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Sistema di previsione numerica COSMO

I sistemi di previsione calcolano lo stato futuro dell'atmosfera. MeteoSvizzera utilizza il modello numerico di previsione meteorologica COSMO (Consortium for Small-scale Modeling) per l’elaborazione di previsioni regionali e locali nella regione alpina, caratterizzata da un’orografia complessa. Per fornire previsioni probabilistiche adatte al maggior numero possibile di applicazioni, MeteoSvizzera utilizza due diverse configurazioni del modello COSMO, entrambe basate sui cosiddetti insiemi (ensemble). Associate alle previsioni calcolate dal Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine CEPMMT (ECMWF), esse sono la base per l’elaborazione delle previsioni meteorologiche giornaliere di MeteoSvizzera e l’emissione di allerte per eventi meteorologici pericolosi, come le tempeste di vento o le situazioni d’intense precipitazioni. COSMO-1E consiste in un insieme di 11 simulazioni calcolate otto volte al giorno, su una griglia la cui distanza fra due punti di griglia è di 1.1 km. COSMO-2E consiste in 21 simulazioni ed è calcolato quattro volte al giorno, su una griglia la cui distanza fra due punti di griglia è di 2.2 km.

Previsioni del tempo con il modello numerico COSMO

Utilizzando dei complessi modelli numerici, calcolati dai computer, è possibile simulare l’evoluzione della situazione meteorologica e del tempo. Un 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. Partendo da opportune condizioni iniziali e al contorno, 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 è in grado di descrivere una grande varietà di processi atmosferici a diverse scale temporali e spaziali, come ad esempio lo sviluppo di un sistema depressionario, quello di una situazione di favonio, l’arrivo 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, per descrivere al meglio i fenomeni che si sviluppano a basse quote. Il modello simula anche l’evoluzione delle caratteristiche del terreno, del manto nevoso e della temperatura degli strati superficiali dell’acqua dei laghi.

MeteoSvizzera impiega il modello di previsione numerica COSMO con differenti configurazioni e calcola più volte al giorno delle previsioni numeriche ad alta risoluzione per la regione alpina. Il modello numerico COSMO è sviluppato nell’ambito di una collaborazione internazionale. Tutti i calcolo sono svolti presso il Centro svizzero di calcolo scientifico (CSCS) a Lugano su un supercalcolatore specificamente sviluppato per calcoli in parallelo, chiamato „Pigne d‘Arolla“.

COSMO-1E e COSMO-2E: previsioni probabilistiche per la regione alpina

I modelli COSMO-1E e COSMO-2E, basati sul modello COSMO, calcolano lo sviluppo futuro dello stato dell'atmosfera per un dominio che ricopre l'intera regione alpina, con la Svizzera al centro di tale dominio. Entrambi i modelli forniscono un insieme di differenti simulazioni. Esse si ottengono calcolando il modello COSMO partendo da condizioni iniziali leggermente differenti. In questo modo abbiamo a disposizione diverse simulazioni che rappresentano diversi possibili stati futuri dell'atmosfera. Ciò consente sia di identificare l'evoluzione più probabile della situazione meteorologica, sia di stimare la probabilità che si verifichino determinati eventi meteorologici. Le differenti simulazioni permettono inoltre di calcolare l’affidabilità delle previsioni e di migliorare la qualità della previsione, a breve e a medio termine, di eventi meteorologici estremi o molto locali, rispetto a quella fornita da una sola previsione deterministica.

Rispetto al modello numerico globale IFS gestito dal Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine CEPMMT (ECMWF), che ha una distanza fra due punti di griglia di circa 20 km, i modelli COSMO-1E e COSMO-2E sono caratterizzati da una migliore risoluzione spaziale: 1.1 km per COSMO-1E e 2.2 km per COSMO-2E. Considerando la complessa e dettagliata orografia della Svizzera, ciò è indispensabile per poter calcolare previsioni probabilistiche più affidabili, in particolare per eventi quali le tempeste di vento o le situazioni con precipitazioni intense.

Per poter calcolare i modelli COSMO-1E e COSMO-2E, che si estendono su un dominio regionale, è necessario fornire loro delle condizioni al contorno. Vale a dire fornire delle informazioni sulle condizioni meteorologiche che esistono attorno al dominio. Esse sono fornite dal modello numerico d’insieme IFS ENS del Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine CEPMMT (ECMWF). Inoltre è indispensabile fornire ai due modelli le condizioni iniziali, le cosiddette “analisi”, dalle quali incominciare ad effettuare i calcoli previsti dal modello. Queste condizioni iniziali sono determinate partendo dai dati misurati dalle stazioni o dai sistemi di rilevamento, tramite un raffinato processo chiamato “assimilazione dei dati”. Tale processo è alquanto complesso e fornisce un insieme di diverse possibili stati iniziali dell’atmosfera, fra di loro consistenti e ottimizzati per poter coprire un ampio spettro di possibili stati iniziali dell’atmosfera. In questo modo è anche possibile stimare l’incertezza con la quale siamo in grado, tramite le stazioni o i sistemi di rilevamento, di descrivere le condizioni meteorologiche in atto nell’atmosfera ad un determinato istante.

Perché si utilizzano degli insiemi di previsioni numeriche?

Piccole imprecisioni nelle misure dello stato dell’atmosfera in atto ad un determinato istante possono avere un grande impatto nel calcolo delle previsioni del tempo.
Le informazioni provenienti dal modello globale IFS ENS del CEPMMT (ECMWF) (utilizzate come condizioni al contorno per i modelli COSMO-1E e COSMO-2E) sono affette da imprecisioni che possono condurre a incertezze nella previsione calcolata sull’arco alpino.
Gli algoritmi che costituiscono il modello non sono perfetti (ad esempio perché semplificano determinati processi presenti nell’atmosfera) e anche ciò può portare ad incertezze nelle previsioni calcolate.

L’obiettivo delle previsioni probabilistiche è quello di descrivere nel modo migliore possibile le varie possibili forme d’incertezza. Per raggiungere tale scopo si modificano, in modo consapevole, le condizioni iniziali e quelle al contorno. A ciò si aggiungono anche perturbazioni stocastiche del modello stesso. Per ogni modifica effettuata si calcola una nuova simulazione. Si ottiene in questo modo un insieme di previsioni numeriche, tutte ugualmente probabili. Sulla base di questo insieme è ora possibile calcolare ad esempio la probabilità che un evento meteorologico si verifichi: si contano infatti quanti membri dell’insieme prevedono lo sviluppo dell’evento, rispetto al numero totale dei membri. La dispersione fra i vari membri dell’insieme fornisce un’indicazione sull’affidabilità della previsione e sulla prevedibilità della situazione meteorologica. Se tutti i membri mostrano scenari differenti, allora l’affidabilità è bassa. Se per contro essi convergono verso uno scenario, allora l’affidabilità aumenta.

Specifiche

Il modello di previsione d'insieme ad alta risoluzione COSMO-1E con 11 membri (simulazioni) è calcolato otto volte al giorno su una griglia la cui distanza fra due punti di griglia è di 1.1 km. Ogni 3 ore (00, 03, ... 21 UTC) la previsione del tempo viene ricalcolata per un orizzonte temporale che si estende fino a 33 ore. La corsa del modello che inizia alle 03 UTC si estende fino a 45 ore, affinché la previsione copra l'intero giorno successivo. Il dominio del modello COSMO-1E si estende orizzontalmente su 1075 x 691 punti di griglia. Esso copre l'intero arco alpino, con la Svizzera al centro del dominio. Verticalmente COSMO-1E ha 80 livelli che raggiungono una quota di 22 km. Nel punto più alto, la quota orografica del modello raggiunge i 4268 m sul livello del mare. Per ognuno dei 73'569'600 punti della griglia la previsione è calcolata con passi temporali di 10 secondi.

Il modello di previsione d'insieme COSMO-2E, è composto da 21 membri (simulazioni) e si estende su un orizzonte temporale di 120 ore (5 giorni). Esso è calcolato quattro volte al giorno (00, 06, 12 e 18 UTC) su una griglia la cui distanza fra due punti di griglia è di 2.2 km. Il dominio del modello con 538 x 346 punti di griglia copre anch’esso l'intero arco alpino. Verticalmente COSMO-2E calcola su 60 livelli fino ad una quota di 22 km. La previsione per i 13'618'800 punti della griglia è calcolata con passi temporali di 20 secondi.

I prodotti di previsione per entrambi i modelli possono essere ottenuti all’interno dell’area geografica delimitata dai seguenti angoli:

  • Angolo NW 49.52° N, 0.16° E;
  • Angolo NO 49.73° N, 16.75° E;
  • Angolo SW 42.67° N, 1.33° E;
  • Angolo SO 42.85° N, 15.94° E.

Di conseguenza la regione più ampia per cui è possibile ottenere dei corrisponde per COSMO-1E a 1075 x 691 punti di griglia e per COSMO-2E a 538 x 346 punti di griglia. Essa è leggermente più piccola del dominio complessivo, poiché si toglie un piccolo bordo che, a seguito di effetti numerici, non è utilizzabile.

      

COSMO: una cooperazione internazionale di successo

Per garantire che le previsioni del tempo diventino ancora più precise in futuro, MeteoSvizzera sviluppa continuamente i suoi modelli numerici di previsione nell'ambito di una cooperazione internazionale. I servizi meteorologici nazionali di Germania, Grecia, Israele, Italia, Polonia, Romania, Russia e Svizzera collaborano a stretto contatto all'interno del Consortium for Small-scale Modeling (COSMO). Questo consorzio è stato fondato nell'ottobre 1998 con l'obiettivo di sviluppare e migliorare continuamente un modello atmosferico regionale non idrostatico. Questo modello viene utilizzato a fini operativi e di ricerca.

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