meteorologia

meteorologia

meteorologìa [Der. del gr. meteorolog✄ía "scienza delle meteore", comp. di metéora (→ meteora) e -log✄ía "-logia"] [GFS] Disciplina geofisica che nacque, nella sua ampia accezione storica, come scienza dei fenomeni atmosferici in genere (meteore: → meteora); nell'accezione moderna, è la disciplina geofisica che s'occupa specific. dei fenomeni dinamici e termodinamici dell'atmosfera, quali i venti e le precipitazioni, in quanto fenomeni che determinano quel complesso stato fisico delle masse aeree che si chiama tempo meteorologico, talché nel linguaggio comune finisce per essere intesa come scienza del tempo (meteorologico): v. meteorologia. ◆ [STF] Probab. i primi rudimentali strumenti meteorologici furono dei dispositivi per misurare la quantità di pioggia usati in India già nel 4° sec. a.C. e le banderuole a vento, di cui si sa che erano usate già nel 1° sec. a.C. Nel-l'antichità classica, a parte un trattato di Ippocrate di climatologia medica, è soltanto nelle opere di Aristotele che si trova una serie di osservazioni e di considerazioni di vera e propria meteorologia. Dopo Aristotele, occorre giungere fin verso il 15°÷16° sec. per trovare una ripresa di osservazioni a carattere sperimentale, quando Niccolò Cusano e Leonardo da Vinci idearono dei metodi per determinare l'umidità dell'aria; una nuova era nella storia della m. s'aprì poi con l'invenzione del termometro (G. Galilei e S. Santorio, 1612) e del barometro (E. Torricelli, 1644), con cui s'iniziarono le prime osservazioni regolari, che diedero come primo risultato la scoperta della diminuzione della pressione atmosferica con la quota (F. Périer, 1648). Il primo tentativo di effettuare osservazioni meteorologiche sistematiche contemporaneamente in diversi luoghi con metodi uniformi fu fatto a partire dal 1654 da L. Antinori, che curò l'installazione di stazioni meteorologiche a Firenze, Vallombrosa, Pisa, Parma, Bologna, Milano, Innsbruck e in Polonia. L'idea fu ripresa nel 1750 dalla Royal Society di Londra e nel 1790 dalla Società meteorologica palatina di Mannheim. Fra la metà del 17° e la metà del 19° secolo il progresso della m. è caratterizzato da un notevole sviluppo strumentale, con l'invenzione dell'igrometro a condensazione (1650), l'introduzione delle varie scale termometriche (tra il 1710 e il 1736) e della scala Beaufort per il vento (1805), nonché l'invenzione dello psicrometro (E.F. August, 1825) e del piroeliometro (C.-S.-M. Pouillet, 1837). Nelle osservazioni, particolare interesse fu dato ai venti sui mari, di importanza fondamentale per la navigazione, che a quell'epoca era ancora esclusivamente a vela (si devono a E. Halley le prime notizie, nel 1686, sugli alisei e sui monsoni); l'utilità dei risultati dello studio dei venti si può valutare dal fatto che attorno al 1850 la conoscenza dei venti predominanti (oltre che delle correnti marine) aveva permesso di abbreviare la durata del viaggio fra l'Inghilterra e l'Australia e ritorno da 250 a 150 giorni. Naturalmente l'interesse degli studiosi fu attirato anche dalle perturbazioni, quali le tempeste tropicali e i cicloni, dei quali fu riconosciuto il carattere rotatorio. Nel 1840 fu avanzata da H.W. Dove una prima ipotesi sulla formazione di tali perturbazioni, che si facevano derivare dall'incontro di masse d'aria polare con masse d'aria equatoriale, e nel 1856 W. Ferrel formulò una teoria sulla circolazione generale dell'atmosfera. Dopo la metà del 19° sec. iniziò l'era delle ricerche per la previsione del tempo; la creazione della prima organizzazione con questo fine fu affidata a U.-J.-J. Le Verrier da Napoleone III dopo la guerra di Crimea (in cui una improvvisa tempesta sul Mar Nero aveva fortemente danneggiato la flotta francese), ma i risultati furono scarsi, a causa dell'insufficienza sia delle stazioni di osservazione, sia delle conoscenze teoriche sui fenomeni meteorologici, e solo con la 1a guerra mondiale e con l'avvento dell'aviazione fu dato a tali ricerche un forte impulso su basi scientifiche: nasce così la m. moderna, per le cui vicende v. meteorologia sinottica. ◆ [GFS] M. descrittiva: s'occupa dell'osservazione e della descrizione dei fenomeni meteorologici: v. meteorologia: III 799 c. ◆ [GFS] M. dinamica: la parte della m. riguardante lo studio fisico della circolazione atmosferica: v. meteorologia dinamica. ◆ [GFS] M. prognostica: a partire dai dati forniti dalla m. sinottica, elabora le previsioni del tempo meteorologico. Con l'ausilio dei mezzi di calcolo elettronico oggi disponibili si è potuto rendere il processo di previsione del tempo completamente automatico. La m. è così passata da uno stato di arte soggettiva, in cui la previsione del tempo era frutto di una serie di intuizioni, illuminate da conoscenze fisiche frammentarie, allo stato di prodotto di procedimenti logico-matematici ottenuti mediante l'applicazione all'atmosfera dei principi fondamentali della dinamica e della termodinamica. La validità delle previsioni si è estesa dalle 24 ore sino a qualche settimana per le indicazioni di massima sul tempo. Il procedimento per giungere a una previsione del tempo si attua attraverso quattro fasi distinte. La prima fase è quella della raccolta dei dati meteorologici e aerologici; all'aumentare del tempo di previsione aumenta l'area geografica, circostante il punto, per la quale è necessario conoscere lo stato fisico dell'atmosfera. Quotidianamente vengono compiute oltre 200 000 misurazioni delle grandezze dinamiche e termodinamiche dell'atmosfera sull'intero volume troposferico in ogni parte del mondo; di queste osservazioni, circa 150 000 sono raccolte mediante strumenti su satelliti artificiali terrestri, 40 000 attraverso stazioni di osservazione, automatiche e manuali, poste alla superficie terrestre (montagne incluse, per es. la stazione meteorologica Amundsen-Scott si trova a 2800 m.s.m. al Polo Sud ed è attiva 24 ore al giorno, estate e inverno). Le restanti 10 000 misurazioni sono effettuate con radiosonde, molto importanti perché raccolgono le informazioni sulla fisica della troposfera dal suolo sino a circa 30 km di quota. La seconda fase delle previsioni vede la raccolta di tutte le osservazioni e la loro trasmissione verso i servizi meteorologici dei paesi aderenti alla Organizzazione meteorologica mondiale (una delle divisioni dell'ONU), raggruppati anche regionalmente (in parte, i paesi europei occidentali fanno capo al Centro meteorologico europeo di Reding, Inghilterra). Con i dati ricevuti si ricostruiscono i valori dei campi delle variabili fisiche atmosferiche (energia cinetica e potenziale, energia termica, umidità, ecc.). I dati osservati rappresentano i valori delle grandezze fisiche in punti fissi, mentre queste variano con continuità nello spazio, per cui è necessario procedere, attraverso complicati processi di interpolazione spaziotemporale, alla ricostruzione dei campi, continui, del-l'atmosfera; questi processi vanno sotto il nome di analisi della situazione meteorologica. Il procedimento numerico di analisi necessita, per ricostruire i campi sull'intero globo terrestre, di circa 4 1012 operazioni di calcolo numerico. Una volta ottenuta l'analisi del tempo in atto, si procede alla terza fase della previsione, cioè alla simulazione del-l'evoluzione dell'atmosfera, di cui l'analisi costituisce il punto di partenza. Attraverso modelli matematici, i modelli dell'atmosfera, si riproducono i processi fisici atmosferici che sono all'origine dei fenomeni meteorologici (v. meteorologia sinottica: III 807 b); si giunge così a disporre dei valori che le grandezze atmosferiche assumeranno nell'arco di tempo di validità della previsione. Sino a pochi anni or sono l'automazione delle previsioni meteorologiche si fermava a questo punto: l'elaboratore elettronico produceva immagini dei campi futuri dell'atmosfera (per es., carte di isobare, isoterme, ecc.). I modelli numerici di atmosfera usati quotidianamente per prevedere l'evoluzione dei campi atmosferici sono composti da schemi numerici e algoritmi risolutivi per le equazioni della dinamica del fluido che costituisce l'atmosfera; poiché la risoluzione delle equazioni fluidotermodinamiche dell'atmosfera viene ottenuta per via numerica e non analiticamente, è necessario suddividere l'atmosfera in un grigliato sui cui vertici vengono calcolati i valori approssimati delle soluzioni delle equazioni del moto. Oggi (1996) si riesce a descrivere l'atmosfera con un grigliato composto da 4 106 punti distinti. Per effettuare una previsione sino a 10 giorni sono necessarie 2 1013 operazioni di calcolo numerico; occorre perciò disporre di calcolatori molto potenti per ottenere buone previsioni su tempi lunghi. La quarta fase, la vera e propria previsione del tempo, dei fenomeni meteorici futuri (pioggia, grandine, uragani, ecc.), veniva svolta interamente dal meteorologo, che, sulla base della propria esperienza, associava ai campi previsti i fenomeni che si sarebbero dovuti verificare. La limitata capacità umana di coordinare un insieme così vasto e complesso, quale è l'immagine dell'atmosfera prodotta da simulazione mediante elaboratore, ha fatto sì che per molti anni la previsione dei fenomeni meteorologici, cioè del "tempo", avesse un carattere vago e riduttivo nei confronti della grande quantità di informazioni contenuta nei prodotti dei modelli fisico-matematici dell'atmosfera. Attualmente anche la quarta fase viene svolta direttamente dagli elaboratori elettronici, che producono, attraverso programmi detti di post-elaborazione, i valori dei fenomeni associati alla struttura dell'atmosfera prevista, cioè la previsione vera e propria del tempo in forma quantitativa, a scala locale. I modelli numerici simulano l'atmosfera a una scala ancora troppo grande, dal punto di vista della morfologia terrestre. Nei modelli più sofisticati i prodotti (temperatura, vento, ecc.) sono indicativi di aree di circa 20╳20 km2. Se su aree pianeggianti questi valori sono significativi, su paesi come l'Italia distanze di decine di km interessano regioni con caratteristiche climatiche diverse; di qui la necessità di particolareggiare i campi in funzione dell'orografia. I metodi seguiti per la post-elaborazione sono di due tipi: dinamici e statistici. I metodi dinamici impiegano particolari modelli numerici, semplificati e a scala ridottissima (con valori medi calcolati su aree di 10╳10 km2) e il loro limite è nella loro complicazione. Per tener conto di un'orografia articolata come è quella italiana è necessario riprodurla nei particolari. Con metodi dinamici di post-elaborazione s'introducono, a priori, le leggi fisiche di interazione tra i moti a grande scala e i fenomeni a scala locale. Con i metodi di post-elaborazione statistica, invece, le leggi di interazione si traggono, a posteriori, dall'analisi statistica di lunghe serie di osservazioni meteorologiche e aerologiche. Con questi metodi, di cui quelli usati dal Servizio meteorologico italiano svolto dall'Aeronautica militare, Argo prima e Afrodite attualmente (1996) sono esempi, si traggono dalle osservazioni del passato, nell'ipotesi di clima costante, le leggi che legano la dinamica e la termodinamica dell'atmosfera ai fenomeni meteorici locali. Le leggi della dinamica affermano che per la previsione dei moti dei corpi è necessario conoscere la loro posizione e velocità a un determinato istante. L'atmosfera è un fluido in moto continuo intorno alla Terra, per cui una sua previsione non può prescindere dalle osservazioni. Poiché sono ormai note le velocità medie con cui si spostano i sistemi meteorologici, si può fare una scala delle aree geografiche di osservazione necessarie, in funzione del tempo di previsione. Per previsioni di poche ore (1÷3), oggi note come nowcasting (←), è sufficiente il rilevamento locale e a vista lungo l'orizzonte con radar opportuni, in grado di rilevare le gocce d'acqua. Per prevedere il tempo sul-l'Italia si analizza, in funzione della durata, l'area di osservazione meteorologica necessaria. Per 12 ore di previsione si deve osservare il tempo e misurare temperatura, umidità, pressione e vento sino a 20÷30 km di quota, sull'area europea. Per 1÷2 giorni di previsione si deve avere l'informazione dell'area che va dall'Oceano Atlantico alla Russia in longitudine e dal Polo nord all'Africa settentrionale in latitudine. Per previsioni sino a 2÷4 giorni sono necessarie le osservazioni dell'intero emisfero boreale. Per previsioni di 7÷10 giorni (attuale limite superiore per la m.) è necessaria un'osservazione completa dell'intera troposfera terrestre, oceani e calotte polari incluse. In 10 giorni i grandi sistemi meteorologici (cicloni, anticicloni, ecc.) di ogni parte della Terra possono avere effetti sia diretti che indiretti sul tempo di ogni località. Allo stato attuale dello sviluppo delle previsioni meteorologiche le osservazioni costituiscono il punto debole. Sono ancora troppo estese le aree prive di osservazioni, su cui cioè la formazione di grandi sistemi meteorologici può passare inosservata e quindi l'evoluzione degli stessi non può essere simulata dai modelli numerici. Al parziale colmamento di queste lacune oggi operano i satelliti meteorologici, che forniscono immagini delle nubi e profili verticali di temperatura sull'intera atmosfera interessata dalle vicende meteorologiche. Se sulle zone densamente abitate questi dati sono utili per le previsioni a brevissima scadenza (6÷12 ore), sulle aree desertiche e oceaniche danno gli unici dati meteorologici oggi disponibili per la fondamentale fase di analisi meteorologica. Gli studi teorici sulla prevedibilità, o predicibilità, atmosferica, tenendo conto del livello attuale in cui si trovano le quattro fasi sopra descritte del processo di previsione, indicano in 7÷10 giorni l'accennato limite superiore di validità di una previsione del tempo. Mentre nel campo della modellistica teorica si riesce a descrivere l'atmosfera molto accuratamente, nella fase applicativa quotidiana due difficoltà diverse impediscono l'uso dello stesso livello di affinamento teorico. La prima, già detta, nasce dalla mancanza di adeguate osservazioni; più il modello numerico si è raffinato, più particolareggiate devono essere le osservazioni. La seconda è di natura tecnica: sebbene per le previsioni meteorologiche s'impieghino i più potenti elaboratori disponibili e i modelli numerici attuali ne utilizzino le risorse in modo estremo, l'uso operativo dei modelli numerici, oggi in fase di ricerca, richiederebbe elaboratori ancora più potenti. Questa rincorsa tra la m. dinamica e la tecnologia degli elaboratori elettronici ha sviluppato la m. negli ultimi 30 anni più di quanto non si fosse fatto nei 100 anni precedenti, da quando cioè furono scritte le equazioni che sono alla base dei modelli numerici attuali. Per giungere dalla previsione dei campi atmosferici, descritti con la risoluzione determinata dalla capacità di calcolo degli attuali calcolatori elettronici, alle previsioni dei fenomeni localmente osservabili sono stati sviluppati vari metodi, con diversi gradi di automazione. (a) Il più antico è quello detto dell'interpretazione sinottica delle carte raffiguranti i valori dei campi atmosferici. I campi vengono rappresentati su carte geografiche (nel Servizio meteorologico it., cartelli meteorologici: fig. 1) sotto forma di isolinee, corrispondenti a determinati valori della variabile fisica mostrata. Il meteorologo previsore, applicando in forma mnemonica semiempirica le leggi della fluidodinamica atmosferica, "interpreta" le carte, ipotizzando la fenomenologia meteorica connessa a queste ultime sulla base delle sue esperienze e di quanto dedotto dall'applicazione (ancorché in forma semiempirica) delle leggi della fluidodinamica. Nonostante i grandissimi progressi compiuti nella simulazione della dinamica dell'atmosfera, a tutt'oggi non è ancora possibile simulare l'atmosfera locale con un unico modello numerico che abbia un dettaglio in grado di distinguere i fenomeni alla scala umana. È esperienza comune che, per es., un temporale possa avvenire su aree di pochi km2, e quindi aversi zone di pioggia e di asciutto a pochi km di distanza, per es. in una città da un quartiere a un altro. (b) Una seconda strada percorsa per dettagliare la previsione dei campi termofluidodinamici a una scala direttamente impiegabile, vede l'uso di modelli numerici ad area limitata (ingl. limited area model) che vengono risolti all'interno di un modello a scala globale. Poiché la soluzione di un modello numerico di atmosfera consiste nella risoluzione per via numerica discreta di un sistema di equazioni differenziali dipendente dal tempo, condizione necessaria perché la soluzione sia determinata è che siano noti lo stato iniziale di tutte le variabili nel volume atmosferico e i valori al contorno sulla frontiera del volume di integrazione per tutto il tempo di previsione. Questo significa che è necessario, per ogni previsione del tempo che abbia validità fisica, conoscere il valore di tutte le grandezze a un dato istante in tutta l'atmosfera, per ognuno degli istanti elementari su cui si sviluppa la previsione. Se il modello è globale, la frontiera è data dalla superficie terrestre per il contorno inferiore e, per quello superiore, da una superficie ideale ove si suppone che le interazioni tra le particelle siano sufficientemente deboli da non propagarsi verso il basso. Attualmente questa superficie di frontiera superiore viene posta a circa 30 km di altezza sul livello del mare. In tal modo i valori delle variabili fisiche sulla frontiera possono essere assunti come costanti durante la previsione, con l'eccezione della temperatura superficiale del mare che, pur se varia lentamente, influenza, con tale cambiamento, le grandezze atmosferiche attraverso le variazioni del flusso di vapor d'acqua, flusso che dipende in maniera notevole dalla temperatura suddetta. Se il modello numerico di atmosfera descrive solo un'area limitata del globo (per es., un continente quale l'Europa) o addirittura una nazione (per es., l'Italia) è necessario che siano noti i valori al contorno per poter risolvere le equazioni all'interno del volume atmosferico in esame. In questo caso il contorno è attraversato da flussi che non possono in alcun modo essere considerati costanti né lentamente variabili, come si è sopra accennato per la temperatura superficiale del mare. In tal caso, un modello ad area limitata potrà essere usato per stimare l'evoluzione del tempo atmosferico o per previsioni limitate a spazi e a tempi tali che qualsiasi evento possa avvenire sia già contenuto in forma potenziale all'interno dell'area limitata. Per es., se la velocità di propagazione di una perturbazione atmosferica è di circa 60 km/h, per stimare gli eventi atmosferici in un punto per l'ora successiva è necessario conoscere lo stato fisico dell'atmosfera in un cilindro di 60 km di raggio con centro nel punto in esame e altezza pari alla predetta quota di 30 km. (c) Un modo molto più proficuo di impiego dei modelli ad area limitata è quello di usarli per stimare l'evoluzione delle grandezze fluidodinamiche all'interno del loro volume per tempi comunque lunghi, fornendo, istante per istante, i valori dei flussi sul contorno a partire da un modello a scala globale. Questa procedura d'innesto di un modello ad area limitata ma ad alta risoluzione spaziotemporale in uno a scala globale a risoluzione inferiore consente di dettagliare molto le previsioni meteorologiche, in quanto si riesce, con i mezzi di calcolo attuali, ad avere stime delle grandezze fisiche temperatura, vento, precipitazioni con un dettaglio dell'ordine delle decine di km2. Un dettaglio ancora maggiore si ottiene nella stima delle grandezze atmosferiche, che si raggiunge attraverso la post-elaborazione statistica dei campi atmosferici. Utilizzando le serie storiche delle osservazioni meteorologiche locali e ponendole in correlazione funzionale con i campi atmosferici, è possibile costruire delle leggi empiriche che descrivono i fenomeni meteorici locali in funzione delle variabili atmosferiche; per es., è esperienza comune che la frequenza di precipitazione, in un luogo, sia legata in vario modo alla direzione dei venti. Dall'analisi delle serie storiche è possibile stimare quantitativamente la dipendenza della frequenza delle piogge dalla direzione del vento. Se si dispone di una stima futura per la direzione del vento, si può prevedere la probabilità che piova usando la relazione acquisita dall'analisi della serie storica. Agendo in tal modo su tutte le grandezze atmosferiche osservate per un ventennio nelle 150 stazioni di osservazione del Servizio meteorologico del-l'Aeronautica militare, si è costruito il citato sistema Argo, in cui si sono calcolate le espressioni lineari per 105 grandezze meteorologiche, distinte per tipo (temperatura, vento, ecc.), località, ora di osservazione e stagione in funzione dei valori dei campi atmosferici (temperatura, geopotenziale, direzione e intensità dei venti) del volume atmosferico sovrastante l'Italia. ◆ [GFS] M. sinottica: studia l'evoluzione del tempo mediante l'analisi di mappe di isolinee di elementi meteorologici (carte sinottiche): v. meteorologia sinottica. ◆ [GFS] M. statistica: s'occupa della classificazione statistica dei tipi di tempo e delle loro occorrenze ai fini della determinazione del clima e dell'evoluzione di questo, costituendo perciò una parte della climatologia (v.).