METEOROLOGICHE, PREVISIONI

Meteorologiche, previsioni

L'inizio del 21° sec. è stato caratterizzato da un accresciuto interesse per le p. m. quale strumento di supporto alle decisioni in un ambito che diviene sempre più ampio e investe tutte le attività umane, spaziando da quelle fondamentali dell'approvvigionamento energetico e dell'agricoltura a quelle ludiche e della vita quotidiana. La gamma sempre più ampia di applicazioni delle p. m. ha come elemento comune il valore economico di ogni scelta intrapresa sulla loro base. L'importanza delle p. m. è aumentata sia per la sempre più grande varietà delle loro applicazioni sia per la sempre più rapida evoluzione del clima, percepita a partire dalla fine del 20° sec., che rende molto più variabili le condizioni meteorologiche quotidiane: per es., in alcune fasce di latitudini, le precipitazioni che mediamente cadevano nel corso di un mese risultano concentrate in un solo giorno o addirittura in poche ore.

Il processo di cambiamento climatico in atto, particolarmente celere e intenso, si manifesta attraverso una fenomenologia meteorologica molto variabile e meno legata alle stagioni astronomiche. Le cause della variazione rapida del clima sono sia naturali sia antropogenetiche. Ciò ha fatto sì che la variabilità meteorologica associata alla tendenza climatica naturale si sia accentuata nelle regioni delle medie latitudini laddove si concentra la popolazione del pianeta. Qui, per effetto dell'immissione nell'atmosfera di sempre più grandi quantità di sostanze (con maggior impatto ambientale e alteranti le proprietà chimico-fisiche del sottile strato che ricopre il pianeta) le variazioni climatiche sono divenute più evidenti. A tutto ciò si deve aggiungere un uso del territorio sempre più esasperato in ragione del quale fenomeni meteorologici, che un tempo erano seguiti da effetti trascurabili sul terreno, diventano ormai causa di frane e di alluvioni con conseguenze spesso devastanti.

L'insieme dei suddetti fattori ha indirizzato gli studi dell'aerofisica prima verso la meteorologia e successivamente verso le p. m., considerate come il principale obiettivo, se non l'unico, degli studi sulla fisica dell'atmosfera. Una p. m. richiede di essere veritiera il più possibile, requisito al quale si è aggiunto quello di dover possedere un sempre maggior dettaglio nello spazio e una validità nel tempo sempre più lunga. Per poter soddisfare queste caratteristiche spazio-temporali, da un punto di vista fisico e matematico è necessario affrontare il problema delle p. m. in modi e con metodologie molto diversi. Le scale di tempo e spazio sono tra loro fortemente connesse: per es., per le p. m. a brevissima scadenza, dette nowcasting, valide da minuti a poche ore, è indispensabile fornire un dettaglio spaziale con risoluzione inferiore al chilometro, cioè alla dimensione di una nube temporalesca. L'estensione della validità nel tempo delle p. m. implica necessariamente una riduzione della risoluzione spaziale, attribuendo quindi una medesima fenomenologia meteorologica ad aree più ampie.

Le p. m. valide da uno a due giorni hanno una risoluzione spaziale dell'ordine dei 3 km e una risoluzione temporale intorno alle 3 ore (una risoluzione spaziale di 3 km indica che la p. m. è unica all'interno di un quadrato di 3 km di lato, così è nel tempo nell'arco delle 3 ore); quelle sino a cinque giorni sono prossime alla decina di chilometri con un passo di 6 ore. Gli studi e le ricerche, ancora sperimentali, finalizzati alla produzione di p. m. mensili e stagionali presentano risoluzioni di ampiezza prossima a quella di un continente e forniscono indicazioni sui fenomeni a carattere indicativo di massima e riferiti al clima, come, per es., temperature e precipitazioni al di sopra o al di sotto delle medie. Poiché siamo decisamente oltre il limite di predicibilità deterministico, non si può più parlare di p. m. in senso stretto, ma piuttosto di valori medi nel tempo (oltre che nello spazio), influenzati non tanto dalla condizione iniziale quanto dal variare delle condizioni al contorno (come la temperatura degli oceani) o da parametri interni o esterni al sistema (per es., una variazione della concentrazione dei gas serra nell'atmosfera). Sono in fase sperimentale tecniche di ensemble multimodello, con modelli deterministici globali (sistemi accoppiati atmosfera-oceano) analoghi a quelli utilizzati per la previsione a medio termine. Si tratta quindi di un'attività intermedia tra quella della modellistica del clima, usata per produrre scenari climatici futuri, e quella della modellistica meteorologica in senso proprio. La previsione mensile-stagionale ha, ovviamente, una notevole importanza pratica, con risvolti economici e anche sanitari, per quanto riguarda, per es., le malattie tropicali, la cui diffusione è strettamente legata al clima.

I metodi sinora utilizzati, basati su tecniche statistiche ed empiriche, non hanno dato risultati utili. I metodi numerici introdotti sembrano, secondo le prime valutazioni, piuttosto deludenti per le medie e alte latitudini, ma promettenti per le regioni tropicali; è probabile che ciò abbia a che fare con la maggiore importanza relativa, in tali regioni, dei processi oceanici rispetto a quelli atmosferici. Sono stati molto studiati i fenomeni della Southern oscillation (oscillazione aperiodica di pressione atmosferica sul Pacifico meridionale) e quello noto come El niño (corrente calda anomala nel Pacifico equatoriale), in quanto manifestazioni di un unico, ingente e irregolare fenomeno di variabilità climatica del sistema accoppiato atmosfera-oceano, la cui previsione è stata tentata con qualche successo; tale fenomeno è comunque connesso con il problema della previsione stagionale nei tropici. Durante le fasi opposte (El niño e La niña), la variabilità meteorologica su vaste regioni (molto poco sull'Europa) viene chiaramente modificata. El niño-Southern oscillation (ENSO) fa parte di una classe di fenomeni atmosferici di variabilità a bassa frequenza tra i quali rientra, per es., la nota oscillazione quasi biennale dei venti stratosferici zonali nelle regioni equatoriali.

Vi è inoltre, sempre in questo ambito di variazioni lente su grande scala, una classe di fenomeni di 'teleconnessione', per cui regioni anche molto lontane dell'atmosfera appaiono affette da anomalie climatiche correlate. Questi modi di variazione su scala planetaria - per citare i più noti, Pacific-North America oscillation e North Atlantic oscillation che influenza più direttamente l'Europa tramite variazioni del vento zonale sull'Atlantico settentrionale - sono spesso caratterizzati da tempi di persistenza piuttosto lunghi, da una settimana ad alcuni mesi (detti anche regimi di tempo o di flusso); l'eventuale successo nella previsione della loro insorgenza e del loro decadimento potrebbe quindi costituire la chiave di volta per affrontare il problema della previsione a lungo termine. Le p. m. hanno beneficiato di un notevole perfezionamento dei modelli, che è andato di pari passo con l'aumento della potenza di calcolo. La teoria dei sistemi dinamici caotici, nata nella seconda metà del 20° sec., è la disciplina cui la meteorologia ha dato un apporto significativo e nell'ambito della quale si possono attendere le prossime innovazioni concettuali a vantaggio dello sviluppo ulteriore delle previsioni meteorologiche. Le osservazioni come anche le misurazioni dello stato presente costituiscono il punto di partenza indispensabile nel processo di p. m. ed è qui che si è assistito a grandi progressi, specie nel telerilevamento delle proprietà atmosferiche. In questo ambito è lecito aspettarsi un perfezionamento del monitoraggio che condurrà a una migliore definizione delle condizioni iniziali per i modelli di simulazione.

Su scala globale, gli sforzi maggiori sono concentrati sulle missioni satellitari delle agenzie spaziali, ESA (European Space Agency) e NASA (National Aeronautics and Space Administrations), che prevedono di intensificare gli investimenti nel settore delle osservazioni della Terra, e quindi dell'ambiente, del clima e della meteorologia. Si ha così un miglioramento dei sensori passivi, ossia basati sulla rilevazione della radiazione elettromagnetica emessa o riflessa dalla superficie terrestre, dalle nubi e dall'atmosfera in generale, aumentando in particolare la risoluzione spettrale. L'obiettivo è quello di ridurre gli errori nella valutazione della temperatura superficiale e dei diversi strati dell'atmosfera e di ricavare informazioni sulla sua composizione, incluso il vapore acqueo, e sulle nubi. Poiché le emissioni della molecola dell'acqua sono caratteristiche nello spettro delle microonde, sensori in questa banda servono a rilevare il contenuto d'acqua nello strato superficiale del suolo e sulla vegetazione, nonché la presenza di precipitazioni in corso. Tutte queste informazioni sono vitali per inizializzare i modelli di p. m., sia globali sia ad area limitata, e i metodi di assimilazione sono spesso in grado di utilizzare direttamente le misure dirette di radiazione fornite dai satelliti.

I satelliti utilizzano anche strumenti attivi (radar o lidar), in grado cioè di emettere segnali elettromagnetici e di misurarne la componente riflessa dagli strati atmosferici o dalla superficie terrestre. Si adoperano, per es., radar a bordo di satelliti per fornire stime dell'altezza e delle proprietà delle onde marine (dalle quali è possibile ricavare informazioni sul vento superficiale) e per osservare la presenza di idrometeore nei sistemi precipitanti. I lidar potranno essere utilizzati per osservare la presenza di vapore acqueo e aerosol atmosferico, mentre altre tecniche di misura della temperatura e dell'umidità atmosferica a livello globale saranno basate sull'utilizzo dei segnali GPS (Global Positioning System) e sugli effetti di rifrazione che tali segnali subiscono a causa delle variazioni della densità dell'aria. Il campo di umidità non solo è molto importante per la p. m., ma è anche quello il cui rilevamento è più soggetto a errori. Contemporaneamente alle osservazioni dallo spazio, si prevede un incremento di quelle da terra, che riguarderanno in particolare la messa in rete di strumenti relativamente costosi come i radar meteorologici a doppia polarizzazione (per meglio distinguere le proprietà delle idrometeore) e basati sull'effetto Doppler (per ricavare la velocità del vento), e i profilatori di vento, ossia radar che operano con lunghezze d'onda decimetriche i quali, puntando verso l'alto, permettono di ricavare il vettore velocità dell'aria. Il settore delle osservazioni su scale spaziali dal centinaio di chilometri al chilometro è finalizzato al miglioramento della previsione a breve e brevissimo termine con un dettaglio spaziale elevato, richiesto da fenomeni intensi come precipitazioni temporalesche e orografiche, tornado e venti forti associati ai flussi discendenti nei cumulonembi, lo shear, cioè il gradiente verticale della componente orizzontale, del vento rischioso per l'atterraggio di aeromobili, e così via.

È questo forse il campo della previsione nel quale si concentrano maggiormente gli sforzi, ma che purtroppo non ha visto miglioramenti evidenti, per cui tecniche di tipo essenzialmente empirico oppure statistico risultano ancora competitive rispetto a tecniche dinamico-modellistiche. Le limitazioni tecniche risiedono principalmente tanto nella capacità di calcolo quanto nell'adeguatezza dei dati; vi è inoltre una limitazione intrinseca associata all'instabilità dei sistemi atmosferici su piccola scala.

Modelli non idrostatici in grado di descrivere adeguatamente i processi microfisici sono divenuti operativi ma non ancora con la risoluzione spaziale che sarebbe desiderabile. In altre parole, nonostante gli enormi progressi nel settore del calcolo, i calcolatori disponibili non consentono di utilizzare modelli completi con una risoluzione orizzontale dell'ordine di un chilometro e su aree sufficientemente grandi, 'battendo in velocità' l'atmosfera. Se si osserva l'aumento della risoluzione spaziale conseguito nei modelli meteorologici, si nota che esso ha proceduto con un tasso di crescita leggermente maggiore di quello del calcolo, e questo grazie al progresso nell'efficienza dei metodi numerici impiegati. Si può prevedere che in tempi non lunghissimi sarà possibile disporre operativamente delle risoluzioni necessarie per descrivere i fenomeni convettivi.

Per quanto riguarda l'adeguatezza dei dati d'osservazione i problemi appaiono più complessi e più onerosi. Occorrerebbe poter disporre di informazioni volumetriche delle principali variabili atmosferiche (temperatura, pressione, umidità, vento) ad alta risoluzione spaziale (inferiori a circa 1 km), con elevata frequenza temporale (5-10 minuti) e con estesa copertura spaziale, soprattutto sopravento alle regioni dove si intendono effettuare le p. m. più dettagliate. Il problema forse più rilevante concerne i limiti delle capacità previsionali del sistema. I fenomeni su piccola scala sono in genere associati all'instabilità atmosferica convettiva, legata alla stratificazione termica verticale dell'atmosfera e ai fenomeni di cambiamento di stato dell'acqua; essa si verifica quando la temperatura decresce rapidamente con la quota e quando l'aria è sufficientemente umida. I tempi richiesti per la formazione di un cumulonembo sono molto più brevi di quelli necessari per formare un ciclone: circa mezz'ora rispetto a uno, due giorni. Pertanto, il tempo di raddoppio degli errori, in caso di instabilità convettiva, è meno di un'ora, il che implica un limite di predicibilità deterministico di poche ore dovuto all'incertezza delle condizioni iniziali.

Di conseguenza, anche se vi è un ampio potenziale di miglioramento delle osservazioni, rimarranno forti incertezze nella p. m. a scadenza superiore a qualche ora, per es. nella previsione della formazione e del percorso di un temporale e, a maggior ragione, di fenomeni più piccoli a esso associati, come tornado e grandinate. In definitiva, quindi, in questo settore della p. m. non ci si può attendere miglioramenti rapidi e spettacolari analoghi a quelli conseguiti per la previsione sulla scala sinottica e globale. D'altra parte, poiché molto spesso i fenomeni convettivi e violenti hanno un legame abbastanza diretto con la situazione meteorologica su scala più grande, un miglioramento della previsione su tale scala comporta anche un miglioramento nella previsione della probabilità di occorrenza di quei fenomeni.

Ritornando alle osservazioni globali, una delle ricadute della previsione e della determinazione dei modi instabili dell'atmosfera è la definizione di aree sensibili: se a un certo istante di analisi-assimilazione si valuta il grado di dispersione delle successive previsioni al variare della condizione iniziale, si può anche valutare in che misura aree diverse del pianeta siano causa, per le incertezze nelle condizioni iniziali a esse associate, delle successive incertezze nelle previsioni. In effetti si è visto che vi sono, in media, regioni del globo in cui gli errori iniziali di misurazione comportano maggiori incertezze successive rispetto ad altre regioni. Si tratta delle regioni dove si formano i maggiori sistemi perturbati, vale a dire i cicloni mobili delle medie latitudini, e coincidono quindi con le zone di inizio degli storm tracks (i percorsi delle tempeste) che si trovano in prossimità delle coste occidentali dell'Oceano Pacifico e dell'Oceano Atlantico. La previsione operativa consente oggi di individuare le aree sensibili giorno per giorno, in funzione della particolare situazione meteorologica.

Prospettive future nel campo della p. m. riguardano un impiego migliore di tecniche multimodello, specialmente laddove, sia per la mesoscala sia per la scala globale, ci si voglia appropinquare ai limiti di predicibilità deterministica e soprattutto si intenda superare tali limiti con tecniche probabilistiche. Uno sforzo particolare è stato di recente condotto in diversi istituti per valutare in maniera rigorosa l'impatto dell'impiego della previsione probabilistica da parte di utenti che più di altri ne potrebbero trarre vantaggio.

Rilevanza economica e impatto delle previsioni

Il valore economico delle p. m. è venuto aumentando per la prevenzione che si può mettere in atto attraverso il loro impiego. La stima odierna del rapporto tra beneficio e costo di un sistema di p. m. di buona qualità è superiore a dieci sino a giungere a cento, senza considerare i casi in cui si possono salvare vite umane. In conseguenza di ciò il mercato economico mondiale ha accolto un nuovo prodotto finanziario legato al tempo e alle p. m., vale a dire i weather derivatives, i quali mettono in corrispondenza le p. m. con il tempo effettivamente in seguito manifestatosi in un luogo o su di un'area, e attribuiscono loro un valore monetario. Si stanno così diffondendo forme di assicurazione per le attività turistico-alberghiere che contemplano risarcimenti se le temperature si discostano dalle medie climatiche. L'importantissimo mercato mondiale dei futures (per fare un esempio, la stima in anticipo dei raccolti di cereali) già da molti anni segue le p. m. stagionali pur con tutti i loro limiti.

Sistemi di presentazione

L'accresciuto numero sia dei fruitori sia delle applicazioni delle p. m. ha fatto sviluppare nuove metodologie di presentazione delle stesse con valore aggiunto in ordine all'efficacia delle decisioni conseguenti.

Matrice dei costi. Questo sistema di presentazione delle p. m. coinvolge l'utente e consente, al contempo, di dare loro un valore economico minimizzando le perdite nell'eventualità che la p. m. non sia quella attesa. Nel caso più semplice si tratta di una matrice a quattro valori i cui elementi sono indicativi del costo economico che l'utente dovrà sostenere. Si consideri una p. m. che dia la probabilità quantitativa di pioggia, i possibili casi sono: a) probabilità di pioggia/verificarsi della pioggia; b) probabilità di pioggia/non verificarsi della pioggia; c) probabilità di non pioggia/verificarsi della pioggia; d) probabilità di non pioggia/non verificarsi della pioggia. Se l'utente può attribuire a ciascuno dei quattro casi un costo da moltiplicare per le probabilità del verificarsi dell'evento e del non evento, la matrice permette di minimizzare i costi nel caso in cui si verifichi l'evento meno gradito. Per es., nel caso di una troupe cinematografica che debba girare una scena in esterni dovendo muovere o meno gli automezzi con l'alternativa di usufruire di un teatro al coperto e p. m. per le ore successive indicanti una variabilità del tempo con probabilità di piogge, la matrice dei costi può indicare, a supporto delle decisioni di produzione, il costo giornaliero da affrontare in ogni caso anticipando il valore del rischio economico della scelta del regista.

Matrice d'impatto. - Sviluppata nel settore militare e in seguito trasferita al mondo civile, tale metodologia prevede l'intervento diretto dell'utente nel processo di p. m.: egli ha facoltà di indicare a priori le caratteristiche dell'influenza che il tempo esercita sulle proprie decisioni e di conseguenza sulle proprie azioni. Si costruisce così una matrice sulle cui righe e colonne vengono indicate rispettivamente le azioni alternative possibili e le p. m. nello scorrere del tempo cronologico sotto forma di classi d'influenza del fenomeno sulle azioni possibili (classi rappresentate mediante colori quali il verde per l'azione possibile, il giallo per l'incertezza del successo e il rosso per l'inattuabilità dell'evento). Per es., un comandante che sul campo dispone di mezzi diversi per l'azione da compiere, vedrà una matrice d'impatto delle p. m. che presenta colori diversi per i singoli mezzi in funzione dello scorrere nel tempo. La matrice cromatica con le sue macchie verdi, gialle e rosse fornisce un'idea molto rapida ed efficace per la decisione da prendere.

Post processing

Lo sviluppo delle p. m. nei primi anni del 21° sec. non ha mostrato eventi rivoluzionari, ma è testimone di un continuo perfezionamento delle metodologie tecniche in ciascuna delle fasi del processo previsionale, che ha inizio con le misurazioni dello stato fisico dell'atmosfera e si compie prevedendo che le stesse grandezze assumano nel tempo determinati valori nei diversi luoghi dello spazio. La risoluzione e le grandezze prodotte nel procedimento di p. m. di maggiore efficacia, che è basato su modelli matematici di simulazione dell'atmosfera, non riesce a fornire il dettaglio e le caratteristiche desiderate dagli utenti.

Per orientare il prodotto finale in questa direzione è sorta la necessità di sviluppare metodi di elaborazione ulteriore delle p. m. prodotte da tali modelli. I metodi di postelaborazione delle p. m. si possono suddividere in due filoni principali: quello statistico e quello dinamico. Nel primo caso, il post processing genera una nuova p. m. con le caratteristiche ricercate mediante un'associazione statistica tra un sottoinsieme delle p. m. dei modelli di atmosfera e la funzione di distribuzione delle grandezze d'interesse derivata dalle proprietà statistiche delle serie storiche di osservazioni specifiche. Per es., la visibilità ha un carattere così specifico da non essere tuttora prevedibile con buona approssimazione se non attraverso la correlazione esistente tra l'umidità relativa e i venti al suolo osservati nel passato e quelli previsti dai modelli.

Aspetti organizzativi dei servizi meteorologici

Della meteorologia operativa in Italia si occupa il Servizio meteorologico dell'Aeronautica militare che svolge le funzioni di servizio meteorologico nazionale. Il fatto che l'attività operativa dipenda esclusivamente dalle competenze del Ministero della Difesa, senza che esista nessun organismo di coordinamento interministeriale che rappresenti gli utenti quali il Dipartimento della protezione civile, il Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, quello delle Politiche agricole e forestali, nonché quello delle Attività produttive, direttamente coinvolti in attività meteorologiche, costituisce un'anomalia nei Paesi più avanzati che ha comportato serie limitazioni alle attività meteorologiche nazionali, impedendo che esse soddisfino la crescente domanda proveniente dalla società.

La conseguenza è stata una proliferazione di attività con grande dispendio di risorse pubbliche, soprattutto in seguito alla creazione dei servizi meteorologici regionali e di analoghi servizi ambientali, sorti all'inizio per soddisfare una domanda proveniente in prevalenza dal settore agricolo, ma ben presto rispondenti a esigenze diverse, a partire da quelle di protezione civile per giungere a quelle turistiche e di salvaguardia ambientale.

bibliografia

A. Giuffrida, G. Sansosti, Manuale di meteorologia. Una guida alla comprensione dei fenomeni atmosferici e climatici, Roma 2006.

T. La Rocca, A. Fuccello, A. Troisi, et al., Manuale di meteorologia sinottica. Modelli concettuali sul Mediterraneo, Roma 2006.