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L’automazione nella previsione del tempo

Cluster computers

La previsione del tempo incominciò ad assumere un carattere scientifico soltanto nei secoli XVIII e XIX, sebbene i primi fondamenti per un orientamento in tal senso si possano ricondurre ai tempi di Leonardo da Vinci, anche prima cioè che gli strumenti meteorologici entrassero nell’uso abituale, cosa che avvenne intorno al 1650. La previsione del tempo vera e propria poté realizzarsi però soltanto dopo l’invenzione del telegrafo, allorché fu possibile istituire una rete di comunicazioni telegrafiche per lo scambio rapido dei dati meteorologici, osservati ad una stessa ora riferita al meridiano di Greenwich, in diversi paesi, prima di uno stesso continente e successivamente anche in continenti diversi. Fu allora che nacque la Meteorologia sinottica (dal greco sinossi, per veduta d’insieme, compendio, in senso traslato - osservazione in simultanea), quella branca della Meteorologia che si prefigge la previsione del tempo a fini pratici. Per conseguire un tale scopo si rese necessario però arrivare ad una rappresentazione dell’atmosfera attraverso mappe sulle quali riportare con adeguato simbolismo i dati meteorologici, osservati a vista e registrati da strumenti, ad intervalli regolari di tempo (sinottici), riferiti al livello del mare.


(A cura del Generale Andrea Baroni)


Le teorie dei fronti (teoria frontale) e delle masse d’aria

Agli inizi del nostro secolo, attraverso il graduale affermarsi delle teorie dinamiche e fisiche della Meteorologia generale, soprattutto per merito della scuola norvegese di Bergen, l’analisi delle carte meteorologiche sinottiche rivelò la struttura di sistemi meteorologici fino ad allora sconosciuti. La scuola norvegese di Bergen realizzò modelli sinottici di fronti (perturbazioni), studiò i cicli evolutivi delle depressioni mobili delle medie latitudini, fornì le tecniche per una corretta analisi semiempirica delle carte meteorologiche e per una prognosi a breve termine (24 ore), legata all’attività ciclonica. Alla stessa scuola di Bergen si deve, più tardi, l’identificazione delle masse d’aria, classificate secondo le loro proprietà fisiche. Ancora oggi, malgrado i progressi raggiunti con la modellistica numerica, la teoria frontale e quella delle masse d’aria della scuola norvegese costituiscono l’elemento principale nell’analisi delle carte del tempo in ogni servizio meteorologico del mondo.


Le osservazioni aerologiche

Sin dagli anni ‘20 s’intravide l’importanza di uno studio tridimensionale dell’atmosfera, attraverso la misurazione di alcune grandezze meteorologiche a vari livelli di altitudine. L’impiego di meteorografi “imbarcati” a bordo di aerostati prima e di aeroplani poi, permise di misurare la pressione atmosferica, la temperatura e l’umidità dell’aria ad ore prestabilite, sempre riferite al meridiano di Greenwich, a vari livelli dell’atmosfera. Più tardi, per l’esattezza tra gli anni ‘40 e ‘50, dopo importanti modifiche strutturali, si realizzarono radiosonde affidate ciascuna ad un pallone meteorologico in ascesa libera, in grado di superare così la quota di tangenza di qualsiasi velivolo di quel tempo. Questo fatto costituì la premessa per l’affermazione sul piano operativo della aerologia sinottica, grazie alla realizzazione di una rete intercontinentale di osservazioni strumentali in quota a mezzo di radiosonde. I dati ricavati con tale rete contribuirono, tra gli anni ‘50 e ‘60 allo sviluppo di due nuove teorie di analisi meteorologiche, fondate sulla dinamica della circolazione generale dell’atmosfera: la teoria di Rossby e la teoria di Sutcliffe. Studiando i campi di moto a varie altitudini, si riuscì a trovare una correlazione tra divergenza delle correnti, vorticità e moti verticali. In breve la teoria delle onde lunghe di Rossby e quella delle divergenza di Sutcliffe aprirono il passo alla applicazione dei modelli matematici di atmosfera che negli anni ‘60 e ‘70 vennero affidati con crescente successo ai computer di grande potenza dei più moderni laboratori meteorologici del mondo.

Gli elaboratori elettronici per la Meteorologia

L’analisi delle situazioni meteorologiche, sia al suolo, sia in quota, condotta su basi semiempiriche, pur riuscendo a colmare un certo vuoto tra teoria e pratica, non consente però di svincolare dalla soggettività del meteorologo né il risultato dell’analisi di una situazione meteorologica, né quello della previsione. Oggi, sebbene le leggi fisiche dell’atmosfera non siano ancora del tutto ben conosciute è possibile formularle in modo che permettano di ricavare uno stato futuro del tempo, partendo da uno stato iniziale sufficientemente definito. Gli attuali modelli matematici di atmosfera mettono già in buona evidenza i sistemi di moto a scala emisferica, il che fa ritenere che le previsioni meteorologiche a medio e lungo termine, elaborate con modelli matematici, diverranno sempre più attendibili allorché si potranno ottenere analisi istantanee di maggiore precisione, grazie a più sofisticate strumentazioni per il rilevamento dei dati e all’impiego di elaboratori elettronici via via più potenti.

Procedimenti per la previsione matematica dei campi di moto

I dati di osservazione che pervengono ai vari Centri di calcolo elettronico per la Meteorologia entrano a far parte in forma automatizzata di un reticolo a tre dimensioni, riferito ad un’area geografica ben delimitata. L’elaboratore, dopo aver immagazzinato e verificato l’esattezza dei dati, calcola, come primo passo, per ogni nodo del reticolo le grandezze derivate dai dati di partenza. Successivamente elabora le variazioni di ciascuna grandezza considerata, per intervalli di tempo assai brevi. L’iterazione dei calcoli ripetuta per un enorme numero di volte, ben precisato dal programma di lavoro, definisce i campi di ogni singola grandezza in tutta l’area coperta dal reticolo. Dopo centinaia di miliardi di operazioni che servono ad ottenere una previsione grafica sull’area dell’intero reticolo e per una determinata scadenza, si ricorre alla competenza del meteorologo previsore per la formulazione in chiaro della previsione del tempo. Con l’uso degli elaboratori elettronici il meteorologo dell’ultima generazione svolge così il ruolo di fisico quando imposta le leggi della dinamica e della termodinamica dei fluidi, diviene matematico allorché affida all’elaboratore elettronico i calcoli delle complesse equazioni che quelle leggi richiedono e assume il ruolo di previsore quando interpreta i dati e gli elaborati fornitigli dalla stampante dell’elaboratore.


 

La post-elaborazione per la previsione locale del tempo

Nell’intento di sottrarre la previsione del tempo alla soggettività dell’uomo, si ricorre ad una post-elaborazione che rappresenta l’ultimo anello della catena delle automazioni nelle previsioni del tempo con metodi matematici. Il primo dei modelli matematici impiegati dal Servizio Meteorologico dell’Aeronautica, che si identifica come l’unico a carattere nazionale, entrò in fase operativa nel 1951, indirizzando la post-elaborazione alla previsione locale del tempo su 62 località italiane. Quel modello, ormai sostituito da altri più perfezionati, in grado di prevedere le condizioni meteorologiche per oltre un centinaio di località, partiva dal presupposto che nella previsione locale grande importanza assumono i dati statistico-climatologici del passato che, una volta trattati elettronicamente, permettono di estrarre parametri di correlazione di probabilità. In un primo tempo l’elaboratore adibito alla post-elaborazione individuava dall’archivio dei dati climatici di un trentennio quelle variabili più atte a definire il tempo. Come secondo passo ricercava una correlazione fra gli elementi del tempo (predicanti) e alcune variabili meteorologiche rilevabili in quota, che aveva cura di scegliere su ben 120 predatori, potenzialmente individuati nella prima fase della post-elaborazione. In un terzo momento lo stesso elaboratore, sempre in forma automatizzata, ricercava l’adattamento più consono dei valori dei predatori desunti dai dati in quota, previsti alle varie scadenze dall’elaboratore principale di grande potenza. Un adattamento atto a soddisfare lo stato del tempo caratterizzato dai singoli predicanti. I risultati della post-elaborazione venivano forniti dalla stampante in forma numerica, come valori quantitativi degli elementi meteorologici che costituivano la previsione locale, in forma pittorica, attraverso un particolare simbolismo, e perfino in linguaggio chiaro per singole località.

Roma, Gennaio 2007

La previsione del tempo incominciò ad assumere un carattere scientifico soltanto nei secoli XVIII e XIX, sebbene i primi fondamenti per un orientamento in tal senso si possano ricondurre ai tempi di Leonardo da Vinci, anche prima cioè che gli strumenti meteorologici entrassero nell’uso abituale, cosa che avvenne intorno al 1650. La previsione del tempo vera e propria poté realizzarsi però soltanto dopo l’invenzione del telegrafo, allorché fu possibile istituire una rete di comunicazioni telegrafiche per lo scambio rapido dei dati meteorologici, osservati ad una stessa ora riferita al meridiano di Greenwich, in diversi paesi, prima di uno stesso continente e successivamente anche in continenti diversi. Fu allora che nacque la Meteorologia sinottica (dal greco sinossi, per veduta d’insieme, compendio, in senso traslato - osservazione in simultanea), quella branca della Meteorologia che si prefigge la previsione del tempo a fini pratici. Per conseguire un tale scopo si rese necessario però arrivare ad una rappresentazione dell’atmosfera attraverso mappe sulle quali riportare con adeguato simbolismo i dati meteorologici, osservati a vista e registrati da strumenti, ad intervalli regolari di tempo (sinottici), riferiti al livello del mare.