Meteo e previsioni del tempo

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Meteo e previsioni del tempo

Principali metodi di previsione

Metodo persistente (oggi è uguale a domani)

Ci sono svariati e differenti metodi che possono essere usati per creare una previsione. Il metodo che il revisore sceglie dipende dall’esperienza del revisore stesso, dalla quantità di dati (informazioni) a disposizione, dal livello di difficoltà che presenta la situazione da prevedere e dal grado di accuratezza (o confidenza) che si vuole ottenere.
Il primo di questi metodi, il metodo persistente, è la maniera più semplice di produrre una previsione. Questo metodo si basa sull’assunto che le condizioni meteorologiche al momento della previsione non cambieranno.
Ad es. se è soleggiato e ci sono 30°C oggi, il metodo persistente prevede che domani sarà soleggiato e ci saranno 30°C.
Il metodo persistente è adatto quando il campo meteorologico cambia pochissimo e le caratteristiche delle mappe del tempo si “muovono” molto lentamente. Lavora bene inoltre in posti come il sud California, dove le condizioni meteorologiche estive cambiano pochissimo da giorno a giorno.
Tuttavia, se le condizioni meteorologiche cambiano significativamente da giorno a giorno, il metodo persistente fallisce e non è certo il miglior metodo di previsione da usare.
Sembrerebbe evidente che il metodo persistente sia applicabile solamente per previsioni a breve termine (es. 1/2 giorni), ma attualmente svolge un utile ruolo nel prevedere condizioni a lungo termine e nelle previsioni climatiche.
Per es. capita spesso che un mese caldo e secco sia seguito da un altro mese caldo e secco. Così, utilizzando il metodo persistente per previsioni mensili e stagionali potremo avere qualche risultato. Molti degli altri metodi di previsione, come le previsioni numeriche, perdono la loro efficacia di previsioni dopo 10 giorni. Questo rende il metodo persistente “duro da battere” per periodi più lunghi di 10 giorni.

Metodo di tendenza (usando la matematica)

I metodi di tendenza implicano la determinazione della velocità e della direzione di spostamento dei fronti, dei centri di alta e bassa pressione, aree nuvolose o di precipitazione. Usando questa informazione, il revisore può predire dove si aspetta che si troveranno queste conformazioni in un qualche momento del futuro.
Per es. se un sistema temporalesco si trova a 1600 km ovest dalla mia postazione e si muove verso est di 400 km al giorno, usando il metodo di tendenza posso predire che arriverà nella mia area in 4 giorni (calcoli matematici: 1600km / 400km al giorno = 4 giorni).
Usando il metodo tendenza per predire solamente fino a poche ore, parliamo di “nowcasting” ed è un metodo frequentemente usato per predire le precipitazioni.
Per esempio se viene localizzata una linea di temporali a 100 km a NO che si muove verso SE a 40 km/ora, si può predire che la tempesta arriverà in 2,5h. Un altro esempio di utilizzo del metodo di tendenza è la previsione del movimento di un fronte freddo. Inizialmente il fronte freddo si è mosso di 1200 km nelle prime 24h

Usando il metodo tendenza si può predire che questo sistema meteorologico si muoverà di altri 1200 km nelle prossime 24h.
Il metodo delle tendenze è utilizzabile quando il sistema continua a muoversi alla stessa velocità nella stessa direzione per un lungo periodo di tempo. Se rallenta, accelera, cambia intensità o direzione; la previsione delle tendenze non darà risultati più tanto accurati.

Metodo climatologico

Il metodo climatologico è un altro semplice metodo per produrre una previsione. Questo metodo implica l’uso delle medie statistiche accumulate su periodi di diversi anni per poter fare la previsione.
Per esempio volendo usare il metodo climatologico per predire il tempo a NY il 4 luglio, bisognerebbe farlo attraverso tutti i dati meteorologici registrati per ogni 4 luglio e fare una media. Se si sta facendo una previsione per la temperatura e le precipitazioni, bisognerà fare le medie dei dati relativi a questi parametri.
Il metodo climatologico lavora bene solo quando il “sistema meteo” è simile a quello scelto per il determinato periodo dell’anno di cui si vuole fare la previsione. Se le condizioni sono un po’ differenti da quelle usuali il metodo climatologico fallisce spesso.

Metodo analogo

Il metodo analogo è leggermente più complicato. Implica l’uso dello scenario odierno e riporta alla memoria un giorno del passato in cui lo scenario era simile (un analogo). La previsione si baserà sul fatto che le condizioni meteorologiche varieranno in maniera simile a come avevano fatto in passato.
Per esempio, supponiamo che oggi faccia molto caldo ma un fronte freddo si sta avvicinando. Ricordando che una situazione simile si è verificata la scorsa settimana e che in seguito si è sviluppato un forte temporale nel pomeriggio, con l’arrivo del fronte freddo; usando il metodo analogo si può concludere che questo fronte freddo porterà un temporale nel pomeriggio.
Il metodo analogo è difficile da usare perché è virtualmente impossibile trovare un perfetto analogo. Diverse caratteristiche meteorologiche difficilmente si allineeranno nello stesso luogo e modo in cui l’avevano fatto tempo addietro. Anche piccole differenze tra il tempo attuale ed il suo analogo possono portare a diversi risultati. Tuttavia tra i tanti dati passati archiviati è possibile trovare un buon analogo del tempo presente e quindi una buona previsione.

Previsioni del tempo numerico (NWP)

Il metodo numerico utilizza il computer per fare le previsioni. Complessi programmi al computer, meglio noti come modelli di previsione, vengono fatti girare su supercomputer per fornire previsioni o diverse variabili atmosferiche come temperatura, pressione, vento e precipitazioni. Una previsione esamina come le caratteristiche future previste dal computer interagiranno per produrre il tempo del giorno.
Il metodo NWP difetta a causa del fatto che le equazioni su cui si basa il modello non sono precise. Questo porta ad alcuni errori nella previsione. In più ci sono diversi buchi nei dati iniziali poiché non riceviamo osservazioni meteorologiche da luoghi come alte montagne ed oceani. Se lo stato iniziale non è completamente noto la previsione del computer di come lo stato iniziale evolverà in quello futuro non sarà perfettamente accurata.
Nonostante questa mancanza, il metodo NWP è probabilmente il migliore per le previsioni giorno per giorno. Poche persone però hanno accesso ai dati del computer. In più un previsore alle prime armi non ha la conoscenza per interpretare la previsione del computer; perciò metodi più semplici, come le tendenze o l’analogo, sono consigliabili per iniziare.

Fonte: http://www.gpchironi.it/sitenew/attachments/022_Principali%20metodi%20di%20previsione.doc

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- La meteorologia e le sue variabili -

Prima di vedere come si possano interpretare le previsioni meteorologiche che possiamo trovare via internet o attraverso i vari bollettini, è necessario comprendere le basi della meteorologia stessa.

La meteorologia si occupa dello studio dei movimenti dell’atmosfera, in particolare tra il suolo ed i 7-8 Km ai poli e i 14-16 km all’equatore (11-12 Km alla nostra latitudine) . E’ questa infatti lo strato all’interno del quale si svolgono tutti i fenomeni meteorologici. E’ utile sottolineare che il ridotto spessore di questo strato rende tali fenomeni notevolmente influenzati dall’orografia.

Sono due le principali variabili che vengono prese in considerazione: la pressione P e la temperatura T.
Pressione: definita come una forza per unità di superficie, la pressione è il peso della colonna d’aria che sta sopra ad unità di area. Come è facile comprendere, la pressione diminuisce alzandosi di quota (la quantità d’aria sopra di noi diminuisce). La pressione, posta a valore 1000 unità quella al suolo, cala circa di 100 unità ogni km di altezza.

Temperatura: l’atmosfera viene scaldata dal Sole. La temperatura della stessa viene quindi influenzata sia dalla presenza o meno del sole (giorno e notte) sia dall’inclinazione con la quale i raggi solari colpiscono la crosta terrestre (oltre ad altri fattori locali, come la presenza di specchi d’acqua più o meno grandi – l’acqua ha una capacità termica maggiore della terra). E’ da sottolineare che il riscaldamento dell’atmosfera non avviene per irraggiamento diretto dal Sole. Essendo l’aria trasparente, non assorbe energia dai raggi luminosi se non in minima parte. Il riscaldamento si ha invece dal basso. La superficie terrestre, non potendo essere attraversata dai raggi solari, si scalda e trasferisce questo calore all’atmosfera. Per questo la temperatura dell’atmosfera, contrariamente a quanto ci si aspetterebbe, diminuisce con la quota. Il fattore di diminuzione è tra i 6° e i 12° al km .

Formazione dei venti

Facciamo ora un’analisi di come si genera un vento (in seguito faremo un’analisi più approfondita anche dal punto di vista matematico).
Come abbiamo precedentemente detto, la temperatura del suolo e quindi dell’atmosfera dipende dall’inclinazione con la quale i raggi solari vanno a colpire il suolo, o meglio con la “quantità” di raggi che vanno a colpire una unità di superficie.
Ne risulta quindi che l’atmosfera all’altezza dell’equatore è più calda di quella a latitudini crescenti.
Dal momento che la densità dell’aria è inversamente proporzionale alla temperatura (nell’ipotesi di gas perfetto abbiamo ) l’aria calda equatoriale tenderà a salire verso l’alto lasciando sotto di se dei vuoti che verranno riempiti da aria più fredda. Si avrà quindi un vento diretto dalle alte latitudini verso l’equatore.
La spinta dovuta al vuoto determinato dalla salita dell’aria calda equatoriale non è però l’unica forza che agisce sulla massa d’aria. Questa viene infatti deviata dalla forza di Coriolis (che analizzeremo più approfonditamente in seguito) il cui effetto è di deviare verso destra le masse d’aria in movimento nell’emisfero settentrionale e verso sinistra quelle nell’emisfero australe.
Si vanno così a creare i venti che (come gli alisei) si muovono da est verso ovest o da ovest verso est, a seconda della latitudine.
Ma avevamo precedentemente detto che il moto delle masse d’aria dovuto al maggior riscaldamento dell’equatore è diretto dai poli verso l’equatore. Sarebbe quindi corretto pensare che tutti i venti si muovano da est verso ovest nell’emisfero settentrionale e, viceversa, da ovest verso est nell’emisfero australe. Il fatto che questo non sia verificato è sempre dovuto alla forza di Coriolis. Deviando la massa d’aria in movimento, questa si trova a muoversi lungo i paralleli non potendo più procedere verso l’equatore. In particolare si vengono a determinare tre “celle” per emisfero, con limiti ai 30° e ai 60° di latitudine (sia nord che sud), all’interno delle quali i venti si muovono in verso opposto rispetto a quelle confinanti.

Situazioni generali e loro analisi

Modelli di previsione

Per poter interpretare correttamente le previsioni del tempo, è necessario essere a conoscenza dei limiti ai quali i modelli che vengono correntemente utilizzati sono sottoposti.
Nella storia della meteorologia due sono stati i modelli finora utilizzati per ottenere delle previsioni: il metodo sinottico e quello numerico.
Il metodo sinottico si basa sull’analisi della situazione attuale e delle 48 ore precedenti. Noti i principali spostamenti d’aria intorno al globo, è compito dell’esperienza del metereologo prevedere la possibile evoluzione del tempo.
Questo metodo può portare a previsioni soddisfacenti solo per lassi di tempo piuttosto brevi (si può considerare affidabile una previsione sulle 12 ore).
Il metodo numerico lascia invece il compito dell’analisi della situazione ai calcolatori. Tale metodo, basato sulle equazioni differenziali alle derivate parziali, lascia al metereologo il solo compito di analizzare ed interpretare le carte fornite dal calcolatore, riportanti le previsioni dei campi di pressione, dei venti, delle temperature e di molti altri parametri interessanti per la meteorologia.
Il metodo numerico, grazie allo sviluppo della capacità di calcolo dei moderni calcolatori, può portare a previsioni di attendibilità generale (su grande scala) fino a 10 giorni e particolare (su piccola scala) tra i 2 e i 5 giorni.
Ma su quali dati si basa il metodo numerico?
La prima analisi viene fatta su una griglia di passo 80 km e copre l’intera superficie terrestre. Viene eseguita da tre soli enti, uno Asiatico, uno Europeo e uno Americano.
I dati forniti da questa prima analisi, vengono utilizzati dai centri locali per ottenere dei risultati più precisi, in genere con passo di griglia di 20 e 5 km. Queste ultime analisi hanno validità per circa due giorni.
I risultati che vengono forniti dal calcolatore sono in genere della cartine meteorologiche, dove vengono rappresentati graficamente i campi di pressione e i fronti, i venti o altre variabili meteorologiche di interesse (come la percentuale di copertura nuvolosa, la temperatura, le precipitazioni…). In generale, per ottenere informazioni sul vento, è sufficiente conoscere i campi di pressione.

Vento di gradiente

Come si può, noto il campo di pressione, determinare il vento?
Proviamo a dare un’infarinatura dell’analisi matematica necessaria a risolvere questo problema.
Il campo di pressione è un campo scalare. Considerando un campo di pressione ad una quota fissa rispetto al livello del mare (quello che generalmente ci viene fornito con le cartine), ad esempio a 10m, possiamo rappresentarlo con una superficie in uno spazio tridimensionale le in cui le coordinate x ed y rappresentano la posizione mentre la coordinata z rappresenta il valore della pressione a quel livello. L’evoluzione nel tempo del campo di pressione sarà rappresentata dalle modificazioni della superficie stessa.
Il nostro campo di pressione P, noto, verrà quindi a dipendere da x,y e t.

dove S è il vettore posizione di coordinate x,y.
La pressione è, per definizione, una forza per unità di superficie.
Calcolando il gradiente di P otteniamo dimensionalmente una forza ad unità di volume, che possiamo interpretare come la forza che il campo di pressione esercita su di un metro cubo d’aria.
Noto che la forza, per la legge della dinamica, è pari alla massa per l’accelerazione, possiamo sostituire ottenendo che il gradiente del campo di pressione è pari alla densità r - che sarà funzione della temperatura T e diversa per ogni x,y,t - per l’accelerazione a a cui è soggetta la massa d’aria che nell’istante t è contenuta nel volume V considerato.

In questo modo, esplicitando a, possiamo scrivere

dove, come già detto, a è l’accelerazione a cui è soggetto il fluido.
Nell’ipotesi che l’aria sia un fluido non viscoso e di assenza della forza di Coriolis possiamo quindi scrivere che la velocità della massa d’aria considerata, per le leggi del moto, sarà pari a:

La velocità della massa d’aria ha quindi direzione e verso del gradiente di pressione, ed intensità proporzionale al suo modulo.
(E’ utile sottolineare che, secondo il modello correntemente utilizzato nello studio dei fluidi, il volumetto di riferimento è fisso rispetto allo spazio. Questo viene attraversato da una massa d’aria avente velocità v variabile e funzione del tempo.)

Proviamo ora ad inserire l’accelerazione di Coriolis. Per ricavarla proviamo a studiarne le cause.
La Terra è in rotazione attorno al proprio asse con velocità angolare w. La legge del moto dei corpi rigidi impone che la velocità periferica di un corpo in moto rotatorio sia , che rappresenta l’accelerazione di Coriolis.
La direzione di tale accelerazione, essendo data dal prodotto vettore tra la velocità angolare w e la velocità dell’aria v, è perpendicolare al piano contenente le due velocità e diretta secondo la regola della mano destra.
L’accelerazione reale alla quale è sottoposta la massa d’aria del volume preso in considerazione risulta quindi essere

Oltre a queste accelerazioni, nel momento in cui la massa d’aria inizia a deviare la sua traiettoria, entra in gioco l’accelerazione centripeta, pari a , che andrà a sommarsi alle altre due.

La velocità della massa d’aria si stabilizzerà quando la somma vettoriale delle tre accelerazioni sarà nulla. E’ utile sottolineare che nel caso di alte pressioni la velocità non può superare un certo limite, poiché l’accelerazione di Coriolis, l’accelerazione centrifuga e l’accelerazione di gradiente trovano una configurazione stabile (a di grad e centrifuga hanno la stessa direzione), mentre per le basse pressioni questo non avviene, e l’accelerazione di gradiente può aumentare illimitatamente la velocità (a di grad e centrifuga hanno direzione opposta e possono aumentare entrambe illimitatamente). Per questo motivo le alte pressioni sono meno pericolose delle basse (oltre al fatto che le prime portano bel tempo e le seconde brutto tempo).
Ricordiamo che in questa analisi sono state trascurate le forze di attrito, delle quali si risente fino a circa 10 m da terra. Le forze di attrito fanno in modo che il vento geostrofico (che non tiene conto delle forze di attrito) sia spostato un po’ a destra rispetto al vento terrestre. Da questo dipende la necessità di svergolare la randa in alto: all’aumentare dell’altezza la direzione del vento cambia.

Situazioni locali

Oltre al vento di gradiente, nell’analisi delle previsioni meteorologiche è necessario prendere in considerazione altri fattori, più o meno indipendenti dal campo di pressione davanti al quale possiamo trovarci, ma che influenzano notevolmente il vento

Brezze di Mare e Brezze di Terra

Le brezze di Marre e di Terra vengono generate allo stesso modo del vento di gradiente, causato però da sistemi di alte e basse pressioni locali e di minor intensità.
La causa delle brezze è la diversa capacità di assorbire ed emettere calore da parte dell’acqua e della superficie terrestre (calore specifico). In particolare, l’acqua ha un calore specifico più elevato della terra, tanto da non essere influenzata in maniera particolare dall’alternarsi del giorno e della notte.
La terra ne è invece fortemente influenzata, tanto che, scaldandosi durante il giorno e raffreddandosi durante la notte, crea un disequilibrio tra la temperatura dell’atmosfera “terrestre” e quella dell’atmosfera “marina”. Questo disequilibrio, come precedentemente detto, porta ad una variazione della densità dell’aria e quindi ad un instaurarsi di una bassa pressione (dove l’aria più calda tende a salire) e di una alta pressione (dove l’aria più calda tende a scendere).
Conseguentemente, si avrà uno spostamento d’aria dal mare alla terra o dalla terra al mare. Sempre a causa dell’accelerazione di Coriolis (in questo caso però di intensità minore) la brezza tenderà a ruotare verso destra fino a muoversi parallelamente alla costa.
Vediamo in particolare cosa succede durante una giornata.
Durante la notte la terra si è raffreddata, mentre il mare ha mantenuto in buona approssimazione la sua temperatura. Il mare è quindi più caldo della terra, quindi si avrà uno spostamento d’aria dalla terra verso il mare (brezza di terra). Durante il giorno, invece, la terra andrà scaldandosi fino a riottenere l’equilibrio termico. In seguito, il pomeriggio e la sera, si avrà la terra che sarà più calda del mare. Lo spostamento d’aria sarà quindi in direzione opposta, dal mare verso la terra (brezza di mare).

Groppi

La presenza di un fronte freddo può essere causa della nascita di sistemi temporaleschi. L’aria fredda, incuneandosi sotto l’aria calda per la sua maggiore densità, spinge quest’ultima verso l’alto con un conseguente raffreddamento. Il raffreddamento provoca la condensazione del vapore acqueo e quindi il temporale. Giunta in alto, l’aria si raffredda ulteriormente e, a non potendo ridiscendere direttamente a causa dei movimenti ascensionali all’interno del temporale (ricordiamo che la condensazione dell’acqua rilascia energia sotto forma di calore), scende ai lati. Una volta arrivata in prossimità della superficie del mare si apre a raggiera, formando un groppo. All’interno dei groppi, a causa della combinazione del vento “normale” e di quello provocato dal sistema temporalesco, il vento sarà molto variabile sia in intensità che in direzione. In particolare, all’ingresso della zona temporalesca da sopravvento il vento sarà piuttosto debole (le due componenti si sottraggono), mentre da sottovento sarà più forte (le due componenti si sommano).

Phon

Il Phon, vento caldo da nord, sembra essere in disaccordo con quanto precedentemente detto riguardo al riscaldamento del pianeta, ovvero che la temperatura sia maggiore verso l’equatore e minore verso i poli.
Il realtà tale fenomeno è spiegabile attraverso il principio esposto in nota 1.
Immaginiamo la presenza di un rilievo (quale possono essere le Alpi). L’aria umida in arrivo da Nord, scontrandosi verso le montagne, tende a salire. Salendo diminuisce di temperatura, provocando quindi la condensazione del vapore acqueo che si trasforma in nubi e quindi in pioggia.
A causa della condensazione, si ha una diminuzione di temperatura minore rispetto al caso in cui l’aria non contenesse vapore.
Le nubi non sono però in grado di raggiungere un altezza sufficiente a scavalcare la catena montuosa. La massa d’aria che ridiscende lungo l’altro versante risulta essere secca, e quindi il suo aumento di temperatura al variare della quota è maggiore rispetto alla sua salita. In questo modo l’aria, passando la catena montuosa, viene riscaldata e conseguentemente varia la sua densità.

Effetto Venturi

L’effetto Venturi si ha quando l’aria in movimento, incanalandosi in una valle o comunque in un passaggio che diminuisce di sezione, aumenta la sua velocità. Viceversa se la sezione aumenta.
Vediamo come questo accade in una situazione semplice come può essere il tubo di Venturi.
Essendo l’aria, per velocità subsoniche, in buona approssimazione incomprimibile, possiamo considerare la sua densità costante. Per la legge di conservazione della massa, la quantità di massa che entra nel tubo deve essere pari a quella che esce.
Possiamo quindi scrivere: dove V è un volume di aria che entra od esce dal tubo
potendo scrivere
ed essendo la sezione (di ingresso o di uscita) e la densità costanti, otteniamo

Possiamo quindi dedurre che la velocità della massa d’aria è inversamente proporzionale alla sezione (c’è più vento a Riva del Garda rispetto a Sirmione!!)

Perché il calo di temperatura non è costante? Nell’atmosfera è presente del vapore acqueo in quantità variabile. La massima concentrazione di vapore nell’aria, come per ogni soluzione, è funzione della temperatura e aumenta con l’aumentare della stessa. Se l’aria, salendo, si raffredda, la concentrazione di vapore deve diminuire. Si forma quindi la pioggia. La condensazione del vapore libera però energia sotto forma di calore, che va a scaldare l’aria circostante. In presenza di forti concentrazioni di vapore acqueo il calo di temperatura in funzione della quota è quindi minore.

Il gradiente di un campo scalare è un operatore matematico per funzioni di più variabili simile alla derivata prima nel caso dello studio di funzioni ad una incognita. Nel nostro caso (2 variabili, x ed y), il gradiente ha la forma . Geometricamente, il gradiente è un vettore diretto perpendicolarmente alla massima inclinazione della superficie (e quindi delle curve di livello, che nel nostro caso sono le isobare), il cui modulo è direttamente proporzionale all’inclinazione delle superficie stessa, ovvero inversamente proporzionale alla distanza tra le curve di livello (al diminuire della distanza, aumenta il modulo del gradiente)

Testo redatto da Gianluca
Articolo del sito: http://www.velaforfun.com
15 gennaio 2004

Meteo e previsioni del tempo