Cos’è un modello numerico meteorologico?

Un modello meteorologico è un codice in grado di produrre una previsione dello stato dell’atmosfera risolvendo complesse equazioni matematiche.

Quando le equazioni forniscono un risultato esatto si dice che sono risolvibili analiticamente. Ma non è questo il caso delle equazioni della dinamica dei fluidi e della termodinamica, le quali possono essere risolte soltanto numericamente, cioè in modo approssimato, introducendo un certo margine di incertezza.

L’atmosfera è un sistema caotico e la sua evoluzione non può essere descritta con precisione. Per questo motivo, le piccole incertezze che si introducono risolvendo queste equazioni, tenderanno ad aumentare con il tempo, rendendo le previsioni a lungo termine poco affidabili.

Ma come funziona un modello meteorologico?

Innanzitutto, un modello contiene una tipologia di equazioni, dette differenziali. Quando si risolve un’equazione differenziale la soluzione che si ottiene dipende dal tempo, cioè può fornire risultati che descrivono l’andamento futuro di una variabile (ad esempio come varierà la temperatura).

Per farlo però è necessario partire da uno stato iniziale noto e da condizioni al contorno conosciute. Nel caso della temperatura, dobbiamo necessariamente conoscere la temperatura al tempo t=0 per poter avere informazioni sul suo valore ai tempi successivi.

Queste variabili non saranno descritte in tutto lo spazio ma soltanto in alcuni punti, che descrivono una griglia (figura sopra). Immaginate l’atmosfera come una rete tridimensionale, nei cui punti di giunzione si risolvono le equazioni e si ottengono i risultati. Lo spazio in questo modo viene suddiviso in volumetti finiti come in figura.

Più la griglia è stretta, più la risoluzione è alta, più i modelli ‘vedono’ fenomeni che si verificano su scale piccole. I modelli che lavorano su scale ridotte hanno bisogno di passi di griglia stretti mentre i modelli che lavorano su tutto il pianeta hanno una griglia più larga. I primi sono anche detti LAM ( modelli ad area limitata), i secondi sono i modelli globali, tra i più noti l’ECMWF del centro Europeo e il GFS, modello americano.

Ma come si conoscono le condizioni iniziali?

Dai dati che continuamente raccogliamo sul pianeta! Ma i dati che abbiamo a disposizione sono di natura diversa e devono essere validati prima dell’utilizzo: da stazioni meteorologiche, da palloni sonda, da aerei, da satellite. Un complesso processo di interpolazione (assimilazione dati) dà vita allo stato iniziale unendo in modo coerente questi dati. Solo a questo punto queste informazioni possono essere inserite nel modello e possono produrre la previsione.

Il costo computazionale richiesto per questi processi è molto elevato ed è possibile grazie ai super calcolatori che oggi abbiamo a disposizione. La prima previsione della storia è stata effettuata nel 1950 nel Maryland con un computer chiamato ENIAC. Pesava 30 tonnellate ed occupava uno spazio di 180 metri quadrati e gli scienziati impiegarono 33 giorni per eseguire la previsione!