METEOROLOGIA

METEOROLOGIA

(XXIII, p. 73; App. II, II, p. 301; III, II, p. 92; IV, II, p. 458)

Gli anni Ottanta hanno rappresentato per la m. un periodo di fecondo sviluppo sia nella ricerca sia nelle applicazioni. L'accresciuta disponibilità di nuove tecnologie ha permesso agli scienziati di porre in essere quelle ricerche che, pur avendo visto la luce negli anni precedenti, non potevano trovare attuazione per la limitatezza dei mezzi tecnici. Nel campo delle osservazioni il trascorso decennio vede giungere prepotentemente sulla scena i satelliti meteorologici operativi, non più sperimentali, che con i loro spettrometri scrutano dall'alto l'intero globo terracqueo senza lasciare più alcuno spazio libero all'improvvisa formazione di eventi meteorici catastrofici. La rete di telecomunicazioni meteorologiche globale (GTS, Global Telecommunication System) si estende sempre più sino a ricoprire l'intera superficie terrestre, e trasmette in tempo reale i risultati delle osservazioni e misurazioni meteorologiche raccolte nell'ambito della Vigilanza meteorologica mondiale (WWW, World Weather Watch).

Dagli anni Settanta i modelli di simulazione dell'atmosfera irrompono nella m. operativa con nuove formulazioni finalmente a scala globale. Si riesce così a coronare il sogno di oltre un secolo di studi di fluidodinamica applicata. L'atmosfera è descritta come un continuo quadrimensionale spazio-temporale in moto perpetuo, per l'azione della radiazione solare e del raffreddamento per irraggiamento verso lo spazio siderale. Con gli attuali calcolatori elettronici, di massima capacità elaborativa, è possibile simulare i moti atmosferici in modo adeguato a un uso operativo per le previsioni meteorologiche sino a dieci giorni.

La fenomenologia atmosferica presenta varie scale di moto e di conseguenza corrispondenti scale di tempo in un continuo spazio temporale. Sulla base di queste scale si sono individuate problematiche diverse per lo studio e la previsione dei fenomeni atmosferici. Si hanno così le previsioni a brevissima scadenza entro le dodici ore, quelle a breve scadenza (1÷2 giorni), a medio termine (sino a una settimana), a lungo termine (oltre la settimana) e infine le previsioni climatiche. Queste scale fenomeniche interagiscono tra loro, per cui lo studio separato di ciascuna di esse conduce in tempi brevi a un errore di previsione. La complessità del sistema atmosferico ha costretto i ricercatori a scomporlo negli elementi costituenti e a studiarne le proprietà in modo separato. Così si è giunti ad affinare molto la capacità di previsione nel periodo di alcuni giorni alle scale geografiche continentali. Lo sviluppo delle previsioni meteorologiche, nell'ultimo quindicennio, è stato dominato dall'evoluzione dei mezzi di calcolo che hanno consentito di realizzare modelli matematici di atmosfera sempre più aderenti alle caratteristiche fisiche reali. Le previsioni meteorologiche odierne si ottengono dalla simulazione numerica dell'evoluzione dell'atmosfera. Le leggi della fluidodinamica e della termodinamica sono gli strumenti logici, per i modelli di atmosfera, espressi in forma di equazioni. Le osservazioni meteorologiche sono la base di partenza, le condizioni iniziali e al contorno per una simulazione realistica. I supercalcolatori sono gli utensili con cui si attua la soluzione del sistema di equazioni con le condizioni iniziali osservate. I modelli più avanzati riproducono l'atmosfera globale con una risoluzione orizzontale di circa 70 km.

Al fine di una migliore comprensione degli attuali procedimenti di previsione meteorologica riportiamo nelle linee generali le proprietà dinamiche dell'atmosfera.

La circolazione generale dell'atmosfera consiste nella totalità dei moti che caratterizzano i flussi atmosferici alla scala globale. In particolare, lo studio della circolazione generale concerne le strutture medie spazio temporali dei venti, delle temperature e degli altri elementi climatici. Generalmente la circolazione generale viene descritta per mezzo dei valori medi dei flussi nel tempo, presi su periodi sufficientemente lunghi per rimuovere le variazioni casuali associate ai sistemi meteorologici individuali, e sufficientemente brevi per conservare le variazioni stagionali. La circolazione, media temporale, varia molto con la longitudine in conseguenza della variabilità longitudinale asimmetrica dell'orografia e del contrasto termico terra-mare. La componente, variabile longitudinalmente, della circolazione consiste sia di una circolazione monsonica (cioè s'inverte stagionalmente) sia di una circolazione stazionaria, che varia poco nel tempo. Una completa conoscenza delle basi fisiche della circolazione generale richiede una descrizione che implica le tre dimensioni spaziali insieme al tempo. Tuttavia, nel tentativo di sviluppare una teoria per la circolazione generale, risulta utile isolare quei processi che conservano il flusso zonale, cioè il flusso medio lungo i circuiti paralleli, trattando il flusso atmosferico come composto da un flusso zonale e da una perturbazione. Per questo il primo approccio studia la circolazione generale media zonale indagando qualitativamente le più importanti proprietà di longitudine. Concentrandosi sul flusso zonale medio si osservano le caratteristiche che, non dipendendo dalla distribuzione dei continenti, sono comuni a tutti i fluidi rotanti in gradiente di temperatura.

Gli studi teorici della circolazione generale hanno una lunga storia. Il primo lavoro importante è dovuto a G. Hadley (1686) che, nel ricercare l'origine degli alisei, pensò che questi fossero parte di una circolazione originata per convezione termica dovuta alle differenze di riscaldamento solare tra le regioni equatoriali e quelle polari. Hadley immaginò la circolazione generale come il risultato del moto fluido dell'aria che, riscaldata all'equatore, sollevandosi si muove verso i poli da cui raffreddandosi discende verso l'equatore. Questo tipo di circolazione è nota oggi come circolazione di Hadley o cella di Hadley. Benché la circolazione di Hadley sia matematicamente possibile e non violi le leggi fisiche, non si osserva essere il principale modo di circolazione dell'atmosfera. Gli studi fatti mostrano che una circolazione di Hadley simmetrica sarebbe comunque soggetta a instabilità. Una descrizione qualitativa può essere data nel seguente modo. In media l'energia solare assorbita dalla Terra eguaglia quella emessa dal pianeta verso lo spazio. Tuttavia il riscaldamento solare è fortemente dipendente dalla latitudine con il massimo all'equatore e i minimi ai poli. La radiazione uscente è invece debolmente dipendente dalla latitudine. Perciò si ha un eccesso di radiazione all'equatore e un deficit ai poli. Questo riscaldamento differenziato crea un gradiente termico poli-equatore accumulando sia energia potenziale disponibile (cioè quella parte di energia potenziale effettivamente trasformabile in energia cinetica dell'atmosfera), sia energia sotto forma di calore latente, nel processo di evaporazione di grandi masse di acqua oceanica. Il rilascio di questa energia genera un vento zonale (poiché si sviluppa sotto condizioni di bilancio geostrofico in presenza di un gradiente termico poli-equatore) instabile. Le onde che si sviluppano trasportano calore verso i poli. Tali onde s'intensificano sino a che il trasporto di calore è sufficiente a bilanciare il deficit radiativo polare, e quindi il gradiente termico poli-equatore cessa di crescere. Contemporaneamente le perturbazioni generate dall'instabilità trasformano l'energia potenziale in energia cinetica, mantenendo l'atmosfera in movimento contro gli attriti.

Da un punto di vista termodinamico l'atmosfera può essere vista come un motore termico che assorbe calore dalla sorgente ad alta temperatura nei tropici e scambia il calore residuo alle sorgenti a bassa temperatura polare. In questo modo la radiazione solare genera energia potenziale che in parte si trasforma in energia cinetica che si dissipa per attrito. Tuttavia solo una minima frazione di energia solare si trasforma in energia cinetica (dell'ordine del 10% del totale).

I modelli numerici per le previsioni meteorologiche. − Le previsioni meteorologiche odierne si basano in modo sostanziale sull'impiego di supercomputer (i calcolatori elettronici di massima potenza oggi disponibili) per tempi di previsione dalle 24 ore fino ai 10 giorni, attuale limite superiore della predicibilità deterministica dell'atmosfera. Lo sviluppo della m. nell'ultimo quindicennio è indissolubilmente legato all'evoluzione dei mezzi di calcolo elettronico. Si sono potute applicare e sperimentare in m. le conoscenze di fluidodinamica formatesi in circa cento anni, dalla fine del 19° secolo ai nostri giorni. Gli studi teorici, che in precedenza ci si doveva limitare ad applicare a casi particolari, hanno visto la loro realizzazione allorquando è stata disponibile potenza di calcolo sufficiente alla risoluzione in tempo reale di sistemi di equazioni differenziali integrabili solo per via numerica.

Risale al 1922 il primo esperimento di previsione meteorologica effettuata con metodi esclusivamente oggettivi da L. F. Richardson. Dopo un anno di calcoli ininterrotti effettuati con il regolo calcolatore, Richardson e i suoi collaboratori giunsero ad approssimare la soluzione relativa allo stato dell'atmosfera di 24 ore dopo le osservazioni, e cioè con 365 giorni di ritardo rispetto alla possibilità d'impiego del risultato. Oltre a ciò, la soluzione era errata di un ordine di grandezza. Questo risultato mise in luce l'enorme difficoltà presente nella simulazione dell'atmosfera con un modello fuidodinamico. La disponibilità degli elaboratori negli anni Quaranta riaprì il filone delle previsioni numeriche sopito per un ventennio. L'atmosfera, o meglio una sua parte, veniva simulata attraverso modelli di gas perfetto. Le possibilità di calcolo costringevano a limitare molto la rappresentatività dei modelli. Nel corso degli anni, con le aumentate disponibilità di elaborazione, si è tornati a ricostruire i modelli per l'atmosfera nella forma enunciata da Richardson, che era la più completa e anche la più difficilmente risolubile. Da qui la denominazione di ''modelli'' alle equazioni primitive data ai sistemi di equazioni più completi oggi usati per la previsione meteorologica.

Negli anni Settanta i modelli sono stati via via estesi, nel volume di atmosfera simulato, sino a giungere a rappresentare l'atmosfera globale. Pur se i primi esperimenti globali furono condotti su vari calcolatori in differenti istituti, è dal 1979 al Centro europeo per le previsioni a medio termine (ECMWF, European Centre for Medium range Weather Forecasts), con sede a Reading (Gran Bretagna), che le previsioni meteorologiche globali sono prodotte in modo operativo in tempo reale. Tempo reale in m. assume il significato di prodotto in anticipo utile per l'impiego: per es. una previsione di 24 ore per l'indomani dev'essere disponibile nel primo mattino di oggi, una previsione di una settimana dev'essere disponibile nell'arco della giornata. I cicli di previsione hanno frequenza tanto maggiore quanto più è breve la proiezione in avanti.

Per introdurre il concetto di previsione meteorologica numerica operativa si descrive il sistema di produzione dell'ECMWF, il più avanzato e completo oggi esistente. L'ECMWF è un consorzio internazionale europeo creato nei primi anni Settanta per effettuare previsioni meteorologiche fino a 10 giorni. Tutti i sistemi di previsione moderna si possono ricondurre a quello qui descritto, che attualmente raggruppa il maggior numero di elementi fisici in cui si può pensare di scomporre l'atmosfera. I servizi meteorologici nazionali dispongono di sistemi analoghi, che differiscono solo per le dimensioni del volume atmosferico trattato e per una minore estensione temporale.

Il nucleo concettuale per le previsioni numeriche è dato dal sistema di equazioni differenziali, non lineari, tratte dalla fluidodinamica, in grado di descrivere fisicamente l'atmosfera. Un sistema completo è dato dall'insieme delle 6 equazioni che riportiamo qui di seguito.

1) L'equazione del moto orizzontale, che governa il moto dell'aria, il vento, in funzione del gradiente del campo di pressione, della forza di Coriolis e delle forze di attrito interno al fluido e alla superficie terrestre.

2) Il primo principio della termodinamica, che lega le variazioni di temperatura, del fluido atmosfera, ai processi interni, adiabatici e di trasferimento di calore latente, ed esterni, irraggiamento solare e terrestre o d'interazione con il suolo e con le masse oceaniche.

3) L'equazione di continuità, che garantisce la conservazione della massa e permette di calcolare sia la componente verticale della velocità sia la variazione della pressione alla superficie terrestre.

4) L'equazione dell'umidità, che (come l'equazione di continuità) lega le variazioni del contenuto di acqua nell'atmosfera ai flussi di H₂O provenienti da precipitazione ed evaporazione sia dalle nubi sia dal suolo sia dagli oceani.

5) La legge dell'equilibrio idrostatico, che stabilisce una relazione tra pressione e densità, un vincolo che filtra moti non desiderati quali le onde sonore, che per la loro velocità introdurrebbero errore numerico.

6) La legge dei gas, infine, che fornisce una relazione tra pressione, densità e temperatura.

Questo sistema di equazioni necessita di un algoritmo numerico per la sua risoluzione non essendo a tutt'oggi stata trovata né una soluzione analitica né un teorema di esistenza e unicità per tale soluzione. L'algoritmo risolutivo è applicato in una rappresentazione spaziale tridimensionale e temporale discreta. La risoluzione temporale dev'essere scelta in modo da evitare instabilità numeriche con conseguente propagazione di onde spurie. La risoluzione spaziale è distinta in verticale e orizzontale, in quanto le grandezze atmosferiche in funzione della quota presentano proprietà molto diverse. La descrizione verticale è ottenuta dividendo l'atmosfera, dal suolo sino a circa 30 km di quota, in una trentina di strati, di cui una decina nei primi 3 km. La maggiore risoluzione a bassa quota è necessaria per descrivere la zona dove la fenomenologia atmosferica è più vigorosa e dominata dalla turbolenza. La risoluzione orizzontale si presenta attraverso un grigliato regolare e una scomposizione spettrale con una duplice tecnica. Il grigliato regolare, con passo di circa 70 km, permette che ai suoi vertici vengano calcolati sia i valori dei campi sia i termini adiabatici e non, sia la parametrizzazione degli effetti fisici (descritta più avanti). Per la soluzione delle equazioni si adotta una tecnica spettrale, s'impiega una scomposizione in armoniche sferiche, dei campi fisici descritti dal sistema di equazioni, sino al numero d'onda 216, corrispondente a una semilunghezza d'onda lievemente inferiore a quella cui il grigliato regolare consentirebbe la propagazione. La tecnica spettrale conduce a un più accurato calcolo dei termini di advezione specie nelle velocità di fase, rispetto alla tecnica delle differenze finite.

La parametrizzazione dei processi fisici. − Il sistema di equazioni descritto viene tradizionalmente detto dinamico, poiché la definizione con cui viene risolto non descrive la fenomenologia della transizione di fase né gli scambi tra superficie terrestre e atmosfera. Per includere questi fenomeni che hanno origine a scale di moto di risoluzione molto alta sia nello spazio sia nel tempo, dalle nubi convettive sino al moto browniano, è necessario modificare l'evoluzione delle grandezze a grande scala in funzione degli eventi a scala inferiore. Questi fenomeni a scala inferiore possono essere rappresentati con efficacia in un modello attraverso una loro parametrizzazione, cioè formulandone l'effetto in termini delle grandezze fisiche proprie del sistema di equazioni. In tal modo per es. le nubi sono descritte come funzione della pressione atmosferica e della componente verticale del vento.

Questa sommaria descrizione costituisce il modello di atmosfera oggi in uso per le previsioni operative di tutti i servizi meteorologici dei paesi avanzati, differendo quello di ciascun paese per l'estensione spaziale-temporale e per la descrizione della fenomenologia. La risoluzione del sistema richiede comunque la disponibilità delle condizioni iniziali che si ottengono dalle osservazioni meteorologiche.

Le previsioni locali. − Gli attuali modelli fisico matematici non sono ancora in grado di fornire valori attendibili per le grandezze meteorologiche al suolo, quelle di maggiore interesse per il pubblico utente. Per produrle automaticamente si sono sviluppati sistemi automatici di post-elaborazione dei risultati dei modelli di simulazione atmosferica in grado di fornire direttamente le previsioni. Non essendo a priori note le leggi fisiche che governano i fenomeni locali in funzione della struttura fisica atmosferica, si è fatto ricorso a sistemi basati sull'ingerenza statistica degli eventi. Un ulteriore passo verso un'utenza sempre meno specialistica è fornito dai sistemi di traduzione in linguaggio naturale delle previsioni, in grado di espletare, nella lingua parlata, le previsioni locali quantitative prodotte dai sistemi di post-elaborazione statistica.

Limiti attuali alla prevedibilità operativa. − Allo stato attuale il limite principale alle capacità di previsione è dato dalla scarsità dei dati di osservazione. Il propagarsi, nel tempo e nello spazio, dei vuoti di osservazioni limita la validità delle previsioni al massimo di una settimana. L'analisi dell'intero processo di previsione mostra che, con gli attuali metodi, si possono raggiungere i 10 giorni di previsione. Studi sulla prevedibilità a tempi dell'ordine del mese mostrano che gli elementi dominanti da seguire e studiare approfonditamente sono: la distribuzione della radiazione solare, la variazione della temperatura oceanica, la riflettività terrestre (albedo). Gli esperti ritengono che nel prossimo futuro si potranno dare indicazioni di massima sull'andamento del tempo sino ai tre mesi (una stagione).

I sistemi di osservazione. − I tradizionali sistemi di osservazione − stazioni al suolo con personale specializzato, palloni per radiosondaggi atmosferici, palloni pilota, ecc. − sono stati affiancati da nuovi metodi basati sulle più avanzate realizzazioni tecnologiche. Dai primi anni Ottanta è operativa una serie di satelliti meteorologici geostazionari che consentono il controllo della fenomenologia atmosferica. Satelliti eliosincroni più sofisticati dei precedenti sono oggi in grado di effettuare, con il telerilevamento radiativo, misure di variazioni verticali della temperatura importantissime per le previsioni meteorologiche. Nelle località difficilmente accessibili sono state poste stazioni automatiche di osservazione che trasmettono i valori delle grandezze misurate ai satelliti geostazionari che fungono così da centri di rilancio verso i servizi meteorologici. Le più moderne aeromobili di linea sono state dotate anch'esse di stazioni automatiche e operano come osservatori mobili lungo le rotte commerciali.

Le prospettive future. - Poiché il tempo e il clima influenzano le attività umane in modo notevole, per concludere diamo un cenno alle prospettive future della m. quali appaiono dal piano decennale dell'Organizzazione Meteorologica Mondiale (OMM), agenzia delle Nazioni Unite. Il piano a lungo termine (1992-2001) dell'OMM riflette il valore che oggi è dato ai problemi legati all'ambiente mondiale, allo sviluppo ecologicamente sostenibile, all'evoluzione del clima e alla prevenzione delle catastrofi naturali.

La seconda conferenza mondiale sul clima tenutasi nel 1990 ha polarizzato l'attenzione mondiale sul problema del clima e delle sue variazioni dovute alle attività umane. Per poter definire gli obiettivi di sviluppo in una prospettiva globale, sarà necessario privilegiare la previsione dei cambiamenti climatici e delle loro conseguenze ecologiche al fine di formulare strategie di risposta efficaci. Il citato piano decennale adottato dall'OMM ha infatti diversi obiettivi sia meteorologici sia sociali; con tale piano, articolato in sette programmi, ci si impegna a indirizzare gli sforzi dei paesi membri verso la via di uno sviluppo ecologicamente razionale, a riparare i guasti causati all'ambiente e a far fronte a una domanda sempre crescente di risorse idriche in un mondo in cui la distribuzione delle piogge sembra essere sempre più irregolare. L'esame dei programmi dà un'idea delle preoccupazioni che la m. desta nella coscienza dei rappresentanti nazionali in seno alle organizzazioni mondiali.

Il programma della Vigilanza Meteorologica Mondiale ha l'obiettivo di coordinare l'esecuzione delle osservazioni meteorologiche, lo scambio dei dati osservati e la diffusione delle previsioni di tempeste, il tutto a scala globale insieme a ogni altra informazione di cui i servizi meteorologici nazionali abbiano necessità. Il programma climatologico mondiale dovrà coordinare le ricerche sul clima, la sua evoluzione e le conseguenze di tale evoluzione insieme alle strategie di risposta. Il programma sulla ricerca atmosferica e ambientale coordinerà e incoraggerà le ricerche sulla struttura e la composizione dell'atmosfera, sui meccanismi generatori delle piogge e sulla previsione meteorologica. Il programma delle applicazioni meteorologiche promuoverà l'utilizzazione e la distribuzione dei dati meteorologici sia osservati sia previsti, a tutti quei settori produttivi sensibili agli eventi atmosferici. Il programma idrologico è stato concepito per cercare di valutare la previsione delle risorse idriche sia per quantità sia per qualità e i rischi d'origine meteorologica. Il programma di insegnamento e di formazione professionale si propone di aiutare i paesi in via di sviluppo perché giungano all'autosufficienza per quel che concerne gli specialisti in meteorologia. Il programma di cooperazione tecnica servirà a far sì che tutti i paesi membri dell'OMM, soprattutto quelli in via di sviluppo, siano in grado di disporre di propri servizi meteorologici e idrologici nazionali all'altezza delle necessità. Vedi tav. f.t.

Bibl.: Nowcasting, a cura di K.A. Browning, New York 1982; H.G. Houghton, Physical meteorology, Cambridge (Mass.) 1985; Mesoscale meteorology and forecasting, a cura di P.S. Ray, Boston 1986; C. De Simone, Argos: local weather prediction system of the Italian meteorological service, in Rivista di Meteorologia areonautica, 1987; Organisation Météorologique Mondiale, Troisième Plan à long terme 1992-2001, Ginevra 1992.