Modelli Meteorologici

Un modello meteorologico di previsione numerica (Numerical Weather Prediction model) è un algoritmo numerico che analizza lo stato iniziale dell’atmosfera, ciò significa conoscere il valore di 7 variabili:

le 3 componenti del vento secondo un sistema di riferimento tridimensionale (asse x verso est, asse y verso nord e asse z verso l’alto),
la pressione
la temperatura
l’umidità
l’intensità delle velocità verticali.

Descrizione simbolica dei processi considerati in un modello meteorologico.

Il compito dei computer è quello di risolvere il sistema di equazioni differenziali spesso chiamate primitive che legano tra loro queste 7 variabili. I dati provengono dalle stazioni meteorologiche terrestri, stazioni meteo marine, palloni sonda e satelliti .

Gli strumenti che concorrono a fornire i dati ai modelli meteorologici.

Le equazioni vengono risolte dai modelli su un grigliato tridimensionale, che spesso comprende l’intera atmosfera terrestre. Quest’ultima si estende, approssimativamente, per circa 500 km nello spazio, con densità e pressione via-via decrescenti, in modo quasi esponenziale, allontanandosi dalla superficie. Tuttavia la porzione di atmosfera in cui avvengono i principali fenomeni meteorologici comprende i primi 20 km di essa, ed in genere i modelli meteorologici considerano principalmente questo strato. Un modello suddivide questo volume di atmosfera in tanti piccoli volumetti detti punti griglia, ed esegue i calcoli nel baricentro di ogni volumetto, in maniera tale che però esso diventi rappresentativo di tutto il volumetto.

Esempio di equazioni primitive di un modello meteorologico.

Per avere un’idea di una risoluzione spaziale di una grigli di un modello meteorologico, il modello meteorologico ISF del centro europeo situato a Reading (Londra) presenta una risoluzione orizzontale in latitudine e longitudine pari a circa 20 km . Questo significa che, sul globo, ad ogni livello verticale ci sono due milioni di punti griglia, ed in tutto ce ne sono circa 182 milioni. Su ognuno di tali punti griglia vengono risolte tutte le equazioni ad ogni time step (normalmente di qualche secondo),con i dati di input che debbono essere forniti anch’essi su ogni punto griglia, dalle decine di migliaia di stazioni meteo che inviano regolarmente i loro dati alla rete meteorologica mondiale con opportuni algoritmi interpolativi.

Schema griglia di un modello meteorologico.

Esistono diversi Centri Meteorologici internazionali che producono Modelli numerici Meteorologici. Il Modello Americano GFS è a scala sinottica così come l’Europeo ECMWF, prodotto dal Centro Meteorologico Europeo con sede a Reading-Londra, cui partecipa anche l’Italia. Sempre a scala sinottica il modello della Marina Militare americana NOGAPS, il modello del Regno Unito (UK) UKMO, il canadese GEM, il russo WMC, il giapponese JMA o l’australiano BOM ACCESS. Da questi ogni altro centro meteorologico utilizza i dati di questi modelli per farli interpolare con altre equazioni e realizzare modelli meteorologici più specifici come il WRF utilizzato dal LAMMA.

Esempio di una catena modellistica: per avere una previsione a scala locale.

Come si vede , malgrado la meteorologia numerica sia una scienza molto giovane, ha sfornato diverse generazioni di modelli, sempre più complessi a scala Globale ( visualizzazione mondiale ) Grande scala ( esempio visualizzazione europea ) Meso scala ( esempio visualizzazione italiana ) scala Locale ( esempio visualizzazione regionale ). Ma perché ci sono tanti modelli? Non dovrebbero essere tutti uguali, visto che si basano sulle stesse equazioni di base che regolano la fisica dei processi?

La risposta è… ni. Nel senso che è vero che le equazioni di base sono le stesse, ma i modelli differiscono per vari altri aspetti “di contorno” la cui importanza non è però trascurabile. Tra essi, citiamo: gli schemi numerici adottati per la soluzione delle equazioni; il tipo di grigliato usato, spesso dipendente dalla localizzazione geografica del sito in questione; le parametrizzazioni dei processi fisici di scala troppo piccola per essere risolti dal modello. In particolare, quest’ultimo è forse il punto che differenzia maggiormente i modelli l’uno dall’altro. I processi “sottogriglia”, per essere risolti esplicitamente, richiederebbero delle conoscenze di variabili che il modello non possiede, per cui vengono usate delle equazioni semplificate in cui compaiono dei parametri empirici (per questo si chiamano parametrizzazioni), i valori dei quali sono determinati in particolari esperimenti condotti dalla comunità scientifica. Ecco allora che lo stesso modello, a seconda del luogo in cui funziona, può adottare parametrizzazioni differenti (si pensi, ad esempio, ad un ambiente orograficamente semplice come il deserto australiano, o complesso come le Alpi, o innevato come la Siberia, o paludoso, oppure ancora ricoperto dal mare).