Conoscere i Modelli Meteorologici - Silvio Davolio CNR - ISAC Ricercatore presso l'Istituto di Scienze dell'Atmosfera e del Clima - CNR-ISAC
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Conoscere i
Modelli Meteorologici
Silvio Davolio
Ricercatore presso l’Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima
CNR - ISAC
Campobasso, 19 Maggio 2018 1
Meteorologia e Comunicazione
La previsione numerica
Lewis Fry Richardson riprende l’idea di Vilhelm Bjerknes (1904):
determinato lo stato iniziale dell’atmosfera, è possibile prevederne
il comportamento futuro utilizzando le leggi della fisica
Primo tentativo di applicare i metodi di calcolo numerico per
risolvere le equazioni della previsione del tempo (1916-22).
Conoscenze Metodi
Charney, Fjörtoft e
Tecnologia
Courant, Friedrichs e
Von Neumann (1950): Lewy: metodi differenze Calcolatore a valvole
modello barotropico finite e criteri di stabilità. ENIAC
C.G. Rossby
•Gli avanzamenti hanno beneficiato in misura comparabile dei
progressi tecnici nel settore del calcolo e di quelli scientifici
del settore della Meteorologia dinamica e numerica.
•Miglioramento delle osservazioni (inclusi i satelliti) E.N. Lorenz
2
I modelli numerici meteorologici (“NWP models”)
I modelli meteorologici sono programmi di calcolo in
grado di risolvere numericamente le equazioni della
fisica che governano l’evoluzione dell’atmosfera (e
non solo, anche suolo e mare sono coinvolti), in
modo da prevederne lo stato futuro, a partire dalla
conoscenza dello stato di partenza (condizione
iniziale o analisi).
Sono una rappresentazione “schematica e semplificata” della complessa realtà,
descritta attraverso un insieme di equazioni che simulano il comportamento
della natura al meglio della nostra conoscenza dei fenomeni fisici.
I modelli di previsione sono l'unico strumento a disposizione
per effettuare previsioni oltre le 1-3 ore (nowcasting).
3
Come funzionano? Discretizzazione e risoluzione
Discretizzazione
Non esiste una soluzione analitica delle
equazioni, i metodi numerici dividono
l’atmosfera in punti fissi (punti di
griglia).
Nimbus 29-30
Le variabili meteorologiche
(pressione, temperatura, vento)
sono definite solo su un reticolo
spazio-temporale (griglia).
Nimbus 29-30
Risoluzione = distanza tra punti di griglia 4
Nimbus 29-30 5
Modelli Globali (GM)
Necessitano della condizione iniziale
Risoluzione orizzontale 10÷50 km
Risorse di calcolo !
KATIA
IRMA
JOSE
6
Modelli ad Area Limitata (LAM)
Consentono di ottenere elevate risoluzioni spaziali su domini limitati
Richiedono anche le condizioni al contorno (da un GM)
MODELLO GLOBALE
L
MODELLO AD AREA LIMITATA
LAM
7
Nesting: risoluzioni sempre più alte in domini sempre più piccoli
Courtesy: Prof. Claudio Cassardo
Regole per il nesting!!!
8
Integrazione delle equazioni
suddivisione del dominio per calcolo parallelo
9
Risoluzione orizzontale del modello
λ
RISOLUZIONE = λ
REALTA’
MODELLO 10Risoluzione orizzontale del modello
λ
RISOLUZIONE = λ / 2
REALTA’
MODELLO 11Risoluzione orizzontale del modello
λ
RISOLUZIONE = λ / 8
REALTA’
MODELLO 1213
Cosa c’è dentro un modello? Fisica e parametrizzazione
RADIAZIONE
MICROFISICA CONVEZIONE
PBL
SUOLO
The COMET Program
All’interno del modello meteorologico ci sono dei “modelli” che descrivono
importanti processi fisici i quali
1) operano a scala più piccola del passo di griglia, quindi il modello non vede
2) sono molto complessi e vanno trattati in modo semplificato o di cui abbiamo
conoscenze limitate
PARAMETRIZZAZIONE: procedura che determina (in modo approssimato) la
modifica da apportare alle variabili del modello a seguito di questi processi fisici.MICROFISICA
La dinamica risolta dal modello produce il forcing che porta alla formazione di nubi e
pioggia. I processi legati a nubi e precipitazione (e le loro conseguenze, quali rilascio di
calore latente) non possono essere descritte esplicitamente dal modello, ma deve
esserci una parametrizzazione dei processi microfisici.
15
Quali sono i processi microfisici da descrivere?MICROFISICA
16CONVEZIONE
Nei modelli più recenti ad alta risoluzione (< 4km) la convezione non è più paramerizzata ma
risolta esplicitamente attraverso le equazioni. Questo permette una descrizione più realistica
dei sistemi comnvettivi, della loro dinamica e delle precipitazioni associate.
17SUOLO/SUPERFICIE
18RADIAZIONE
… e tutte le interazioni tra i vari processi fisici parametrizzati
19
!!!MODELLO
METEOROLOGICO
ANALISI MAPPE
20Errori nella previsione numerica
- Errori nella condizione iniziale (analisi)
- errori/lacune nelle osservazioni
- metodi di assimilazione dati
- risoluzione
- Errori nel modello
- descrizione/conoscenza approssimata dei processi fisici
- metodi numerici
- risoluzione
- condizioni al contorno (nei LAM)L’atmosfera è un sistema dinamico soggetto a
comportamento “caotico”
Gli errori si amplificano nel corso della previsione
Gli errori crescono più rapidamente a scala piccola (fenomeni
convettivi)
La conoscenza approssimata della condizione iniziale non produce
una previsione approssimata dopo un tempo finito, ma una
previsione SBAGLIATA
22Attendibilità/qualità/skill delle previsioni numeriche
1 gg
3 gg
5 gg
7 gg
Fonte
ECMWF
1981 1991 2001 2011
Guadagno di 1-2 giorni di previsione ogni decade 23Interpretazione delle mappe modellistiche à IL METEOROLOGO
http://www.isac.cnr.it/dinamica/projects/forecasts/
GRAZIE !!! 26
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