MeteoSvizzera utilizza e sviluppa continuamente un sistema di previsione numerica del tempo ad alta precisione, COSMO, per generare automaticamente prodotti di previsione regionale e locali in topografia complessa. Un’immagine dettagliata dello stato futuro dell’atmosfera è calcolata dalla stratosfera fino alla superficie, includendo l’evoluzione della copertura nevosa, della temperatura dei laghi e le caratteristiche del suolo. Prodotti standard sono disponibili fino a tre giorni in anticipo su un’area che copre l’Europa centrale e occidentale (denominata COSMO-7) e prodotti più dettagliati sono disponibili fino a 24 ore in anticipo su un’area che copre l’arco alpino (denominata COSMO-2, vedi Figura 1). Questi prodotti danno un’indicazione quantitativa ai previsori per la loro previsione quotidiana e contribuiscono alla sicurezza della popolazione svizzera generando degli allarmi, ad esempio in caso di tempo ad alto impatto, innondazioni o incidenti presso le centrali nucleari. Inoltre rispondono ai bisogni specifici di molti utilizzatori professionisti. Il sistema COSMO è monitorato permanentemente, un prerequisito per un’alta qualità di previsione.
Cos'è un modello meteorologico di previsioni numeriche?
Un modello numerico di previsione del tempo è basato sulle leggi fisiche che descrivono l’atmosfera e i processi alla superficie (per esempio la conservazione dell’energia, il cambiamento di stato dell’acqua, la radiazione del corpo nero), su adatte condizioni iniziali e al bordo, e su un metodo numerico per risolvere nel tempo il risultante sistema di complesse equazioni matematiche. Queste equazioni descrivono una varietà di processi atmosferici a differenti scale temporali e spaziali come ad esempio lo sviluppo di un sistema depressionario, una caduta di neve, un evento di favonio oppure un caso di convezione estiva. I calcoli sono effettuati su una griglia tridimensionale, dove la distanza verticale tra i livelli non è omogenea al fine di risolvere meglio le condizioni atmosferiche ai bassi livelli.
Adatte condizioni iniziali per la previsione numerica sono prodotte combinando le attuali osservazioni dell’atmosfera, una guida preliminare proveniente da una previsione precedente e delle informazioni climatiche compatibili con le equazioni del modello. Questo è il cosiddetto processo d’assimilazione. In un tipico periodo d’assimilazione di 24 ore, COSMO-7 integra circa 120 radiosondaggi verticali, circa 8000 osservazioni aeree, circa 28000 osservazioni al suolo e circa 1000 osservazioni provenienti da profilatori del vento. Inoltre, COSMO-2 considera pure le precipitazioni derivate dal radar per meglio rappresentare le attività convettive.
Una previsione con un modello numerico richiede una grande capacità di calcolo in tempi molto brevi. Una tipica previsione di COSMO-2 per 24 ore richiede più di 1014 operazioni matematiche (ovvero 100’000 bilioni!) che devono essere compiute in meno di 20 minuti. Questo è il motivo per il quale il sistema COSMO è composto da 3 modelli innestati: uno globale che simula l’intera atmosfera con una precisione media e due modelli ad area limitata ognuno con una precisione migliore.
Raggiungere tale precisione a livello locale è stato possibile anche grazie alla parallela evoluzione dei modelli e dei supercalcolatori negli ultimi venti anni.
Figura 1: I tre modelli numerici di previsione del tempo innestati del sistema COSMO. Il Centro Europeo per la Previsione a Medio Termine impiega un modello globale che descrive le scale sinottiche (ECMWF IFS). MeteoSvizzera impiega su scala regionale il modello COSMO-7 e il modello COSMO-2 su quella locale.
Figura 2: Il beneficio dell'alta risoluzione nella topografia complessa. Simulazione del campo del vento a 30 metri dal suolo nel canton Vaud con il modello COSMO-7 e COSMO-2.
Il calcolo del modello COSMO al CSCS
MeteoSvizzera impiega due modelli innestati (vedi Figura 1). Il modello regionale COSMO-7 è alimentato ai bordi dal modello globale del Centro europeo per la previsione a medio termine (ECMWF, UK), copre la maggior parte dell’Europa centrale e occidentale ed è calcolato su una griglia con una maglia orizzontale di circa 6.6 km. Il modello locale COSMO-2 è alimentato ai bordi da COSMO-7, ricopre la regione alpina con la Svizzera al centro ed è calcolato su una griglia con una maglia orizzontale di circa 2.2 km. Entrambi i modelli utilizzano 60 livelli verticali: il più basso è situato a circa 10 m sopra la superficie e lo spessore medio dei livelli nei 1000 metri più bassi è inferiore a 100 m.
Le 72 ore di previsione di COSMO-7 sono calcolate due volte al giorno, alle 01:45 e alle 13:45 (orario invernale). Le 24 ore di previsione di COSMO-2 sono effettuate 8 volte al giorno, ogni 3 ore, iniziando alle 01:45 (orario invernale). Quest’ultima configurazione permette un uso ottimale delle ultime osservazioni a disposizione ed è di beneficio per il nowcasting e la previsione a cortissimo termine. Delle analisi orarie, rappresentanti lo stato attuale dell’atmosfera, sono pure prodotte da entrambi i modelli e immagazzinate nel sistema di archivio. Tutti i calcoli sono effettuati al centro svizzero di calcolo scientifico (CSCS, Manno) in un supercalcolatore CRAY XT4 con 896 processori.
La proficua collaborazione internazionale nell'ambito del progetto COSMO
Il modello COSMO è sviluppato nel quadro di una collaborazione internazionale. I sei servizi nazionali di Germania, Grecia, Italia, Polonia e Svizzera collaborano tra di loro all’interno del consorzio COSMO ('Consortium for Small-Scale Modelling'). Questo consorzio è stato fondato nel 1998 con lo scopo di sviluppare e migliorare continuamente un modello non idrostatico ad area limitata da usare dai suoi membri sia per aspetti operazionali che per progetti di ricerca.
