La previsione numerica del tempo (Numerical Weather Prediction - NWP) è un settore della meteorologia altamente specializzato e in continua evoluzione. La variazione del tempo meteorologico, cioè di grandezze come la temperatura, il vento, l'umidità, ecc., è descritta da un sistema di equazioni, detto “modello matematico”, che rappresentano i processi dinamico-fisici che agiscono in atmosfera. Tali equazioni non hanno una soluzione esatta e sono risolte con metodi approssimati che considerano l'atmosfera suddivisa in un certo numero di volumi di dimensione finita, la cui dimensione caratterizza la risoluzione spaziale di un modello numerico.

I centri di previsione operativa, come il Centro Nazionale di Meteorologia e Climatologia Aerospaziale (CNMCA), sono in grado di produrre informazioni con dettaglio dell'ordine di pochi chilometri, utilizzando modelli numerici di previsione così complessi da richiedere l'uso di super-calcolatori. Il sistema di calcolo ad alta prestazione utilizzato dal Servizio Meteo dell'AM è concepito con architettura ibrida CPU-GPGPU, basata su tecnologia Intel Broadwell e NVIDIA Kepler. Il super-calcolatore è entrato ufficialmente in produzione nella seconda metà del 2016 ed è tuttora in fase di sviluppo e ammodernamento tecnologico. Le prestazioni di picco sono nell’ordine delle centinaia di TeraFlops.

Il processo di produzione della previsione numerica può essere comunemente suddiviso in quattro fasi:

1. La raccolta delle osservazioni
2. La determinazione dello stato iniziale tramite l'assimilazione dati
3. La previsione col modello numerico e la post-elaborazione
4. La verifica delle previsioni

La raccolta delle osservazioni

La raccolta delle osservazioni meteorologiche avviene nel quadro di cooperazione stabilito dal Programma World Weather Watch (WWW) dell’Organizzazione Meteorologica Mondiale (OMM/WMO). Le osservazioni, sul territorio nazionale, così come nel resto del mondo, sono effettuate nell’ambito del World Weather Watch rispettando i dettami del Global Observing System (GOS), il cui scopo è quello di regolamentare e garantire le osservazioni dello stato dell’atmosfera e della superficie oceanica, al fine di consentire analisi, previsioni e avvisi per il monitoraggio del clima e dell’impatto ambientale. Tutte le osservazioni sono scambiate, a livello mondiale, per mezzo del Global Telecommunication System (GTS), a sua volta elemento del World Weather Watch.

Ogni Nazione è tenuta a raccogliere i propri dati di osservazione meteorologica per la trasmissione sulle reti di telecomunicazione del GTS. Il CNMCA di Pratica di Mare, in qualità di Regional Telecommunication Hub per la regione VI - Europa, oltre a raccogliere i dati del territorio nazionale riceve i dati di Malta, Grecia, Turchia e Libano per la successiva ritrasmissione ed accentra, inoltre, tutti i dati dell’area europea.

Il WMO Information System (WIS) rappresenta l’evoluzione del sistema GTS per il programma WWW. In tale ambito il CNMCA, con il supporto del RESIA-GSIM, svolge la funzione duplice di Data Collection and Production Centre (DCPC), rispettivamente in qualità di RTH e di Regional Specialized Meteorological Centre per la Meteorologia Marina e l'Oceanografia sul Mediterraneo (REC-MMO-MED).

Inoltre il CNMCA è dotato di sistemi per la ricezione e il processamento dei dati tele-rilevati dai satelliti meteorologici, sia mediante ricezione diretta in banda L e X, sia attraverso la rete EUMETCAST gestita dall’agenzia europea EUMETSAT.

È importante sottolineare che il CNMCA, in virtù di recenti accordi bilaterali dell’AM con altre Pubbliche Amministrazioni e Enti Privati, riceve anche altre osservazioni ad alta densità sul territorio nazionale (ISPRA, DPC, ecc.), esterne al circuito GTS.

I messaggi di osservazione ricevuti sono acquisiti, decodificati e trasformati nel formato standard BUFR (Binary Universal Form for the Representation of meteorological data), accreditato come “standard” dall’organizzazione meteorologia mondiale WMO, dal software SAPP (Scalable Acquisition and Pre-Processing) sviluppato dal Centro Europeo per le Previsioni a Medio Termine (ECMWF). Il sistema SAPP è impiegato in AM per pre-processare in modo ottimale e continuo le osservazioni necessarie alla produzione dei campi di analisi, per le verifiche delle previsioni numeriche, per le esigenze operative legate all’attività di nowcasting, per effettuare il monitoraggio della qualità dei dati osservativi ricevuti, nonché per standardizzare il formato delle varie osservazioni locali disponibili a livello nazionale e non presenti sul circuito internazionale GTS.

La determinazione dello stato iniziale tramite l'assimilazione dati

Il settore dell'assimilazione dei dati (Data Assimilation) si occupa di trovare il migliore stato iniziale possibile dell'atmosfera, considerate tutte le osservazioni raccolte a disposizione in una certa finestra temporale. Tali dati, irregolarmente distribuiti nello spazio e nel tempo, sono analizzati con l’impiego di algoritmi statistico-numerici, al fine di ottenere la migliore stima dello stato dell’atmosfera (analisi), rappresentato su di un grigliato tridimensionale regolare ad un istante di tempo definito.

L’uso delle osservazioni per l’inizializzazione di un modello numerico è una peculiarità dei centri meteorologici operativi. Il Servizio Meteo dell'AM vanta un’esperienza più che decennale in questo campo; ciò gli ha consentito di mantenere un ruolo di primo piano anche a livello mondiale. Il Servizio Meteo dell’AM, infatti, ha utilizzato per anni la tecnica variazionale 3DVAR e utilizza attualmente un sistema di assimilazione dati basato sulla tecnica del filtro di Kalman stocastico (Ensemble Kalman Filter - EnKF), che è il risultato dei più recenti e avanzati studi nel settore. La particolare versione di EnKF usata al CNMCA (Bonavita, Torrisi e Marcucci, 2008, 2010) è nota come Local Ensemble Transform Kalman Filter (LETKF) ed è operativa dal 1° giugno 2011. L'analisi LETKF (vd. approfondimento_assimilazione.pdf) viene utilizzata operativamente per inizializzare il modello COSMO-ME per la previsione deterministica e il sistema COSMO-ME EPS per le previsioni probabilistiche.

Il Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare è stato il primo, nel panorama mondiale, ad utilizzare operativamente uno schema di assimilazione dati di tipo ensemble (non ibrido) per inizializzare un sistema di previsione deterministico a scala regionale. Lo schema LETKF è utilizzato operativamente, dal novembre 2018, anche per la determinazione delle condizioni iniziali in una configurazione ad altissima risoluzione (scala locale) che copre il territorio italiano.

L’analisi LETKF è calcolata operativamente nelle seguenti configurazioni operative:

• Ogni 3 ore sul dominio Euro-Mediterraneo, utilizzando 40 membri (ensemble di previsioni a breve termine), del modello COSMO con una risoluzione orizzontale di 0.0625° (~7 km) e 49 livelli verticali, e un membro deterministico utilizzato per inizializzare la corsa deterministica COSMO-ME e il sistema COSMO-ME EPS;
• Ogni ora sul dominio italiano, utilizzando 40 membri (ensemble di previsioni a breve termine), del modello COSMO con una risoluzione orizzontale di 0.02° (~2.2 km) e 65 livelli verticali, e un membro deterministico utilizzato per inizializzare la corsa deterministica COSMO-IT e il sistema COSMO-IT EPS.

 Il SAPP fornisce, ai sistemi di assimilazione operativa, osservazioni:

• di superficie: SYNOP (anche non-GTS), SHIP, BUOY;
• da Wind PROFILER/PILOT/RADAR;
• da radiosondaggio (anche nella fase di discesa delle sonde);
• da aeroplano (AIREP, AMDAR, MODE-S);
• derivate da satellite (Amospheric Motion Vectors da Meteosat, venti da scatterometro da Metop);
• di radianza da satellite (sensori AMSUA/MHS  su NOAA/Metop, ATMS su NPP/NOAA ). 

Nuove osservazioni (informazioni da stazioni GPS, profili di temperatura da IASI di NOAA/Metop, osservazioni di “soil moisture” derivate da satellite e da osservazioni ad alta risoluzione provenienti da reti osservative di enti non AM) sono attualmente fornite al sistema di monitoraggio della “qualità” dei dati osservativi, in vista di un loro uso operativo nel prossimo futuro. In tale sistema le osservazioni ricevute sono confrontate con la corrispondente previsione a breve termine del sistema di assimilazione operativo, in modo da ottenere informazioni statistiche sulla loro qualità e disponibilità. Descrizione schematica dei flussi di informazione associati al sistema di previsioni numeriche del servizio Meteorologico dell’AM.

La previsione con il modello numerico e la post-elaborazione

La previsione numerica è ottenuta utilizzando le equazioni di un modello fisico-matematico della circolazione atmosferica nota la conoscenza dello stato iniziale dell'atmosfera e delle eventuali condizioni al contorno, qualora si tratti di un modello ad area limitata, ossia non su dominio globale. Una stima accurata delle condizioni iniziali e un buon modello numerico sono gli elementi fondamentali di un accurato sistema di previsione numerica. Gli algoritmi di post-elaborazione sono applicati ai campi di previsione del modello numerico per ottenere informazioni aggiuntive e fornire dati di facile interpretazione.

Negli ultimi anni i modelli atmosferici ad alta risoluzione hanno raggiunto un livello di affidabilità sempre più elevato divenendo strumenti di largo impiego nelle attività di previsione a brevissimo e breve termine dei centri meteorologici operativi. In questo ambito il CNMCA utilizza operativamente il modello non-idrostatico sviluppato nell’ambito del consorzio COSMO (Consortium for Small-Scale Modelling) istituito tra i Servizi Meteorologici Nazionali di Germania, Svizzera, Italia, Grecia, Polonia, Romania, Russia e Israele.

Il modello COSMO è utilizzato in modalità “deterministica” in due configurazioni:

• COSMO-ME, integrato fino a 72 ore su una griglia con passo di 5 km e 45 livelli verticali; esso copre l’Europa centro-meridionale ed il bacino del Mediterraneo con quattro corse al giorno (00, 06, 12, 18 UTC) e utilizza come stato iniziale i campi d’analisi prodotti dal sistema di assimilazione di tipo probabilistico del CNMCA e, come condizioni al contorno, i campi del modello ECMWF-HRES;
• COSMO-IT, in grado di risolvere la convezione intensa e che viene quindi utilizzato per la previsione a brevissimo termine. Nello specifico COSMO-IT è integrato quattro volte al giorno (00, 06, 12, 18 UTC) fino a 30 (06,18UTC) o 48 (00,12UTC) ore, su una griglia che copre l’Italia con passo di 2.2 km e 65 livelli verticali, e, con condizioni al contorno, del modello ECMWF-HRES. COSMO-IT, è inizializzato con l’analisi deterministica prodotta dalla configurazione ad altissima risoluzione del sistema di assimilazione di tipo ensemble (LETKF) che è calcolata ogni ora utilizzando 40 membri e la stessa tipologia di osservazioni usata nel sistema di assimilazione di COSMO-ME.

È stato recentemente implementato sullo scenario italiano il modello ICON, il nuovo modello non idrostatico a griglia icosaedrica adottato dal consorzio COSMO a partire dal 2020. Attualmente il modello è usato nella configurazione ICON-IT, in grado di risolvere la convezione intensa. Nello specifico ICON-IT è integrato due volte al giorno (00 e 12 UTC) fino a 48 ore su una griglia che copre l’Italia (passo di 2.2 km e 65 livelli verticali). ICON-IT utilizza le condizioni al contorno del modello ECMWF-HRES ed è inizializzato con l’analisi deterministica prodotta dalla configurazione ad altissima risoluzione del sistema di assimilazione di tipo ensemble (LETKF) che è calcolata ogni ora utilizzando 40 membri e la stessa tipologia di osservazioni usata nel sistema di assimilazione di COSMO-IT.

Il CNMCA è dotato di un sistema di previsioni probabilistiche che consente anche di determinare l’incertezza associata alla previsione deterministica (vd. approfondimento_previ_probabilistiche.pdf). In modalità probabilistica (Ensemble Prediction System - EPS) il modello COSMO è usato nella configurazione:

• COSMO-ME EPS, costituito da 20+1 membri integrati su una griglia con passo di 7 km e 45 livelli verticali, che copre l’Europa centro-meridionale ed il bacino del Mediterraneo, con due corse al giorno (00 e 12 UTC), per previsioni fino a 72 ore. COSMO-ME EPS usa una selezione delle condizioni iniziali prodotte dal sistema LETKF e condizioni al contorno dall’EPS di ECMWF.
• COSMO-IT EPS, costituito da 20 membri integrati su una griglia con passo di 2.2 km e 65 livelli verticali, che copre l’Italia, con due corse al giorno (00 e 12 UTC), per previsioni fino a 48 ore. COSMO-IT EPS usa una selezione delle condizioni iniziali prodotte dal sistema LETKF ad altissima risoluzione e condizioni al contorno da ECMWF-EPS.

Recentemente il CNMCA è stato nominato Regional Specialized Meteorological Centre (RSMC) nei settori Local Area Deterministic - Numerical Weather Prediction e Local Area Ensemble - Numerical Weather Prediction nell'ambito del programma Global Data Processing and Forecasts System (GDPFS) del WMO.  Un sottoinsieme dei prodotti numerici COSMO-ME e COSMO-ME EPS a risoluzione degradata è pertanto reso disponibile quotidianamente in aderenza al requisito primario del GDPFS di favorire lo scambio di dati e prodotti meteorologici tra gli Stati Membri.

Il CNMCA collabora con ARPA-ER e ARPA-Piemonte, nell’ambito dell’accordo LAMI, per lo sviluppo del modello COSMO ed il suo utilizzo operativo per le previsioni sul territorio nazionale ai fini di protezione civile.
In collaborazione con ISMAR-CNR è stato sviluppato un sistema di previsione dello stato del mare (NETTUNO) basato sul modello COSMO e sul modello delle onde (WAM). Il sistema NETTUNO (vd. approfondimento_previ_mare.pdf) esiste in diverse configurazioni: deterministica (configurazione a risoluzione 3’ sul mar Mediterraneo e 1’ sui mari intorno l’Italia) e probabilistica (NETTUNO-ME EPS).

Le uscite dei modelli numerici sono rielaborate in modo da ottenere delle informazioni aggiuntive (approfondimento processing.pdf) e fornire dati di facile interpretazione all’utente.

Schema del sistema di previsioni numeriche operativo del Servizio Meteorologico dell’AM
 
La verifica delle previsioni

Nell’ultima fase del processo NWP le previsioni di un modello numerico valide a un certo istante sono confrontate con le corrispondenti osservazioni o analisi per la determinazione oggettiva di alcune grandezze statistiche (errore medio, scarto quadratico medio, ecc.). I valori di tali grandezze, calcolati in un periodo di tempo sufficientemente lungo dal punto di vista statistico, forniscono informazioni sulla bontà della previsione numerica.

Il Servizio Meteo dell'AM ha sviluppato nell’ambito del consorzio  COSMO il sistema Versus, che costituisce uno strumento flessibile e configurabile per la verifica delle previsioni numeriche. Tale sistema permette di effettuare verifiche statistiche su tutti i modelli operativi presso il COMET e sul modello globale di riferimento ECMWF- HRES. Report mensili e trimestrali per opportuni parametri al suolo ed in quota vengono redatti e resi pubblici sul sito del Servizio Meteorologico dell'Aeronautica Militare (Verifiche Modelli), come pure report specifici ad uso interno e per gli scopi scientifici del consorzio COSMO.

Sviluppi futuri

Nel breve futuro è prevista l’assimilazione di nuove tipologie di osservazioni (stazioni GPS, riflettività radar, ecc). Sono in corso le attività per la validazione soggettiva e oggettiva del nuovo modello ICON-IT in modalità pre-operativa. Le valutazioni effettuate sul modello ICON indicano che è circa il 40% più efficiente di COSMO e ha qualità di previsione mediamente superiore. Nel prossimo futuro verrà implementato anche il sistema di previsione probabilistico ICON-IT EPS con caratteristiche molto simili a quelle di COSMO-IT EPS. Schema del sistema di previsioni numeriche con il modello ICON in corso di implementazione


Contatti:

T.Col. Lucio Torrisi (lucio.torrisi@aeronautica.difesa.it)
Magg. Francesca Marcucci (francesca.marcucci@aeronautica.difesa.it)

Approfondimenti:

Il sistema di Assimilazione Dati di tipo Ensemble
La previsione probabilistica
Il sistema di post-elaborazione
Il sistema di previsioni dello stato del mare
Previsioni mensili

Referenze
Bonavita M, Torrisi L, Marcucci F. 2008. The ensemble Kalman filter in an operational regional NWP system: Preliminary results with real observations. Q. J. R. Meteorol. Soc. 134, 1733-1744.

Bonavita M, Torrisi L, Marcucci F. 2010. Ensemble data assimilation with the COMET regional forecasting system. Q. J. R. Meteorol. Soc. 136, 132-145.

Bonavita M, Torrisi L, Marcucci F. 2009. Il filtro di kalman stocastico e la sua applicazione nel sistema di analisi e previsione numerica del CNMCA. Rivista di Meteorologia Aeronautica, N 1/2009, pp. 4-11.

Marcucci F., Torrisi L, 2017. Il Sistema di previsioni probabilistiche del Servizio Meteorologico dell’AM. Rivista di Meteorologia Aeronautica, N 4 / 2017, pp. 14-26.

Batignani F., Marcucci F., Torrisi L, SAPP (Scalable Acquisition and Pre-Processing)
Sviluppi e Potenzialità. Rivista di Meteorologia Aeronautica, in pubblicazione.

Torrisi L, Marcucci F. ,Regoli E., La previsione numerica del tempo atmosferico presso il Servizio Meteorologico dell’AM. Rivista di Meteorologia Aeronautica, N 2 /2020, pp. 17-30.

Batignani F., Torrisi L, Marcucci F., Il sistema di previsioni dello stato del mare del servizio meteorologico dell’Aeronautica Militare. Rivista di Meteorologia Aeronautica, in pubblicazione.