CFS - Info sul modello

MODELLO CLIMATOLOGICO SPERIMENTALE

La catena previsionale operativa a partire da giugno 2017 presso il centro di elaborazione dati del Consorzio LaMMA, seppure ancora in fase sperimentale, costituisce uno degli elementi che sono alla base delle previsioni stagionali rilasciate dal Consorzio mensilmente.
Il modello gira tutti i giorni per i 3 mesi successivi e la risoluzione spaziale è a 25 chilometri.
Il dominio di calcolo si estende all'intero continente europeo, anche se la catena previsionale è stata ottimizzata per la penisola Italiana.
Il modello fornisce informazioni sulla probabilità di precipitazione e di temperatura per i 3 mesi successivi.
La catena previsionale e alcuni casi studio sono stati illustrati in un articolo scientifico pubblicato il 3 agosto 2018 sulla rivista internazione "Advances in Science and Research":

articolo 

 

Le osservazioni

La banca dati europea che sta alla base del modello numerico del Consorzio LAMMA è costituita dal dataset di osservazioni dell’ECA&D (European Climate Assessment & Dataset project), noto come E-obs, contenente le principali variabili atmosferiche osservate in Europa a livello giornaliero e spazializzate su griglia regolare a 25 chilometri di risoluzione.


Il modello di partenza: CFS

Il modello numerico climatologico del Consorzio LaMMA ha come modello globale di partenza il modello climatico americano CFS (CFSv2), che è sviluppato dal centro di modellistica ambientale (NCEP-NOAA), e che costituisce uno dei principali modelli climatici a livello internazionale assieme a quello sviluppato dal Centro Europeo ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts).

Il CFSv2 è un modello globale probabilistico, di tipo “ensemble” a fisica consistente che simula le principali variabili meteorologiche con orizzonte temporale di 6 mesi, tenendo in considerazione tutti i meccanismi di accoppiamento tra atmosfera, superficie terrestre, oceani ed estensione dei ghiacci (output del modello CFSv2).


La catena operativa LaMMA

 
Diagramma a blocchi del framework di previsioni
numeriche stagionali del Consorzio LaMMA
La catena previsionale, operativa presso il LaMMA, estrae quotidianamente dal modello globale CFSv2 le 40 possibili evoluzioni (“membri” dell’ensemble) del geopotenziale a 500 hPa e della pressione al livello del mare  con orizzonte temporale di 3 mesi e le classifica in una delle 9 tipologie di circolazione atmosferica ritenute rappresentative per l'Italia. 
 
La classificazione in tipi di circolazione atmosferica (CTCs - Circulation Type Calssifications) avviene secondo due metodi che derivano da un'analisi condotta dal Consorzio LaMMA per individuare le migliori classificazioni per il territorio italiano tra tutte quelle sviluppate in ambito dell’azione COST733, per poter descrivere al meglio le 2 variabili meteorologiche di maggiore interesse, ovvero la precipitazione e la temperatura superficiale. Le caratteristiche delle due classificazioni scelte per l’Italia sono descritte approfonditamente al link Tipi di circolazione e lo studio di riferimento è "Circulation Type Classifications for temperature and precipitation stratification in Italy" ed è stato pubblicato sulla rivista internazionale "International Journal of Climatology", DOI:10.1002/joc.5219.
I metodi di classificazione usati sono due:
  • per la temperatura viene usato il metodo di classificazione SAN (Simulated Annealing) su 9 tipi di circolazione ed applicato al geopotenziale a 500 hPa.
  • per la precipitazione il metodo è il PCT (Principal Component Transversal), su 9 tipi di circolazione, ed applicato alla pressione al livello del mare.
In pratica, per ogni giorno e per ogni membro “ensemble”, viene previsto il tipo di circolazione più prossimo all’evoluzione fornita dal modello climatico CFSv2 e vengono calcolati, per ogni mese di previsione, le occorrenze di ciascun tipo di circolazione. Successivamente, vengono calcolati gli output probabilistici, combinando, attraverso un algoritmo statistico di tipo Bayesiano sviluppato “ad hoc” dal gruppo di climatologia del Consorzio LaMMA, l’intera distribuzione climatologica dei dati giornalieri di temperatura e precipitazione con quella derivante dalla 40 evoluzioni dei tipi di circolazione. 
 

Output del modello

Gli output del modello consistono in mappe probabilistiche ottenute attraverso uno specifico metodo basato sulla statistica Bayesiana, che confronta in sostanza la distribuzione climatologica con quella dei 40 membri del modello globale americano CFSv2. 
Le mappe di probabilità esprimono la probabilità percentuale di avere temperature (massime, medie e minime) superiori al terzile superiore della distribuzione climatologica (detto anche 66° quantile), inferiori al terzile inferiore (33° quantile) o comprese nel terzile mediano (tra il 33° e 66° quantile). Maggiore risulta la percentuale, maggiore sarà la probabilità che si verifichino anomalie negative, neutre o positive (Fig.1). 
L’incertezza sulla previsione aumenta sensibilmente nel caso in cui le 3 probabilità forniscono valori inferiori al 40%; in questo caso la previsione equivale ad attenersi all’informazione climatologica (Fig.2). In merito alle precipitazioni (Fig.3), al momento viene elaborata la probabilità giornaliera di occorrenza di pioggia, ovvero la probabilità di avere ogni giorno una precipitazione con cumulati anche poco rilevanti (superiore a 0.4 millimetri). Da questa informazione probabilistica viene determinata la mappa del numero di giorni al mese con precipitazione e la corrispondente mappa di anomalia climatologica (il trentennio climatologico di riferimento è il 1981-2010). 
 
Fig. 1 Mappe di probabilità di temperatura. La prima in alto a sx riassume le 3 probabilità in un’unica mappa, riportando in bianco la probabilità inferiori al 40%.   

 

 
Fig. 2 Mappe di probabilità di temperatura con valori inferiori al 40% per tutti e 3 i terzili.  

 

Fig. 3 A sinistra, la mappe di probabilità di occorrenza dei giorni con pioggia superiore a 0.1 millimetri e a destra quella di anomalia climatologica del numero di giorni di pioggia.

Sviluppi

Le procedure di test e validazione del modello sono in atto e verranno pubblicate non appena saranno terminate.
E’ attualmente in fase di sviluppo l’implementazione di una procedura per la previsione mensile del rischio di precipitazioni intense, ondate di calore e serie siccitose, in modo da fornire informazioni complementari molto utili in ambito agronomico, energetico, idrico e per scopi di Protezione Civile.
 

Per approfondire

Il modello è stato presentato alla European Conference for Applied Meteorology and Climatology tenutasi a Dublino dal 4 al 8 settembre del 2017 e in data 3 agosto 2018 è stato pubblicato un articolo scientifico sulla rivista internazione "Advances in Science and Research":
articolo 

abstract 

poster 

 
Modello CFS - Climate Forecast System CFSv2
E-Obs -Dataset di osservazioni dell’ECA&D