Guida completa ai modelli meteorologici

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Guida completa ai modelli meteorologici

Messaggio Da ale90 il Ven Lug 29, 2016 8:24 pm

Apro questo nuovo 3D dove passo con passo scriverò un piccola, ma completa guida per l' utilizzo dei modelli meteorologici. Wink

Si tratta di una bozza, una volta completa sarà pubblicata in home Wink
gran parte di questi sono presi da appunti dell' ISAC-CNR

Iniziamo con alcuni appunti di storia sulla nascita e l' evoluzione dei modelli meteorologici  


La previsione meteorologica numerica è una disciplina recente che si è sviluppata nel corso della seconda metà del 1900, beneficiando del costante progresso nel campo del calcolo per la risoluzione delle equazioni differenziali e grazie allo sviluppo di supercomputer sempre più potenti e veloci.

La storia della previsione numerica è stata contrassegnata da alcune tappe fondamentali, decisive per l’evoluzione di questa disciplina, che sono brevemente ricordate qui sotto.

1904: è possibile prevedere l' evoluzione atmosferica

Vilhelm Bjerknes, fisico e meteorologo norvegese, nel 1904 intuì che, una volta determinato lo stato iniziale dell’atmosfera, sarebbe stato possibile prevederne il comportamento futuro utilizzando le leggi della fluidodinamica e della termodinamica (“Weather forecasting as a problem in mechanics and physics”
in Meteorologische Zeitschrift).

Riconosce quindi che la previsione del tempo è un problema deterministico ai valori iniziali che richiede:
- la conoscenza con sufficiente precisione dello stato dell’atmosfera ad un certo istante;
- la conoscenza con sufficiente precisione delle leggi che governano l’evoluzione temporale degli stati dell'atmosfera.

1916-22: il primo tentativo di previsione numerica

Lewis Fry Richardson fu il primo a tentare di applicare i metodi del calcolo numerico per risolvere le equazioni della previsione del tempo, occupandosi di un caso di studio su una porzione limitata d'Europa, in cui era stata organizzata
una fitta (per l'epoca) rete di osservazioni (approccio matematico alla previsione meteo).

L’esperimentò fallì, perché in assenza di calcolatori elettronici non era possibile risolvere in tempo utile l’enorme quantità di calcoli richiesta per la previsione (problema che verrà risolto 30 anni più tardi) e perché i metodi numerici
nascondevano un errore che generava instabilità numerica.

La previsione a 6 ore che venne prodotta si rivelò clamorosamente sbagliata e irrealistica.

1928: il criterio CFL per la stabilità delle soluzioni numeriche

I matematici Courant, Friedrichs e Lewy studiarono nel 1928 in modo sistematico la maniera di approssimare le equazioni differenziali con i metodi alle differenze finite, determinando i criteri che devono essere
soddisfatti per ottenere soluzioni stabili delle equazioni.

Ciò portò alla formulazione noto criterio CFL per la stabilità delle soluzioni numeriche

1950: i primi successi e l' evoluzione dei supercomputer

Jule Gregory Charney assieme a Ragnar Fjörtoft e John von Neumann nel 1950 realizzò con successo la prima previsione del tempo (altezza geopotenziale a 500 hPa), effettuando i calcoli sul calcolatore a valvole ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Computer), di proprietà dell’esercito e installato ad Aberdeen (Maryland,USA), lo stesso che venne impiegato per lo sviluppo del progetto Manhattan sulla bomba atomica.

Fu utilizzato un modello barotropico (1 livello), integrando l’equazione della vorticità quasi geostrofica (al posto delle equazioni complete del moto), definita da Charney due anni prima (anche grazie ai lavori precedenti di Rossby e altri)
Questa equazione ha il vantaggio di essere più semplice e di non contenere, tra le possibile soluzioni, le onde sonore e quelle di gravità.
Essa rappresenta una discreta approssimazione per i moti atmosferici a scala sinottica nella media troposfera.


... continua

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Re: Guida completa ai modelli meteorologici

Messaggio Da ale90 il Sab Lug 30, 2016 8:10 pm

... Alcuni appunti che riscriverò nei prossimi giorni...


1940-1950: La scoperta delle onde di Rossby e l' effetto farfalla

Negli anni ‘40 lo scienziato svedese Carl Gustav Arvid Rossby,elaborò le teorie sulle onde lunghe atmosferiche, per le quali in primo luogo è ricordato, dette «Onde di Rossby». Il suo ruolo fu determinante anche nello sviluppo delle equazioni per la previsione numerica del tempo.

Edward Norton Lorenz il cui nome è indissolubilmente legato all’ elaborazione della teoria del caos e alla teoria del cosiddetto "effetto farfalla", ovvero piccole variazioni delle condizioni iniziali causano due evoluzioni atmosferiche molto differenti, questa differenza tende ad aumentare se andiamo a considerare tempi sempre maggiori.
Le teorie di Lorenz hanno poi portato all' elaborazione delle ensemble e delle previsioni probabilistiche.

Dal 1950 ad oggi...

-I progressi dei modelli hanno beneficiato dei progressi tecnici nel settore del calcolo e di quelli scientifici del settore della Meteorologia dinamica e numerica.

-il rapporto tra il numero di operazioni effettuato negli attuali modelli globali e quello del primi modelli è di circa 10^9.

- La potenza di calcolo è cresciuta dal 1950 di un fattore di circa 10^10 - 10^11.

- Altrettanto importante è il miglioramento delle osservazioni su scala globale, soprattutto a partire dalla rete di radiosondaggi ad in iniziare dagli anni ’40.

- Di recente sono divenute determinanti le osservazione da satelliti, ma anche da aerei, da boe etc.

- Si è passati dai modelli barotropici ai modelli baroclini multi-livelli (operativi dal 1955), che permettono di descrivere il principale meccanismo alla base dell’insorgenza delle perturbazioni atmosferiche, ossia l’instabilità baroclina.

- Negli anni sessanta Hinkelmann in Germania e Phillips negli USA introducono le equazioni primitive (molto simili a quelle utilizzate da Richardson), più accurate per descrivere i moti atmosferici di scale inferiori ai 1000 km, anche se più costose in termini di tempo di calcolo.

- I modelli diventano globali e si introducono nuove tecniche di soluzione delle equazioni.


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