenti. Con un simile insieme di previsioni si può identificare sia l’evoluzione del tempo più probabile, sia dare una stima dell’affidabilità di questa previsione. Inoltre si può calcolare la probabilità con cui un determinato evento meteorologico si verificherà. COSMO-E fornisce previsioni per i prossimi cinque giorni, la distanza fra i suoi punti griglia è di 2.2 km e anch’esso ricopre l’intero arco alpino.
  • COSMO-7
    Accanto ai modelli ad alta risoluzione COSMO-1 e COSMO-E MeteoSvizzera utilizza anche il modello COSMO-7 che ricopre buona parte dell’Europa centrale ed occidentale. La distanza fra i punti di griglia è attorno a 6.6 chilometri. Le previsioni del modello COSMO-7 si estendono per 72 ore.

Le previsioni fornite dai modelli IFS-HRES (con una distanza fra i punti di griglia di circa 10 km) e dall’insieme IFS-ENS (con una distanza fra i punti di griglia di circa 20 km) calcolate presso il Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine (CEPMMT - ECMWF) forniscono le condizione al bordo per il calcolo dei modelli regionali COSMO-7, COSMO-E e COSMO-1.

L’assimilazione delle osservazioni meteorologiche in COSMO

Le condizioni iniziali ideali, per “fa partire” la simulazione di un modello numerico di previsione meteorologica, si ottengono grazie alla raffinata combinazione di osservazioni meteorologiche con  precedenti simulazioni numeriche e con informazioni climatologiche. L’inserimento di questi dati all’inizio del processo di calcolo di un modello numerico si chiama “assimilazione”. Il ciclo di assimilazione per i modelli COSMO-1 e COSMO-E genera ogni ora una nuova analisi dello stato dell’atmosfera sull’arco alpino.  Questa analisi rappresenta lo stato di partenza per il calcolo vero e proprio del modello. Il ciclo di assimilazione utilizza tutte le osservazioni meteorologiche a disposizioni sia al suolo sia nell’atmosfera libera, per descrivere al meglio lo stato dell’atmosfera in modo fisicamente consistente. Anche i dati provenienti dai radar meteorologici sono assimilati e danno un contributo importante alla qualità della previsione nelle prime ore di previsione.

Il calcolo dei modelli COSMO

Il calcolo di una moderna previsione numerica del tempo richiede un’elevata potenza di calcolo. Tipicamente per elaborare la previsione per le prossime 24 ore con il modello COSMO-1 sono necessarie 4 biliardi (4 x 1015) di operazioni aritmetiche. Tutti i calcoli sono effettuati al Centro svizzero di calcolo scientifico (CSCS) di Lugano dal supercomputer “Piz d’Es-cha”, che lavora in modo parallelo. Le previsioni COSMO-1 sono calcolate otto volte al giorno e si estendono sulle successive 33 ore ogni tre ore (per la corsa delle 03 UTC la durata della previsione si spinge fino a 45 ore). La prima elaborazione inizia alle ore 00.40 UTC e dopo circa 100 minuti di calcolo la previsione calcolata da COSMO-1 è a disposizione degli utenti. Le previsioni COSMO-E si estendono alle successive 120 ore e sono calcolate due volte al giorno, con inizio nominale alle 00.00 e 12.00 UTC. Le previsioni di COSMO-E sono a disposizione dopo circa quattro ore, vale a dire verso le 04:00 e le 16:00 UTC. Il modello COSMO-7 viene calcolato quattro volte al giorno (con inizio nominale alle 00:00, alle 06:00, alle 12:00 e alle 18:00 UTC) e copre un orizzonte temporale di 3 giorni.

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, Italia, 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.

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