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Probabilità delle previsioni

Le previsioni meteorologiche sono soggette inevitabilmente a incertezze. Per quantificarle vari scenari sono calcolati tramite i modelli numerici, nei quali diversi parametri sono di volta in volta leggermente variati. MeteoSvizzera integra le informazioni probabilistiche nei propri bollettini meteorologici per quantificare l’incertezza.

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I modelli di previsione numerica simulano ciò che avviene nell'atmosfera grazie a formule matematiche, derivate dalle leggi della fisica che descrivono i vari fenomeni meteorologici. Al giorno d’oggi l’uso delle simulazioni tramite i modelli numerici di previsione del tempo è indispensabile per elaborare le previsioni sul tempo. Negli ultimi decenni, sono stati fatti notevoli progressi nella comprensione dei processi fisico-chimici che avvengono nell'atmosfera e anche la risoluzione spaziale dei modelli numerici (la cosiddetta dimensione della maglia della griglia del modello) è migliorata significativamente.

Da dove prende origine l’incertezza di una previsione

Nonostante i progressi nella conoscenza scientifica degli ultimi decenni, alcuni processi che avvengono nell’atmosfera non sono ancora adeguatamente rappresentati dai modelli numerici. Alcuni di essi (per esempio una parte di quelli che avvengono all’interno dei una nuvola temporalesca) sono ancora descritti usando le cosiddette parametrizzazioni. Ciò significa che invece di descriverli tramite le formule derivate dall’applicazione delle leggi della fisica, questi processi sono descritti in modo molto semplificato, in alcuni casi addirittura “solo” tramite dei parametri. Queste semplificazioni possono essere una fonte di incertezza al momento del calcolo della previsione da parte del modello numerico.

Un'altra fonte da cui può derivare l’incertezza nella previsione nasce dal fatto che i valori misurati delle singole grandezze meteorologiche, che descrivono lo stato dell'atmosfera all'inizio della simulazione numerica, non sono sempre noti con sufficiente precisione o devono essere stimati. Nonostante il grande numero di osservazioni e misurazioni che sono eseguite ogni giorno in tutto il mondo, non è possibile misurare le singole grandezze meteorologiche in ogni angolo della Terra. I sistemi di misura e di rilevamento (per esempio le stazioni al suolo e le varie reti di monitoraggio dell'atmosfera sono in continuo miglioramento, ma per il momento lo stato dell’atmosfera ad un determinato istante non è ancora conosciuto ovunque perfettamente.

I valori delle grandezze meteorologiche che descrivono lo stato dell’atmosfera ad un determinato istante, chiamati anche condizioni iniziali, sono importanti per far “partire” le simulazioni del modello numerico. A causa della natura caotica dell'atmosfera, piccole differenze o incertezze nelle condizioni iniziali possono, infatti, portare a grandi differenze tra le simulazioni dello stesso modello di previsione numerica.

Come si quantifica l'incertezza

Ogni previsione meteorologica è dunque soggetta a un certo grado di incertezza. Per quantificare questa incertezza i meteorologi utilizzando il cosiddetto “approccio d’insieme” (in inglese "ensemble”). Con questa tecnica, diverse simulazioni sono calcolate per lo stesso periodo di tempo con lo stesso modello numerico, ma che viene calcolato apportando alcune piccole modifiche - per esempio cambiando leggermente le condizioni iniziali che sono inserite come valori di partenza per le simulazioni. Al contrario, un approccio in cui solo una singola simulazione è calcolata e presentata è chiamato "deterministico".

Per esempio, il modello numerico ad alta risoluzione ICON-CH1-EPS (con una griglia orizzontale di 1,0 km) calcola 11 previsioni (o membri dell'insieme) otto volte al giorno per un orizzonte temporale fino a 33 ore. Il modello ICON-CH2-EPS, che utilizza una maglia orizzontale di 2,1 km, calcola 21 previsioni fino a 5 giorni.

Per illustrare questo approccio d’insieme, l'immagine qui sotto mostra l’accumulo delle precipitazioni su 3 ore previsto per il 24 luglio 2020 fra le 6 e le 9 UTC, dai 21 diversi membri che compongono il modello ICON-CH2-EPS. Per questa scadenza temporale, che corrisponde a 27 ore dopo l'inizio della simulazione, possiamo vedere che vi sono grandi differenze tra i vari membri, il che ci mostra l'incertezza associata sia alla previsione della quantità complessiva, sia a quella della tempistica delle precipitazioni in quell’intervallo di tempo. In particolare, per un dato punto o regione, può verificarsi uno scenario secco (nessuna precipitazione) o umido (con precipitazioni) a seconda del membro considerato.

21 kleine Schweizer Karten mit farbcodierten Angaben zur erwarteten Niederschlagsmenge
Mappe delle precipitazioni (somma in millimetri accumulata su 3 ore) previste dai 21 membri del modello d’insieme ICON-CH2-EPS per il 01.10.2024 dalle 21 alle 24 UTC (previsione emessa 3 giorni prima). Si può vedere che alcuni membri prevedono poca o nessuna precipitazione sulla maggior parte della Svizzera, mentre altri membri prevedono precipitazioni sulla maggior parte del territorio (in alcuni luoghi fino a 50 mm in 3 ore). (21 piccole mappe della Svizzera con informazioni codificate a colori sulla quantità prevista di precipitazioni.)

Integrazione delle previsioni probabilistiche nelle prestazioni di MeteoSvizzera

MeteoSvizzera ha sistematicamente integrato questo approccio probabilistico, che tiene conto dell’incertezza, nelle sue previsioni e nei suoi servizi. Questo è particolarmente evidente nei bollettini meteorologici, dove un certo numero di termini probabilistici è usato per descrivere fenomeni per i quali sussiste un certo grado di incertezza.

Le previsioni probabilistiche sono sempre più integrate nelle rappresentazioni grafiche dei nostri prodotti.. L'applicazione "Probabilità di pioggia" offre mappe che mostrano la probabilità di vedere precipitazioni nei giorni successivi. La probabilità di precipitazioni è calcolata direttamente dalla previsione d'insieme, considerando la proporzione di scenari o membri del modello che prevedono fenomeni con precipitazioni. Questo strumento fornisce esclusivamente informazioni probabilistiche, senza indicare la quantità di precipitazioni attesa.

 	Piccole mappe svizzere con informazioni codificate a colori sulla probabilità di precipitazione prevista
Probabilità di precipitazioni nei prossimi giorni mostrata su una mappa. La probabilità è calcolata dividendo il numero di scenari di ensemble con precipitazioni per il numero totale di scenari.

Anche le previsioni locali includono informazioni probabilistiche. Sulla base di quanto previsto dai diversi membri dell’insieme, per un dato luogo e istante, è possibile calcolare per ogni grandezza meteorologica il valore mediano. Quest’ultimo, per definizione, è quello per cui la metà dei membri dell’insieme prevede un valore più alto e l'altra metà uno più basso. Per quantificare i valori più estremi, è stato scelto di utilizzare il 10% dei valori più alti e il 10% dei valori più bassi. Nel gergo matematico della statistica, il valore al di sotto del quale si trova il 10% dei valori più bassi è chiamato decimo percentile (Q10), mentre il valore oltre il quale si trova il 10% dei valori più alti viene denominato il novantesimo percentile (Q90) (si noti che il valore mediano non è altro che il cinquantesimo percentile).

Diagramma che mostra l'evoluzione della temperatura prevista per il valore mediano così come l'intervallo tra il 10% e il 90% del percentile.
Illustrazione grafica dell'uso dei diversi membri d'insieme per lo sviluppo di previsioni probabilistiche locali. Il valore mediano (Q50) è quello per il quale la metà dei membri dell’insieme prevede un valore più alto e l'altra metà uno più basso. Il decimo (novantesimo) percentile (Q10, rispettivamente Q90) è il valore sotto (rispettivamente sopra) il quale si trova il 10% dei valori più bassi (rispettivamente più alti). L'80% dei membri fornisce valori compresi fra il Q10 e il Q90.

Informazioni probabilistiche sul sito di MeteoSvizzera

L'esempio seguente ci mostra come l'informazione probabilistica è integrata nelle previsioni locali per quanto riguarda la temperatura e le precipitazioni. La temperatura mediana (Q50) è rappresentata da una curva rossa. La banda rosa semitrasparente indica l’incertezza della previsione, e rappresenta i valori compresi tra i percentili Q10 e Q90. Essa comprende il restante 80% delle simulazioni calcolate dal sistema d’insieme. Per il modello ICON-CH2-EPS questo significherebbe che circa 17 membri dell’insieme su 21 forniscono valori che rientrano in questo intervallo.

Il valore mediano delle quantità di precipitazioni è rappresentato da una colonna azzurra. Essa indica la quantità prevista di precipitazioni. L'intervallo di incertezza è rappresentato dalla linea verticale azzurra chiaro; è delimitato sopra e sotto da linee orizzontali corrispondenti ai quantili Q10 e Q90. Come per la temperatura, l'80% dei valori calcolati dai vari membri del sistema d’insieme rientrano nell'intervallo tra questi due percentili.

Grafico che mostra l'evoluzione della temperatura e delle precipitazioni nelle prossime ore, sia per la previsione più probabile, sia con l'aiuto di intervalli di incertezza.
Questo grafico mostra le previsioni locali probabilistiche sia per la temperatura che per le precipitazioni. La scala della temperatura (in °C) è sulla sinistra, mentre la scala delle precipitazioni (in mm/h) sulla destra. Per la temperatura, il valore più probabile e l'incertezza sono mostrati in rosso e in rosa semitrasparente. Per le precipitazioni, il valore più probabile è mostrato dalla colonna blu, mentre l’incertezza è rappresentata dalle linee verticali azzurra delimitate dai trattini orizzontali in alto e in basso. Facciamo un esempio per spiegare la lettura di questo diagramma: alle 2, l’intensità più probabile di precipitazioni prevista è di circa 1,5 mm/ora. Tuttavia, l'incertezza di questo valore è abbastanza grande perché la previsione probabilistica prevede valori tra 0,7 e 3 mm/h (per l'80% degli scenari).
L'immagine mostra una previsione meteo per la località 1201 Ginevra a 381 m di altitudine. Contiene una rappresentazione grafica della velocità e della direzione del vento su un periodo di due giorni, da mercoledì a venerdì. La velocità del vento è indicata in km/h e le aree di incertezza sono visualizzate da zone semitrasparenti che indicano possibili fluttuazioni nelle previsioni. A destra si trova una tabella con le previsioni meteorologiche per i giorni a venire, che include informazioni sulla temperatura, la probabilità di precipitazioni e la quantità di precipitazioni in millimetri.
L'incertezza della previsione del vento è rappresentata da un'area semitrasparente. Più grande è quest'area, maggiore è l'incertezza. Nella casella giornaliera (a destra), l'incertezza della somma giornaliera delle precipitazioni è indicata in mm.

Informazioni probabilistiche sull’app di MeteoSvizzera

Le informazioni probabilistiche sono anche integrate nelle previsioni della temperatura e delle precipitazioni presenti sull'app di MeteoSvizzera.

Grafico che mostra l'evoluzione della temperatura e delle precipitazioni nelle prossime ore, sia per la previsione più probabile, sia con l'aiuto di intervalli di incertezza.
L'immagine mostra due grafici con testi esplicativi sulla probabilità delle velocità del vento e delle raffiche di vento.  A sinistra: Il testo spiega che la probabilità che la velocità media del vento sia compresa tra 5 e 7 km/h è dell'80%, con la migliore stima di 6 km/h. Il grafico sottostante mostra una linea blu con un'area ombreggiata che rappresenta l'incertezza. Le velocità del vento sono riportate sull'asse X in base al tempo e sull'asse Y in km/h.  A destra: Il testo indica che la probabilità che le raffiche di vento più forti siano comprese tra 17 e 28 km/h è anch'essa dell'80%, con la migliore stima di 21 km/h. Il grafico corrispondente mostra una visualizzazione simile a quella di sinistra, ma con velocità del vento più elevate.  Entrambi i grafici visualizzano aree di incertezza, rappresentate da diverse sfumature di ombreggiatura.
Incertezza della previsione del vento

L'incertezza nelle previsioni di temperatura e vento è indicata da un'area semitrasparente: più è ampia, maggiore è l'incertezza. C'è 80% di probabilità che il valore rientri in questo intervallo.

L'incertezza delle previsioni di precipitazione è rappresentata in modi diversi: le colonne trasparenti indicano l'incertezza sull'intensità delle precipitazioni, mentre le percentuali blu mostrano la probabilità che piova una quantità apprezzabile nell'arco di 3 ore. Gli intervalli nella panoramica settimanale indicano l'incertezza di accumulo giornaliero.