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La previsione probabilistica

Le previsioni di tipo probabilistico si basano sul concetto di incertezza che è una caratteristica fondamentale del tempo meteorologico e del clima.
Ogni previsione meteorologica, non solo a breve o medio termine (1-5 giorni) ma soprattutto a lungo termine (6-15 giorni), risulta più completa se riporta una descrizione della sua incertezza.
L’incertezza è legata principalmente a due elementi: al tipo di fenomeno che si vuole prevedere, ovvero alla sua predicibilità, e alla non-linearità del sistema terra-oceani-atmosfera, che è essenzialmente un sistema caotico.
La predicibilità diminuisce se diminuiscono le dimensioni caratteristiche del fenomeno meteo e la sua durata: un temporale della durata di 30 minuti che interessa una porzione di territorio di 5-10 chilometri quadrati è molto meno predicibile di un sistema frontale che si estende per 500 chilometri e persiste nella sua dinamica per più giorni. La non-linearità si basa invece sul fatto che i modelli matematici, alla base delle previsioni meteorologiche, portano a risultati molto diversi anche per variazioni infinitesimali delle condizioni iniziali all’aumentare del tempo di simulazione. Poiché lo stato iniziale dell’atmosfera fornito da tutte le tipologie di sensori meteorologici sparsi per il globo mai potrà essere rappresentato in maniera esaustiva e del tutto affidabile, l’incertezza aumenterà sempre inevitabilmente all’aumentare dell’orizzonte temporale di una previsione.
Possiamo pertanto concludere che l’affidabilità di una previsione non solo diminuisce all’aumentare del dettaglio spaziale ma anche all’aumentare dell’orizzonte temporale. 
 

Quantificare l'incertezza: i modelli probabilistici

Per una previsione oltre il quinto giorno diventa imprescindibile l’introduzione della probabilità di accadimento di un fenomeno atmosferico ovvero l’espressione che quantifica la sua incertezza.

Se alla base del bollettino ordinario ci sono prevalentemente i modelli meteorologici di tipo deterministico, per la previsione oltre il quinto giorno è fondamentale poter disporre di modelli meteorologici di tipo probabilistico o ensemble. La differenze principali tra modello deterministico e probabilistico si possono riassumere brevemente come segue:
  • i modelli deterministici compiono una singola corsa o simulazione (comunemente denominata “run”) con lo stato iniziale più “verosimile” (analisi) e determinano in uscita un valore  nivoco di ogni variabile meteorologica fondamentale;
     
  • i modelli probabilistici/ensemble compiono un elevato numero di simulazioni (denominate “membri”) partendo da condizioni iniziali leggermente diverse; i risultati vengono elaborati statisticamente in modo da ottenere una “situazione media” e l’indicazione della “dispersione” degli altri membri rispetto alla media (deviazione standard o spread) e ne indica proprio l’incertezza. I risultati infine vengono raggruppati in “cluster” di situazioni simili, riferite in particolare alla temperatura a 850hPa, all’altezza geopotenziale a 500hPa e alla probabilità di precipitazione. Nell'immagine a fianco è riportato un esempio di cluster in cui sono state raggruppate le 50 uscite della simulazione ECMWF relative ai valori di Geopotenziale a 500 hPa.  
 
E’ importante precisare anche che, mentre i modelli deterministici hanno tempi di calcolo “ragionevoli” e “gestibili” anche per centri meteo regionali, i modelli probabilistici/ensemble girano generalmente nei principali centri meteo internazionali perché necessitano di procedure statistico-matematiche molto complesse e onerose a livello computazionale.
 

I modelli in uso al LaMMA

Al LaMMA viene utilizzato prevalentemente il modello EPS-ECMWF (Ensemble Prediction System  del centro europeo ECMWF), talvolta e in maniera congiunta anche quello americano GEFS (Global Ensemble Forecasting System della NCEP-NOAA).
 
La tabella sintetizza le principale caratteristiche dei due modelli:
Modello Membri
(simulazioni)
Risoluzione Orizzonte di
previsione
Simulazioni 
al giorno

ECMWF- EPS
(Ensemble Prediction System)

 
51 membri
(1 di controllo)
 

32 Km (0-10° gg)

64  Km (10°-15° gg)

15 giorni 2 run
al giorno

NOAA/NCEP - GEFS 

(Global Ensemble Forecasting System)

21 membri
(1 di controllo)
circa 100 Km 15 giorni

2 run
al giorno

 

Prodotti

Bollettino Toscana 6-15 giorni

Sulla base delle informazione modellistiche il LaMMA elabora il  bollettino previsionale Toscana 6-15 , che fornisce per i successivi 10 giorni la previsioni relativa alla probabilità di precipitazione e all’anomalia di temperatura, a scala giornaliera e con basso dettaglio spaziale. 
 
Previsione della precipitazione: la previsione della precipitazione consiste nel fornire a livello giornaliero su cinque punti della regione la probabilità di precipitazione in termini percentuali.  Questo valore esprime l’incertezza relativa alle proiezioni elaborate dai modelli ensemble della variabile precipitazione al di sopra di determinate soglie, generalmente 1 mm e 5 mm. 
Ogni giorno viene valutata la dispersione attorno al valore medio delle varie simulazioni, i cosiddetti membri del modello. Quando i vari membri del modello ensemble risultano molto vicini tra loro, allora la probabilità di precipitazione sarà valutata alta, nel caso contrario risulterà bassa, e prossima a zero se nessun membro, o solo una piccola minoranza, prevederà precipitazione. 
La probabilità non esprime invece alcuna informazione sull’intensità e sull’abbondanza della precipitazione, bensì si limita a valutare il rischio che un giorno possa risultare piovoso o meno. 
 
Previsione della temperatura: per le temperature viene fornita una solo informazione su scala regionale a livello giornaliero. Si tratta della probabilità che la temperatura della massa d’aria (il riferimento è il livello barico di 850 hPa che generalmente corrisponde a circa 1500 metri) risulti superiore o inferiore alla media climatologica (trentennio di riferimento 1981-2010, sia per il modello ECMWF-EPS che per il NOAA/NCEP - GEFS). 
In dettaglio:
  • se la probabilità che ci sia un'anomalia è inferiore al 30%, si fornisce un'indicazione di temperature in media;
  • se la probabilità che si verifichi un'anomalia di temperatura è maggiore del 30%,  allora si darà effettivamente un'indicazione di temperature sopra o sotto media (o molto sopra/sotto) a seconda del valore di anomalia previsto. Per i dettagli si veda la legenda del bollettino 6-15 giorni.
Questa tendenza termica riferita alla massa d’aria generalmente si riflette anche al suolo, ma le contingenti condizioni atmosferiche legate ai venti, all’umidità, unitamente alla complessità del territorio regionale possono determinare al suolo differenze sostanziali, tipicamente causate da fenomeni di inversione termica. 
 

Previsioni GEFS Ensemble per i capoluoghi 

Alcune delle uscite del modello americano GEFS vengono pubblicate nella pagina  Meteogrammi GFS-ENS ,  sotto forma del cosiddetto "grafico a spaghetti" (vedi immagine a fianco), in cui le linee colorate rappresentano le previsioni risultanti dalle singole  simulazioni (membri) del modello ensemble.
Nel grafico le linee più in alto rappresentano la tendenza per i successivi 15 giorni relativa ai valori di temperatura in quota (850 hPa) mentre quelle in basso i valori previsti di precipitazione (mm).
Come si vede dall'immagine, le linee mostrano un andamento fortemente omogeneo nel breve periodo (primi due giorni), in cui risultano tutte accorpate sui medesimi valori di previsione, mentre con l'allungarsi dell'orizzontale temporale le diverse simulazioni divergono creando il cosddetto effetto "a spaghetti" tipico dell'ensemble.