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.
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.
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.
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 COSMO-1E (con una griglia orizzontale di 1,1 km) calcola 11 previsioni (o membri dell'insieme) otto volte al giorno per un orizzonte temporale fino a 33 ore. Il modello COSMO-2E, che utilizza una maglia orizzontale di 2,2 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 COSMO-2E. 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.
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.
L'informazione probabilistica è integrata, in modo più quantitativo, anche nelle rappresentazioni grafiche delle previsioni locali. 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).
L'esempio seguente, riferito alla località in cui sorge la Cabane du Trient del Club Alpino Svizzero, 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 COSMO-2E 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 nera; 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.
Le informazioni probabilistiche sono anche integrate nelle previsioni della temperatura e delle precipitazioni presenti sull'app di MeteoSvizzera.
In questo grafico viene mostrata l'incertezza della previsione della temperatura e delle precipitazioni tramite fasce / colonne semitrasparenti. Più ampie sono le fasce / le colonne semitrasparenti e maggiore è l’incertezza. della previsione. La parte superiore della colonna colorata (la scala corrisponde a quella delle immagini radar) indica la migliore stima di quanta precipitazioni è attesa. In questo esempio si tratta di 5 mm/h. La probabilità che cadano più di 7.5 mm/h o meno di 1 mm/h è bassa.