Modèj numerich de prevision meteorològica

In fisica de l'atmosfera i modèj numerich de prevision meteoròlogica hinn di modèj matematich de l'atmosfera terrèstra che doperen i condizion meteorològich attuàj (stat atmosferegh) ‘me dàa d’entrada o 'me inizializzazion di equazión fondamentàj del modèll medésim per la prevision meteorològica per on moment oppùr di àttim in succession (prògnosi). 

A hinn ciamàa  numerich perchè la risoluzión di equazion del modèll, che l’è minga possibil per via analitica a càosa de la soa complicazion e perchè i equaion hinn minga lineàr, l’è fàda per mèzz di tècnich de analisi numerica con l’utilizzazion di supercalcolador, vist anca el mucc enòrme di dàa de laoragh adrée a la svèlta. A l’è on camp de ricerca aplicada di scienz de l'atmosfera avèrt e semper ‘drée a trasformàss insèma a quèll de la modellizzazion atmosferega (meteorologia dinamica). 

Tanti modèj de prevision, sia a scala globàl sia regional, vegnen fàa girà per  i prevision del temp per i nazion de tutt el mond. L'utilizzazion di prevision fundàa in su l‘insèma di modèj (prevision d'insèma) l’ajuta in del determinà e in del redù l'incertèzza di previsioni medésim e in del slongà inscì l’intervàll de temp de la prevision meteorologica pussée innanz in del futùr rispètt a quèll che ‘l sarìss diversament possibil con i risultàa d’on modèll in deperlùu.

 Stòria 
miniatura|l'ENIAC
Anca se i primm sfòrz in quèlla direzion chì hinn stàa fàa in di ann 1920, l’è stàa domà cont el rivà del compiuter e de la simulazion al compiuter che quèll tipo de prevision chì l’è diventàa possibil in temp reà. A manipolà i serie enòrmi de dàa e a effettuàa i càlcoj complèss ch’i servissen de ottegnì ‘na risoluzion assée fina de manera che i risultàa sìen ùtil, l'è defàtt necessaria l’utilizzazion di supercalcolator pussée potent al mond e di relativ tècnich de elaborazion travèrs l’analisi numerica.

El matematich britànnich Lewis Fry Richardson l’è stàa el primm in del 1922 che l’hà a propòst on modèll matematich per i prevision meteorològich. El Richardson la provà a mèttes adrée a scriv on modèll ma l’è riessì minga a fa ‘na prevision fondada in sui càlcol matematich. La primma prevision fàda con  di modèj numerich che la gh’hà avùu succèss l’è stada ottegnuda, in del 1950, de on grupp de meteorològh statunitèns fa su del Jule Charney,  el Philip Thompson e ‘l Larry Gates, oltra che del meteoròlogh norvegés Ragnar Fjörtoft e del matematich John von Neumann, che i hànn doprà el compiuter digitàl ENIAC. Per el càlcol i hànn doprà 'na formola semplificada di dinàmich atmosferegh fondada in su l'equazion de la vorticità barotròpica. Ona tal semplificazión l’hà fa de manera de redù i temp e la mermòria necessaria del compiuter, inscì de fa diventà possibil el svolgiment di càlcol per mèzz di pareggiadùr relativament primitiv de quèj temp là. I mòdej ch’a hinn vegnùu poeu hànn podùu doprà i equazion complètt de la dinamica atmosferega e de la tèrmodinamica de l'atmosfera.

I prevision fondàd in sui modèj matematich hànn comenzàa a vèss dopràd ind la pratega in del 1955, per on progètt comùn de l’ aviazion de l’armada di Stat Unii, de la Marina e del servizzi meteorològich di Stat Unii.

 Descrizion 
On modèll meteorològich a l’è fàa su d’on insèma de equazion fisico-matemategh, ciamàa anca equazion primitiv, ch'i descriven i vari procèss e proprietàa di vari component e di vari aspètt de l’atmosfera:

 l'aria l’è on fluid che la soa dinamica a l’è descrivuda di equazion dei Navier-Stokes (varda meteorologia dinamica); la dinamica de l'atmosfera e di sò parametri principali (pression, temperadura, umidità, densità e vent) la ven descrivuda de ‘n’insèma  5 equazion fondamentaj (equazion differenzial ai derivad parziaj minga-lineàr);
 el vapor de acqua present ind l’atmosfera el condensa e va a fa su i nìvol che pòden ingenerà di precipitazion o starlattàss senza di fenòmen rilevant (Microfisica di nivol);
 ind l'atmosfera a gh’è tanti partìcol sòlid piscinìnn che fànn di laorà fondamentaj; a gh'hinn di partìcol de sal, de granìtt de pólver e inquinament, ciamàd aerosòl atmosferegh e anca lor fànn el mestée di nucli de condensa;
 el strat limit planetari (Planet Boundary Layer) a l’è molto turborent e ‘l gh’hà besògn di attenzion particolar e de parametrizzazión.
 il motór de tutt quèll laorà chì a l’è el Sol che cont el scaldà la  superfice terrèstra el fa de manera che anca lee la manda foeura la radiazion ind l’aria con la soa energia in forma de calor (radiazion terrèstra).

miniatura|Supercalcolatore

L'atmosfera terrèstra, donca a l’è ‘n fluid e l'idea che la stà al fondament di modèj mumerich de la prevision meteorològica a l’è quèlla de ciapà i campión del stat del fluid a on cèrt momént e donca doprà i equazion de la dinamica di fluid e de la tèrmodinamica per la stima del flùid medèmm in di moment futùr. I mòdej hinn dopràa de ottegnì la prevision de l’evoluzion del stat de l'atmosfera in del  futùr a partìi del stat de adèss, ch'a l'è quèll inizial. I modèj vegnen donca inizializzaa cont i dàa tràa foeura di pareggiadur meteorològich, filtràa d’ona manera opportuna (assimilazion di daa), e per mèzz de la risoluzion numerica (discretizzazion)  di equazion che descriven el mòto de l'atmosfera per mèzz  di supercalcolator, produsen ‘na rispòsta, segond la quàl a l’è possibil de esprìmm la prevision meteorològica. I prevision gh’hànn però di errór, sorattùtt in del longh tèrmen, de già che in di modèj vegnen fàa per fòrza di prossimazión d’on quàj procèss (parametrizzazion) e de sorapù l'atmosfera medèmma a l’è de vèra on sistèma confùs che la sgrandìss i error de rotondada e derivàa del tajàa su i valor di condizion iniziaj. Tucc i modèj meteorològich ch'a se dopren nassen de divèrsi métod de risoluzion numerica del grupp di equaiozion fondamentaj e/o de divèrsi parametrizzazion di procèss fisich.

 Tipi 

 Modèll empirich – On modèll rappresentàa de procèss semplificàa fondàa sora l’osservazion, i misur o l’esperienza pratega puttòst che in su i princippi o la teoria.
 Modèll analògich – On modèll fondàa sora la somiglianza intra el sistèma ch'a s’è ‘drée a studià e on alter sistèma o procèss.
 Modèll de concètt – ‘Na rappresentazion semplificada del sistèma che ‘l ven studiàa.
 Modèll analitich – On modèl che ‘l fa uso di metod classich ‘me el càlcol e l’algebra de resòlv ‘na serie de equazion.
 Modèll numerich – On modèll che ‘l fa uso d’on metod numèrich de resòlv ‘na serie de equazion, in contrast de on modèll analitich. I risultàa di modèj numerich, despèss hinn di prossimazión, inscambi i modèj analitich produsen di soluzion esàtt.
 Modèll continuv - On modèll che ‘l dopera la simulazion continua in contrast de on modèll che 'l calcola i avveniment in deperlor.
 Modèll deterministich - On modèll che ‘l prodùss i istèss dàa in sortida con i istèss dàa in entrada senza di stimm de ris’c o incertèzza.
 Modèll pseudodeterminìstich – On modèll semi-distribuìi.
 Modèll del bilànc di mass – On modèll fondàa sora la conservazion de la massa e che l’è fondàa in sul bilanc intra i entràd e i sortìd de l’area del modèll. Conussùu anca ‘me modèll senza unitàa de misura.

miniatura|On esempi de prevision a ‘n'altèzza geopotenzial de 500 hPa fondada sora on modèll numerich de prevision meteorologica.

 Modell esplìcit – On modèll numerich che ‘l dopera di valor paràmetro o di variàbel minga conossùd al princippi d’on stadi temporal in di algoritmi de càlcol.
 Modèll implìcit – On modèll numerich che ‘l dopera di valor parametro o di variàbel minga conossùd a la fin d’on stadi temporal in di algoritimi de calcol.
 Modèll a ‘na sola direzion – On modèll che ‘l considera domà ‘na direzion in del spazzi.
 Modèll a du direzion – On modèll che ‘l considera du direzion in del spazzi, de sòlit vertical e orizzontal vuna egual a l’altra.
 Modèll stocàstich matematich – On modèll che ‘l gh’hà dent di element statistich e ‘l prodùss ‘na serie di dàa in sortida per ona cèrta serie di dàa in entrada. I daa in sortida hinn ‘na sequénza di valór spèttada.

 Definizion 

miniatura|Ona prevision a 96 or de distanza per la temperadura e l'altèzza geopotenzial de 850 hPa fondada in sul Global Forecast System.

On modèll, in del settór de la meteorologia, a l’è on programma per compiuter che ‘l prodùss di informazion meteorològich per di moment futùr a di cèrt posizion e cèrt altèzzi. El domini spazial orizzontal de on modèll a l’è ciamàa global, se ‘l coprìss tutt la Tèrra, o regional, se ‘l coprìss domà ona part limitada del pianètta. I modèj regionaj hinn conossùu anca ‘me modèj de àrea limitada (LAM, de la lengua inglesa limited area mòdel).

I prevision hinn fàa su cont el doprà i equazion differenziaj matematich per la fisica e la dinamica de l'atmosfera ciamàd anca equazión primitìv di mòti atmosferegh: a hinn di equazion minga lineàr, che pòden vèss nò resòlt in manera precisa, o ben analitica, per quèst i métod dopràa, quèj de l’analisi numerica trànn foeura di soluzion prossimàd o ben che gh'hànn denter per fòrza di error. Di modèj divèrsi doperen di metod numerich de soluzion divèrsi;  on quaj modèll global el dopera di métod spettràl per i misur orizzontaj e  ‘l métod di differénz finìt per la direzion verticàl, inveci i modèj regionaj e di alter modèj globaj doperen i métod differénz finìd per tucc e tré i direzion. I modèj regionaj pòden doprà anca di gratìcol de risoluzion spazial pussée piscinina, de tràa foeura i risultàa per studiàa di fenòmen meteorològich a scala pussée piscinina, de già che gh’hànn nò de resòlv i equazion per tutt el pianètta, de manera de sfruttà mèj la potenza de càcol del compiuter. 

I modèj vegnen inizializzàa (varda problèma del Cauchy) cont l’utilizzazion  di dàa osservàa di radio-sondagg,  di satèllit meteorològich e di osservazion meteorològich de superfice o ben di stazion meteorològich in su la tèrraferma e l’oceano (bòa e bastiment). I osservazion, fàd segond di spaziatur irregolàr,  vegnen laoràd per mèzz l’assimilazion di daa e di métod de analisi di obiettìv, che effèttuen el contròll de qualitàa e trànn foeura i valór di vari sit e je doperen in di algoritmi matematich del modèll (de sòlit ‘na graticola cont di spazzi uniformi). I daa hinn poeu dopràa in del modèll ‘me ponto de partenza per ‘na previsión. I equazion primitìv di modèj hinn inizializza per mèzz de l’analisi di dàa e hinn determinàa donca i tass de variazion. Sti chi permetten de prevedè el stat de l’atmosfera per el futur lì adrée. Quèll noeuv tass atmosferegh chì el diventa el noeuv pont de partenza al quàl vegnen aplicàd i equazion de trà foeura i noeuv tass de variazion, che permetten in sò turno de prevedè el stat atmosferegh per di aòter intervàj de temp a ‘ndà innanz.  A se và innanz a ripètt quèsta procedura chì per "pass temporaj" fin tant che 'l riva nò el moment de la prevision desideràda. La longhèzza del pass temporàl a l’è colligada a la distanza intra i pont de la graticola de càlcol. I pass temporaj per i modèj del clima globaj pòden vèss de l’orden de desèn de minùt, inscambi quèj di modèj regionaj poden andàa d’on quaj segond a on quaj minut.   I risultaa (in sortida) di modèj hinn mostràa in su i cart meteorològich  ch'a hinn doperà di meteorològh.

 Limit de validità 
miniatura|Attirator del Lorenz
miniatura|Decadenza esponenzial
‘Me l‘è stàa propòst de l’Edward Lorenz in del 1963, anca a vèss bon de resòlv in manera analitica i equazion fondamentaj de l'atmosfera ( condizion ch'a l’è stada nananmò raggiunta), a l’è impossibil a prevedée a l’infinìi in del temp (cioè in manera deterministica ‘na vòlta e peou pu) el stat de l'atmosfera per via de la natura minga lineàr e donca confusa di equazion de la dinamica di fluid che la sgrandiss per fòrza in manera esponenzial l’error de inizializzazion del modèll o ben quèll di condizion iniziàj. On ‘altra font de incertèzza la ghe se gionta adrée a l'è el fàtt che i red d’osservazion esistent gh’hann 'na quattadura o risoluzion spazial limitada o ben minga omogenua, soratutt in sui grand superfici d’acqua ‘me l'Oceano Pacifich e l'emisfero meridionale, e quèst l’introdùss anmò pussée incertèzza in sul stat reà iniziàl de l'atmosfera.

Al dì d’incoeu el lìmit temporal massim de possibilità de prevedè del stat de l’atmosfera per on qualsessìa modèll meteorològich a l’è nò superior de 15 dì con on grad de attendibilità che ‘l se sbassa cont l’andà innanz del temp e ‘l cambia anca in fuzión di condizion atmosferegh de prevedè. Sora quèll limit chì a se va dent in del camp di inscì ciamàd prevision stagionaj e di modèj relativ che riven a coprì 'n perìod de temp de 3-6 mes e gh’hànn però ‘me fondament di princippi fisich, di considerazion e di manér de lavorà divèrsi de quèj di modeèj meteorològich: l'idea al sò fondament a l’è quèlla che i irregolarità tèrmich  di oceani sìen lor che moeuven circolazion atmosferega in forma de teleconnession atmosferegh e irregolarità atmosferegh tèrmich, bàrich e di precipitazion relatìv: quèj modèj chì gh’hànn per quèst ‘na risoluzion in del spazzi e in del temp minora di modèj meteorològich, o ben dànn ‘na sempliz 'tendenza' compagna che per i modèj del clima e a hinn ancamò ‘drée a vèss sviluppàa e sperimentàa .

 Prevision per insèma 

Al fin de tegni de cunt  l'incertèzza naturàl di métod e di modèj de prevision, de cercà de aumentànn la fidabilità e in del stèss temp ruzànn innanz el lìmit de validità de la prevision, a l’è al moment doprada l’inscì ciamda prevision stocastica "per insèma" (ensemble forecasting in lengua inglesa), che l’è fada su de tanti prevision fàd per mèzz de l’istèss modèll a partì de condizion iniziaj divèrsi, comprés denter ‘na cèrta gama de valor possìbil o con grupp di modèj divèrsi infra de lor per via di sò divèrsi parametrizzazion fisich dopràad (multimodel ensemble forecasting in lengua inglesa) oppùr cont el mètt insèma tucc e du i métod.  

De sòlit, la prevision per insèma a l’è valutada in tèrmen de media d'insèma (o ben la media pesada mettend che la condizion iniziàl la sia compagna del vèra oppùr con la probabilità de succèss del modèll valutada primma con la statistica) de la variàbel che la se voeur prevedè, e del desvari (spread in lengua inglesa) infra i member de l'insèma, che ‘l rappresenta  el grad de accòrd intra i vari prevision del sistèma di insèma, conossùu ‘me element de l’insèma. Despèss el se capìss mal quand ch 'a se cred che 'na dispersion bassa intra i element de l’insèma la voeura dì per fòrza on grad maggior de confidenza ind la media de l'insèma. Ancaben di vòlt l’esista ‘na relazione desvari-attendibilità, la relazion tra el desvari de l'insèma e ‘l grad de attendibilità o capacità de prevision la varia de bon segond  di fattor compagn del tipo de modèll de prevision e de la region che la gh’è aplicada la prevision.

 Esempi 
miniatura|300x300px|Carta meteorològica

 GFS, modèll americàn a scala sinòttica
 ECMWF, modèll europeo a scala sinòttica
 NOGAPS, modèll de la marina americana (U.S. Navy) a scala sinòttica
 UKMO, modell del Règn Unii a scala sinòttica
 GEM, modèll canadés a scala sinòttica
 WMC, modèll russo a scala sinòttica
 JMA, modèll giappones a scala sinòttica
 BOM ACCESS, modèll australian a scala sinòttica
 RAMS, modèllo a mesoscala
 BOLAM, modèll de area limitada (LAM)
 DALAM, modèll de area limitada (LAM)
 MM5, modèll de area limitada (LAM)

 Riferiment 

 Bibliografia 


 Beniston, Martin. From Turbulence to Climate: Numerical Investigations of the Atmosphere with a Hierarchy of Models. Berlin: Springer, 1998.
 Kalnay, Eugenia. Atmospheric Modeling, Data Assimilation and Predictability. Cambridge University Press, 2003.
 Thompson, Philip. Numerical Weather Analysis and Prediction. New York: The Macmillan Company, 1961.
 Pielke, Roger A. Mesoscale Meteorological Modeling. Orlando: Academic Press, Inc., 1984.
 U.S. Department of Commerce, National Oceanic and Atmospheric Administration, National Weather Service. National Weather Service Handbook No. 1 - Facsimile Products. Washington, DC: Department of Commerce, 1979.

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