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La scienza delle previsioni meteo tra algoritmi e sistemi caotici

Le previsioni del meteo fanno parte della nostra quotidianità e per questo possono apparirci banali. In realtà si tratta di un problema fisico molto complesso, che tiene conto di un enorme quantità di variabili. Imparare a interpretarlo in modo corretto, è fondamentale per poter confidare nelle previsioni anche quando risultano poco attendibili.

3 Giugno 2024
18:30
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La scienza delle previsioni meteo tra algoritmi e sistemi caotici

Previsioni meteo affidabilità

"Il meteo non ci azzecca mai!" è forse una delle frasi più pronunciate, soprattutto in Primavera. Ed è vero, le previsioni del tempo, a volte, sono poco affidabili, soprattutto se a giorni di distanza. Questo fatto, però, deriva da motivazioni ben precise e note ai meteorologi. Il calcolo di come evolveranno temperatura, vento e precipitazioni deve infatti fare i conti con errori di approssimazione dei dati, errori di calcolo, osservazioni probabilistiche ma – soprattutto – con il problema del caos. L'atmosfera è infatti un ambiente fisicamente caotico e basta un battito d'ali per cambiare le sorti del vento, soprattutto in Italia. La nostra penisola infatti è morfologicamente molto complessa, cosa che rende particolarmente difficoltoso prevedere il movimento atmosferico sopra di noi.

Come si prevede il meteo

Guardare il meteo è una delle nostre azioni quotidiane, che sia per scegliere come vestirci la mattina o decidere se andare al mare nel weekend. È un'azione talmente comune da poter far apparire il meteo una questione banale, ma non lo è affatto!

modello matematico meteo
Esempio di equazioni primitive di un modello meteorologico – Fluidodinamica

Le icone che vediamo sulle app e che ci dicono se ci sarà sole, nuvolo, pioggia e la temperatura, sono il risultato di complesse formule matematiche che ci dicono come variano nel tempo e si influenzano tra loro il vento, la pressione, la temperatura e l’umidità, e come questi valori modifichino quello che poi ci interessa, cioè la nuvolosità e quindi anche il sole, e che tipo di precipitazioni ci saranno, se pioggia, grandine, neve o nebbia.

Queste equazioni derivano dalle leggi fisiche che riguardano i fluidi – infatti l’atmosfera è un involucro gassoso, cioè un enorme fluido che scorre intorno a noi – e insieme formano un cosiddetto modello matematico che, una volta risolto, ci dice proprio le previsioni del tempo.

atmosfera gassosa fluido

Il modello matematico da solo, però, non basta. Per risolverlo e scoprire così che tempo ci sarà nei prossimi giorni, è necessario conoscere la situazione meteorologica attuale, cioè i dati. Ma non solo, è necessario un algoritmo per risolverlo!

Per prevedere il tempo di domani, serve quello attuale di tutto il globo

Per poter prevedere il meteo di questa sera, domani o della settimana prossima, è necessario sapere che cosa sta succedendo adesso, cioè vento, umidità, precipitazioni che ci sono adesso, le cosiddette condizioni iniziali. Va considerato però che  il meteo in uno specifico luogo è influenzato da quello che succede nelle regioni limitrofe, che a loro volta sono influenzate da altre regioni ancora. Insomma, è necessario il meteo attuale di tutto il globo. Viene quindi generato un reticolo tridimensionale della superficie del globo e si misura il meteo “solo” nei punti del reticolo attraverso stazioni meteorologiche, palloni sonda e satelliti.

Immagine
Credit: Wetterzentrale

Questo significa avere dati parziali del globo, il reticolo infatti non potrà mai ricoprire ogni singolo punto della Terra. Si tratta quindi di un'approssimazione, il che significa che i calcoli per le previsioni partono già con un errore dovuto ai dati, e non sarà l'unico!

Gli algoritmi approssimano le leggi fisiche

Non tutte le equazioni fisiche possono essere risolte esattamente e vengono approssimate tramite degli algoritmi che più o meno brutalmente cercano di avvicinarsi alla soluzione. Inoltre si tratta di conti pesanti che impiegano molto tempo, mentre le previsioni vengono fatte in tempo reale, quindi per renderle subito fruibili, i calcoli vengono interrotti quando sono considerati abbastanza corretti. Si tratta di un'ulteriore approssimazione, che va a sommarsi a quella relativa ai dati iniziali.

Dalle previsioni globali a quelle locali

Come abbiamo accennato, le previsioni del meteo in qualsiasi luogo partono da dati globali inseriti in modelli meteorologici globali. I due principali modelli sono l’Integrated Forecasting System – IFS – che è usato dal Centro Meteorologico Europeo ECMWF – e il Global Forecasting System – GFS – utilizzato invece dal centro meteorologico degli stati uniti NOAA, che differiscono sostanzialmente sul reticolato e sull’algoritmo utilizzati per risolvere le equazioni. Questi sistemi forniscono previsioni di 10/15 giorni ogni 6 ore e hanno una risoluzione di 25 e 28 km.

Differenza di precisione spaziale tra reticolo globale e locale
Differenza di precisione spaziale tra reticolo globale e locale

I dati dei modelli globali vengono poi utilizzati come punto di partenza per i modelli meteorologici locali, detti LAM, e ne esistono tantissimi, ogni centro meteorologico ne usa uno diverso.
I LAM hanno una risoluzione di pochi chilometri, ma questa precisione spaziale si paga in precisione temporale: le previsioni locali hanno un orizzonte temporale più basso di quelle globali, anche perché nel passaggio dalla grande griglia dei modelli globali a quella più fitta dei modelli locali si introduce un ulteriore errore. Calcolando i GCM – infatti – produciamo un errore ed essendo i LAM calcolati da questi risultati, nel calcolo locale questo errore aumenta in intensità. Per questo motivo, le previsioni sono precise solo per due, massimo tre giorni.

Per quanto riguarda poi le previsioni a lungo termine, arriviamo a considerare il problema principale: quello del caos.

L'atmosfera è un ambiente fisico caotico

Le difficoltà di calcolo si sommano a un vero e proprio problema fisico: una piccola modifica morfologica può portarsi dietro il caos meteorologico. Si pensi per esempio che una frana in montagna può modificare il vento, che a sua volta modifica l'umidità, quindi le precipitazioni, la temperatura, e così via.

grafico meteo
Mappa delle linee di flusso e velocità del vento. Credit: Wetterzentrale

L’atmosfera infatti è un sistema fisicamente caotico, cioè un errore piccolissimo iniziale – il battito di ali d'una farfalla – può crescere vertiginosamente nel tempo. E come abbiamo detto, gli errori iniziali e di calcolo sono strutturali in questo tipo di problema.

L'Italia è uno dei paesi meteorologicamente più complessi

L’esempio appena citato ci aiuta a capire perché in Italia le previsioni sono tra le più difficili al mondo. È a causa della sua complessa morfologia: è un paese stretto, lungo, percorso da montagne per tutta la sua lunghezza, circondato su tre lati da tre differenti mari e a nord dalle Alpi. Subisce l’influenza del continente Europeo da nord-ovest, di quello Asiatico da sud-est e di quello Africano da sud. Sono molti i fattori che rendono difficili le previsioni perché le influenzano costantemente e in più direzioni. Insomma, l’atmosfera sopra e attorno a noi è particolarmente caotica.

Cartina morfologica Italia

Gli eventi più brevi e violenti sono i più instabili

C’è da dire poi che più è violento e breve un evento meteorologico – tipo un temporale – meno è prevedibile. I temporali intensi, il vento forte, la grandine, i tornado, sono molto difficili da prevedere con precisione, e questo perché un breve errore iniziale ha un impatto più sostanzioso su questo tipo di eventi. Si può dedurre il loro arrivo, ma stabilire l’ora, il luogo preciso, è complicato, basta un lieve cambiamento atmosferico per cambiare le carte in tavola.

Eventi invece più stabili, quindi più lunghi nel tempo e moderati, sono più facili da prevedere con precisione.

Il meteo a giorni di distanza ci dà importanti indicazioni

Quando controlliamo il meteo – vediamo un’unica previsione, quella che ci fornisce il bollettino, ma questa è in verità il risultato di un grande numero di previsioni fatte nello stesso momento a partire da condizioni iniziali leggermente diverse, proprio perché i meteorologi sanno che le previsioni possono variare molto a causa degli errori che abbiamo detto.

Nei primi giorni le diverse previsioni sono simili, mentre andando avanti iniziano a dare risultati molto diversi. Per questo le previsioni sono affidabili per i primi 2/3 giorni, ma dopo pochi giorni spesso si scende già sotto il 50% di affidabilità.

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Variazione dei diversi modelli meteorologici nel tempo. Credit: Wetterzentrale

Per dare un’unica previsione quindi, si scelgono i dati più frequenti, cioè quelli che nelle diverse previsioni sono stati calcolati più volte. È per questo che a volte le previsioni ci dicono “c’è la probabilità dell’80%” che piova, perché la maggior parte delle simulazioni ha previsto pioggia in quell’orario.
L'affidabilità dipende anche dalle stagioni: in inverno le precipitazioni sono molto più comuni e quindi vengono previste con più attendibilità, così come d’estate il caldo torrido. Nelle mezze stagioni, cioè primavera e autunno, sono più complesse le previsioni perché i valori possono variare molto.

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Maria Bosco
Creator
Sono laureata in Matematica e Ingegneria Matematica, con la grande convinzione che sia possibile rendere la matematica divertente e comprensibile. Ex-pallanuotista, amante dello sport, dopo aver lavorato nella consulenza informatica, in piena crisi dei trent’anni sono finita a lavorare in televisione per poi finalmente approdare in Geopop.
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