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