‏ Dr. Adrian Tompkins Che tempo farà domani? Dati, modelli meteorologici e recenti eventi atmosferici nel Golfo di Trieste Grazie a: OSMER e ECMWF.

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1 ‏ Dr. Adrian Tompkins Che tempo farà domani? Dati, modelli meteorologici e recenti eventi atmosferici nel Golfo di Trieste Grazie a: OSMER e ECMWF

2 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

3 Storia: I metodi tradizionali per le previsioni del tempo Comportamento del gatto: previsioni a breve termine... Numero di bacche : previsoni stagionali

4 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

5 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

6 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

7 Ma cosa sono le equazioni e a cosa servono? Attrito Gravità

8 Ma cosa sono le equazioni e a cosa servono? Attrito Gravità

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

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

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

12 Quindi risolviamo le equazioni per “scatole” di aria Temperatura, vento, nubi umidita' come media in ciascuna scatola

13 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

14 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!

15 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...

16 ...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.

17 ...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.

18 Eniac : Il primo computer digitale 1946 1000 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!

19 Quanto sono grandi le scatole di aria impiegate nel modelli previsionali moderni? Temperatura, vento, nubi umidita'

20 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 Calculation250,000 Calculations

21 Ma quanto sono grandi queste scatole? Temperatura, vento, nubi umidita' Modelli Climatici

22 Ma quanto sono grandi queste scatole? Temperatura, vento, nubi umidita' Modelli Globali per previsione del tempo

23 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

24 Un Esempio SatelliteModello

25 Problema alle condizioni iniziali Adesso Dopo

26 Il sistema di telecomunicazione globale

27 Misure: Pressione, umidità, temperatura, vento, radiazione

28 Radiosondaggi: temperatura, umidita', vento Molto costose: poche ma di grande impatto per la qualità della previsone 2007 Ghana

29 Spot the Difference!

30 History of PIBALL Martin 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

31 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?

32 PIBALL Advantages: Low cost Simple to use (training required) Many measurements possible PIBALL Disadvantages: Two observers required Weather sensitive (low cloud) Sensitive to errors: e.g. observer error, ascent rate assumption Advent of radiosondes reduced use of piball network, especially after the 1990s. Radiosonde Advantages: Temperature and humidity information in addition to winds Accuracy in winds and height information Only one operator required. Weather insensitive (icing). Radiosonde Disadvantages: Expensive! (800$ each and expensive ground station required)

33 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

34 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).

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

36 Problemi con i satelliti 1.Struttura verticale dell'atmosfera 2. Misure non assolute 3. Informazioni incerte sulla terra

37 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.

38 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!

39 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

40 Chaos!

41 See for example Galton's board or Lorenz Applet

42 : 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 predictable case

43 La previsione 24 ore prima per la Barcolana

44 L LL L

45 144 hour forecasts for Europe for the Barcolana

46 ALTA BASSA 144 hour forecasts for Europe for the Barcolana

47 Perche' e cosi difficile fare le previsioni per Trieste? Topografia!

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

49 Thank you – Any questions?