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PROGETTO FINALIZZATO CAMBIAMENTI CLIMATICI E AGRICOLTURA "CLIMAGRI"

SOTTOPROGETTO 4: Informazione e divulgazione dati

TEMATICA 4.2:

Potenziamento della modellistica meteorologica ad area limitata finalizzata alla previsione agrometeorologica operante in ambito MiPAF

Responsabile della ricerca : Dott. Andrea Buzzi - Istituto Scienze dell'Atmosfera e del Clima (ISAC-CNR) Via Gobetti, 101-40129 Bologna

FINALITA' DELLA RICERCA

L'attività che viene attualmente condotta in ambito MiPA nel settore della modellistica meteorologica, finalizzata alla previsione fino a 3 giorni dei parametri di interesse agrometeorologico sul territorio nazionale, si fonda su codici di simulazione e procedure che, messi a punto da circa una decina di anni, richiedono un sostanziale aggiornamento e avanzamento, per tenere il passo con le accresciute esigenze di qualità e dettaglio della previsione meteorologica, apportando i miglioramenti tecnico/scientifici consentiti dai risultati della ricerca e dalle risorse disponibili nel settore del calcolo numerico. Considerando in particolare i progressi  intervenuti negli ultimi anni in termini di qualità intrinseca e risoluzione spaziale potenziale dei dati di ingresso alla modellistica ad area limitata (provenienti dal Centro Europeo di Previsione a Medio Termine di Reading), il considerevole incremento nella potenza di calcolo disponibile, e soprattutto il miglioramento delle tecniche di modellistica meteorologica apportato dalla ricerca nel settore, in termini di maggiore efficienza dei metodi numerici di integrazione modelli e di maggiore accuratezza nel descrivere la complessità di processi fisici che intervengono nell'evoluzione meteorologica, appare possibile apportare considerevoli miglioramenti all'attività previsionale, mettendo a frutto le potenzialità  sopra menzionate.

La ricerca a livello internazionale si è rivolta in questi ultimi anni al miglioramento dei modelli a mesoscala, atti a descrivere fenomeni meteorologici che possiedono scale spaziali dell'ordine o anche inferiori a qualche km, quali ad esempio i sistemi precipitanti di natura convettiva o sistemi di circolazione indotti dall'orografia. Sono stati o sono in corso di elaborazione, tra l'altro, nuovi schemi che descrivono in maniera esplicita i processi microfisici di formazione e trasformazione delle diverse idrometeore che caratterizzano il ciclo dell'acqua in atmosfera,  i processi di scambio con la superficie terrestre, tenendo conto degli effetti della vegetazione e delle proprietà dei suoli. Nel contempo si sono affinate le tecniche numeriche, quali gli schemi di avvezione, di integrazione temporale, di nesting, quest'ultimo finalizzato ad ottenere risoluzioni spaziali elevate su aree ristrette. 

Lo scopo della presente linea di ricerca è pertanto quello di introdurre sostanziali avanzamenti nella qualità e dettaglio della previsione meteorologica a breve termine sul territorio nazionale, finalizzata ad applicazioni agricole, consentendo in particolare un  miglioramento della previsione dei parametri meteorologici presso il suolo (temperatura massima e minima, vento, precipitazione, umidità, radiazione), utilizzando al meglio i dati forniti dal ECMWF.  Si intende perseguire lo scopo apprestando nuovi strumenti modellistici, che consentano di migliorare i diversi stadi della catena operativa e di operare a risoluzioni spaziali almeno doppie rispetto all'attuale.

 

DESCRIZIONE DELLA RICERCA ARTICOLATA NEI TRE ANNI

Gli aspetti principali della ricerca triennale riguarderanno i seguenti aspetti:

·        Aggiornamento delle procedure di elaborazione e assimilazione dei dati di ingresso al modello, al fine di sfruttare l'incremento di risoluzione delle analisi e previsioni ECMWF disponibili. Attualmente in DALAM vengono utilizzati campi ECMWF su livelli di pressione standard e con risoluzione orizzontale di 0.5x0.5 gradi. Gli sviluppi proposti devono consentire l'utilizzo  di livelli originali ibridi (ad oggi il modello ECMWF ne utilizza 60) e con risoluzione spaziale che possa essere dell'ordine di quella nominale (ad oggi di circa 40 km).

·        Sviluppo di uno schema avanzato per il calcolo dei bilancio energetico ed idrico superficiale che tenga conto della fisiografia del suolo e della copertura vegetativa, al fine di migliorare la previsione dei parametri presso il suolo e della precipitazione. Tale  schema è inteso a migliorare la descrizione dei flussi di calore e umidità, per permettere un raffinamento della modellistica dello strato superficiale in funzione delle caratteristiche della superficie terrestre e del sottosuolo, fino ad alcuni metri di profondità.

·        Implementazione di schemi più efficienti di integrazione temporale, in particolare per quanto riguarda l'integrazione delle componenti di gravità nelle equazioni del moto e i termini avvettivi, e definizione di un nuovo schema di griglia in coordinate geografiche ruotate, che minimizza l'anisotropia della griglia.

·        Implementazione e validazione di uno schema di precipitazione basato su una trattazione esplicita di processi  microfisici delle nubi a complessità intermedia, adatto cioè a modelli operanti a risoluzione inferiore ai cloud models. Lo schema si basa  sul trattamento esplicito di 5 diverse specie di idrometeore (acqua e ghiaccio di nube, pioggia, neve, graupel/grandine), al fine di migliorare la descrizione del ciclo dell'acqua in atmosfera.

·        Implementazione e validazione di uno schema di convezione adatto a modelli a mesoscala, che consenta l'interazione con lo schema di microfisica esplicita, tramite scambio di idrometeore. Si propone di utilizzare lo schema di Kain-Fritsch.

·        Miglioramento dell'attuale schema di diffusione turbolenta superficiale e nello strato limite, sia sul mare che sulla terra.

·        Studio e implementazione di tecniche di "nesting" simultaneo, al fine di conseguire elevate risoluzioni spaziali su sotto-aree di particolare interesse con migliore efficienza computazionale.

Le fasi di validazione avverranno sulla base dell'effettuazione di casi test di previsione, confrontando di volta in volta i risultati con quelli ottenuti dall'attuale modello DALAM e con i dati osservativi a disposizione. SI prevede inoltre una validazione su periodo esteso soprattutto ai fini della messa a punto del modello di suolo.

 

OBIETTIVO DEL PRIMO ANNO

·        Aggiornamento delle procedure di elaborazione e assimilazione dei dati di ingresso al modello. I dati di input attualmente utilizzati sono riferiti ad un numero limitato di livelli atmosferici  definiti a pressione costante. Per un più adeguato sfruttamento della risoluzione originale consentita dai prodotti ECMWF, necessaria al fine di inizializzare una previsione ad elevata risoluzione, è necessario utilizzare il maggior numero possibile di livelli verticali, in coordinate "ibride", su cui sono definiti i campi meteorologici nel modello ECMWF, tenendo conto anche delle variazioni dei formati e dei campi disponibili intervenute nel tempo. A tale proposito, appare inoltre necessario rivedere il trattamento dei dati di superficie e dei livelli di suolo. Si effettuerà una revisione generale dei codici che definiscono il set di dati di input contenente le condizioni iniziali e quelle ai contorni dell'area di integrazione.

·        Sviluppo di uno schema avanzato per il calcolo dei bilancio energetico ed idrico superficiale, che tenga conto della fisiografia del suolo e della copertura vegetativa. Ai fini di un miglioramento della previsione delle variabili meteorologiche locali presso il suolo (temperatura dell'aria a 2 metri e del suolo, incluse massima e minima, umidità dell'aria e contenuto idrico del suolo, vento a 10 metri) nonché della precipitazione, in particolare quella convettiva, è necessario introdurre informazioni sulle caratteristiche fisiche del suolo e sulla eventuale vegetazione presente. Si prevede pertanto di elaborare un modello di scambi energetici e di massa tra l'atmosfera e il suolo che tenga conto della variabilità spaziale e stagionale dei suoli e delle caratteristiche della vegetazione. Questa parte della ricerca, direttamente attinente ad aspetti agrometeorologici, sarà svolta in stretta collaborazione con l'UCEA. Nel corso del primo anno si prevede la scelta del modello fisico e dei processi da implementare, una formulazione parziale dello schema (soprattutto per quanto riguarda la parte non attinente alla vegetazione) e l'acquisizione dei set di dati necessari.

·        Sviluppo di schemi più efficienti di integrazione temporale e definizione di un nuovo schema di griglia in coordinate geografiche ruotate.  L'elevata risoluzione orizzontale (all'incirca di 15-5 km di passo di griglia nelle configurazioni con nesting) e verticale (40-50 livelli), necessaria per una più accurata descrizione dei fenomeni precipitanti, impone un miglioramento della efficienza computazionale e del trattamento delle onde di gravità. Pertanto lo schema semi-implicito attuale verrà sostituito da uno schema "split-explicit", che consente un riduzione consistente sia dei tempi di calcolo che dell'occupazione di memoria. La rotazione della griglia consente un ulteriore aumento del passo temporale evitando l'accumulo di punti verso i poli. Infine, lo schema avvettivo verrà implementato mediante la tecnica di forward-backward  di Malguzzi e Tartaglione (1999).

BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE

*  Kain, J.S., and J.M. Fritsch, 1993: Convective parameterization for mesoscale models: The Kain-Fritsch scheme. The Representation of Cumulus in numerical models, Meteor. Monogr., 46, Amer. Meteor., Soc., 165-177.

*  Malguzzi, P. and N. Tartaglione, 1999: An economical second order advection scheme for explicit numerical weather prediction. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 125, 2291-2303.  

DOCUMENTI

* L'evoluzione dei modelli previsionali a breve scadenza- Workshop 7-8 Marzo

* Relazione I° Anno

* Potenziamento della modellistica meteorologica ad area limitata finalizzata alla previsione agrometeorologica operante in ambito MiPAF - Workshop Cagliari 16-17 Gennaio 2003.

* Scheda informativa sull'attività al 30/04/2003

* Relazione II° Anno

 

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