Dr. Adrian Tompkins Che tempo farà domani? Dati, modelli meteorologici e recenti eventi atmosferici...

Dr. Adrian Tompkins

Che tempo farà domani? Dati, modelli meteorologici e recenti eventi atmosferici nel

Golfo di TriesteGrazie a: O

SM

ER

e EC

MW

F

Abbiamo fiducia nelle previsioni?

- Come si fanno le previsioni?- Quante/Quali e come si usano le osservazioni?- Un esempio di previsione per la Barcolana 2009

Storia: I metodi tradizionali per le previsioni del tempo

Comportamento del gatto:previsioni a breve termine...

Numero di bacche :previsoni stagionali

Ma nel 1904 si pongono le basi della meteorologia moderna

La previsione dello stato futuro dell'atmosfera richiede: L'accurata conoscienza dello stato

attuale L'accurata conoscienza delle equazioni

che regolano il moto dei fluidi nell'atmosfera.

In 1904 date le conoscienze dia allora non era possibili realmente eseguire una previsione

Bjerknes

Ma nel 1904 si pongono le basi della meteorologia moderna

La previsione dello stato futuro dell'atmosfera richiede: L'accurata conoscienza dello stato

attuale L'accurata conoscienza delle equazioni

che regolano il moto dei fluidi in atmosfera.

In 1904 date le conoscienze dia allora non era possibili realmente eseguire una previsione

Margules in 1904 sosteneva che “le previsioni del tempo sono immorali e dannose del carttere dei meteorologhi”!

Bjerknes

Margules

Storia

L. F. Richardson (b 1881):

Il padre della meteorologia moderna

A quel tempo alcune delle equazioni di base erano gia' note

Richardson derivo' le equazioni rimaste

Ma cosa sono le equazioni e a cosa servono?

Attrito

Gravità

Ma cosa sono le equazioni e a cosa servono?

Attrito

Gravità

Risolvendo una equazione e' possibile prevedere la posizione nel futuro!!!

Adesso

Dopo

Non possiamo predirre il moto di ogni singola molecoladi gas atmosferico – Perche’?

1. Dove sono ora tutte le molecole?2. Ce ne sono troppe!

Quindi risolviamo le equazioni per “scatole” di aria

Temperatura, vento, nubi

umidita'

come media in ciascuna scatola

Per il moto dell'atmosfera le equazioni sono piu complicate

Gravità Pressione Rotazione Attrito

Problema:

le equazioni sono troppo complicate per essere risolte esattamente.

In atmosfera abbiamo

Ia prima previsione!

Richardson derivo' una via “numerica” per risolvere (approssimativamente) le equazioni usando migliaia di calcoli.

Questo tipo di approccio e' perfetto per i calcolatori!

Ia prima previsione!

Richardson derivo' una via “numerica” per risolvere (approssimativamente) le equazioni usando migliaia di calcoli.

Questo tipo di approccio e' perfetto per i calcolatori!

Ma i computer non erano stati inventati ancora.

Allora, Richardson fece la prima previsione a mano... per mesi... mentre lavorava come autista d'ambulanze durante la prima guerra mondiale.

...era totalmente...

...sbagliato!

Richardson fece una previsione con un errore di 150hPa su sei ore!

Nonostante ciò convinto della correttezza delle sue idee dichiarò che il metodo per le previsioni era corretto ma che l'errore era dovuto ai dati iniziali!

Oggi sappiamo che aveva ragione e che con migliorie del trattamento dei dati e metodi il suo metodo era corretto, e forma le basi di tutte le previsioni usate oggi.

...sbagliato!

La visione di Richardson's dei “computers” per le previsioni

Richardson fece una previsione con un errore di 150hPa su sei ore!

Nonostante ciò convinto della correttezza delle sue idee dichiarò che il metodo per le previsioni era corretto ma che l'errore era dovuto ai dati iniziali!

Oggi sappiamo che aveva ragione e che con migliorie del trattamento dei dati e dei metodi il suo metodo era corretto e forma le basi di tutte le previsioni usate oggi.

Eniac : Il primo computer digitale 19461000 valvole, usava piu elettricita di 15 case e aveva meno potenza di un attuale

orologio digitale !!

Venne usato per effettuare la prima previsione del tempo pubblicata nel 1950

Una previsione di 24 ore impiego' 24 ore di tempo di calcolo!

Quanto sono grandi le scatole di aria impiegate nel modelli previsionali moderni?

Temperatura, vento, nubi

umidita'

Ovviamente dipende dalla potenza dei calcolatori impiegati ! Piu grande il calcolatore piu piccole possono essere la scatoline d'aria.

1978: Cray 1A 2008: IBL Power 5+

1 Calculation 250,000 Calculations

Ma quanto sono grandi queste scatole?

Temperatura, vento, nubi

umidita'

Modelli Climatici

Ma quanto sono grandi queste scatole?

Temperatura, vento, nubi

umidita'

Modelli Globali per previsione del tempo

La mia ricerca riguarda per lo piu le nubi

Un modello di provisione inoltre non solo predice il moto dei flussi d'aria ma include una serie di modelli per la rappresentazione di importanti processi fisici, quali la radiazione solare, la formazione di nubi e precipitazioni etc

Un Esempio

Satellite Modello

Problema alle condizioni iniziali

Adesso

Dopo

Il sistema di telecomunicazione globale

Misure: Pressione, umidità, temperatura, vento, radiazione

Radiosondaggi: temperatura, umidita', vento

Molto costose: poche ma di grande impatto per la qualità della previsone

2007Ghana

Spot the Difference!

History of PIBALLMartin Brenner's, Pilot Balloon Resources

http://www.csulb.edu/~mbrenner/• The first attempts at a rough determination of wind

flow above ground level is believed to have been made in 1809 by Thomas Forster who observed the drift of small free (unteathered) balloons filled with "inflammable gas“

• It was not until December 1873 or 1874, however, that the first instrumental measurements of the track of a large free balloon for the determination of the wind was made by Paul Schreiber.

• In 1885 Schreiber again made such a measurement, using two surveying theodolites on a 5km baseline, and reported the results in detail.

• In the following years similar measurements were made by other workers. In 1893 Kremser tried to determine the height of balloons by telescope measurement of their apparent diameter.

• In 1903 H. Hergesell showed how the rate of ascent was related to the free lift and the weight of rubber balloons. With a predictable ascent rate available, wind measurements using pilot balloons began to be made systematically

Method: 1. Theodolite is used to track the

balloon in azimuth and elevation angle (2 people)

2. If ascent rate (vertical location) of balloon is known, then the two angles are sufficient to calculate the 3D position of the balloon in space.

3. Thus wind speed as a function of height is known assuming the balloon is advected with the wind.

What are the advantages and disadvantages of this method?

PIBALL Advantages:Low costSimple to use (training required)Many measurements possiblePIBALL Disadvantages:Two observers requiredWeather sensitive (low cloud)Sensitive to errors: e.g. observer

error, ascent rate assumptionAdvent of radiosondes reduced use

of piball network, especially after the 1990s.

Radiosonde Advantages:Temperature and humidity

information in addition to windsAccuracy in winds and height

informationOnly one operator required.Weather insensitive (icing).Radiosonde Disadvantages:Expensive! (800$ each and

expensive ground station required)

• Temperature: The temperature sensor is a metallic rod. The resistance of the rod changes as a function of temperature.

• The humidity sensor is comprised of a heated twin, thin film capacitor. Capacitance of the sensors is changed as they absorb and diffuse water vapor. The sensor is comprised of twin sensors to prevent ice build up (switched heating).

• The GPS sensor is used to find wind speed and direction.

Vaisala Radiosonde RS92

Errors in the relative humidity measurements

The cause of this radiation error is most likely solar heating of the sensor, which as a result will report a lower relative humidity. This radiation error is larger than that for the RS80 because of the absence of a protective cap, which had been part of the RS80 humidity sensor (Vomel et al. 2007).

DATA USED: Temperatura, vento(umidità ancora in fase sperimentale)

Problemi con i satelliti1.Struttura verticale

dell'atmosfera2. Misure non assolute

3. Informazioni incerte sulla terra

Un fattore cruciale nel miglioramento delle previsioni è la crescente disponibiltà di misure da satelliti

In 2008 at ECMWF, ~ 6% di tutte le misure disponibili erano da satellite (18 dei 300 milioni di dati) sono usate giornalmente .

L'uso dei DATI

Scopo Tutti i dati raccolti nel mondo sono

riuniti in pochi centri internazionali Tutte queste fonti di dati molto diversi

tra loro sono inglobati all'interno dei modelli di previsione

I dati “cattivi” sono rigettati attraverso un processo di controllo di qualità

Il risultato di questo processo e' la conoscenza dello stato attuale dell'atmosfera

Questo processo occupa lo stesso tempo come quello impiegato per produrre una previsione

Ma e’ MOLTO importante!!!

observations

Data assimilation system

Meteorologists!

Errori nei modelli

Quanto tempo prima possiamo predirre con accuratezza un evento meteo?

La predicibilità e' limitata dal “caos”! Piccoli errori possono crescere in enormi differenze di

previsione

L'effetto farfalla

Chaos!

Chaos!

See for example Galton's board or Lorenz Applet

: observed position (every

24h).

: observed position (every 24h).

Hurricane track forecasts in 2004/05

Soluzione: produci molte previsioni partendo da condizioni iniziali leggermente

differenti e vedi dove ti portano

predictablecase

La previsione 24 ore prima per la Barcolana

L

LL

L

La previsione 24 ore prima per la Barcolana

144 hour forecasts for Europe for the Barcolana

ALTA

BASSA

144 hour forecasts for Europe for the Barcolana

Perche' e cosi difficile fare le previsioni per Trieste?

Topografia!

This is why small scale local models interpreted by meteorologists with local knowledge can still add value to models.

Thank you – Any questions?