Come funziona la previsione del tempo: dalla raccolta dei dati all'app di previsione

Ogni previsione mostrata su un'app telefonica o su un'emissione televisiva risale alla stessa pipeline di base: le osservazioni entrano, un supercomputer risolve equazioni atmosferiche, e un meteorologo o un algoritmo trasforma l'output in una previsione. La U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) descrive questo processo semplicemente come previsione del tempo costruita sulla matematica - equazioni che rappresentano il comportamento fisico dell'atmosfera, risolte ripetutamente man mano che il tempo avanza.

I sei passaggi dietro una previsione

1. Le osservazioni sono raccolte in tutto il mondo - da palloni meteorologici, satelliti, boe, radar, sensori su aerei commerciali e navi, misuratori di fiumi e coste, e stazioni di terra - e convertite in valori numerici per temperatura, pressione, umidità e vento, secondo la NOAA.
2. L'assimilazione dei dati miscela queste nuove osservazioni con la previsione a breve termine più recente dell'atmosfera. Il European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) dice che centinaia di milioni di osservazioni sono filtrate e combinate con le previsioni a breve termine recenti ogni giorno attraverso questo processo statistico, producendo la migliore stima dello stato attuale dell'atmosfera.
3. Un modello numerico divide il globo (o una regione) in una griglia tridimensionale di punti. La NOAA osserva che le griglie più fini forniscono più dettagli locali ma richiedono una potenza di calcolo significativamente maggiore - raddoppiare la risoluzione in ogni direzione quadruplica all'incirca i calcoli richiesti per la stessa area.
4. I supercomputer risolvono le equazioni fisiche in ogni punto della griglia per piccoli passi temporali, quindi reinseriscono il risultato come punto di partenza per il passo successivo. Le macchine della NOAA, situate in Virginia e Florida, eseguono circa 2,8 quadrilioni di calcoli al secondo; il sistema dell'ECMWF utilizza più di un milione di processori che forniscono circa 30 petaflops.
5. Il modello viene eseguito molte volte con condizioni iniziali o impostazioni fisiche leggermente diverse, chiamato ensemble. La NOAA dice che quando le esecuzioni concordano, i meteorologi hanno maggiore fiducia; quando divergono, quella propagazione comunica incertezza al pubblico.
6. I meteorologi umani e i sistemi automatizzati interpretano l'output grezzo del modello - adattandosi al terreno locale, alle distorsioni del modello note o alle osservazioni recenti - prima di emettere la previsione pubblica, l'avviso o l'osservazione.

Modelli globali vs. regionali

La NOAA distingue tra modelli globali, che coprono l'intero pianeta a risoluzione più grossolana, e modelli regionali, che coprono un'area più piccola a dettagli più fini. L'ECMWF esegue il suo modello globale due volte al giorno, a mezzanotte e a mezzogiorno, con due esecuzioni intermedie aggiuntive che forniscono condizioni al contorno ai modelli regionali propri degli stati membri. L'agenzia osserva che un modello globale è necessario perché i disturbi meteorologici da un lato del mondo possono influenzare le condizioni altrove giorni dopo.

Perché le previsioni perdono accuratezza nel tempo

L'atmosfera è un sistema caotico: piccole differenze nelle condizioni iniziali crescono nel tempo fino a quando la previsione diverge dalla realtà. Questo principio, identificato per la prima volta dal meteorologo del MIT Edward Lorenz, è il motivo per cui nessun modello - per quanto potente - può prevedere indefinitamente il futuro.

Uno studio condotto dal ricercatore della Penn State Fuqing Zhang ha testato i due principali sistemi di previsione globale - il modello dell'ECMWF e il sistema di previsione globale di prossima generazione degli USA - contro eventi reali, tra cui un'ondata di freddo europea e inondazioni cinesi, utilizzando dati iniziali quasi perfetti. Il team ha concluso che le previsioni affidabili di giorno in giorno sono raggiungibili circa 9-10 giorni in anticipo per le medie latitudini, dove vive la maggior parte della popolazione mondiale, e che ciò potrebbe estendersi a circa 14-15 giorni man mano che la raccolta dei dati, gli algoritmi e la potenza di calcolo migliorano.

La propria guida tecnica della NOAA sull'output del modello fornisce una cifra più conservativa per le previsioni della griglia grezze e non elaborate, notando che i modelli rimangono generalmente accurati fino a circa quattro giorni, dopodiché la variazione tra le esecuzioni aumenta significativamente - un motivo per cui gli ensemble e i meteorologi umani rimangono parte della pipeline per la gamma media.

Cosa viene dopo per la tecnologia di previsione

L'ECMWF afferma che i guadagni futuri dipendono da previsioni di ensemble a risoluzione più fine, da una migliore rappresentazione dei processi del sistema terrestre (atmosfera, terra e oceano insieme) e dall'assimilazione migliorata delle osservazioni meteorologiche - tutte cose che richiedono più potenza di calcolo. Il programma di scalabilità del centro si sta preparando per l'informatica exascale (un miliardo di miliardi di calcoli al secondo) ed sta anche esplorando tecniche di machine learning come parte dei suoi sistemi di previsione, secondo il suo stesso foglio informativo.