La magia dell insegnare scienze: "Si può prevedere il Futuro?

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1 La magia dell insegnare scienze: "Si può prevedere il Futuro? L'imprevedibile viaggio matematico e storico che ci permette di portare con noi l'ombrello solo quando

2 14 novembre 1854 Urbain Le Verrier

3 Robert Fitzroy e il primo bollettino meteorologico sul Times 1 agosto 1861

4 Isaac Cline Uragano di Galveston 8 settembre 1900

5 Isaac Cline Uragano di Galveston 8 settembre 1900

6 Isaac Cline Uragano di Galveston 8 settembre 1900

7 «Weather forecasting as a problem in mechanics and physics» 1904 Vilhelm Bjerknes Una volta determinato lo stato iniziale dell atmosfera è possibile prevederne il comportamento futuro (= prevedere il tempo) utilizzando le leggi della fluidodinamica e della termodinamica.

8 21 Agosto 2017

9 21 Agosto 2017

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11 Le 6 equazioni primitive per la previsione meteorologica Dinamica (F=ma) - Equazioni di Navier -Stokes Conservazione dell energia Conservazione della massa (eq di continuità) Eq. di stato dei gas (pv=nrt) Eq. Idrostatica (variazione pressione e densità aria con la quota) Eq. del vapore acqueo (passaggi di stato)

12 EQUAZIONI DI NAVIER-STOKES du dt + ( uvtgφ a + uw a ) 2Ωvsenφ + 2Ωw cosϕ = 1 ρ p x + F x dv dt + u ( 2 tgϕ a + vw a ) + 2Ωusenϕ = 1 ρ p y + F y dw dt + ( u 2 + a v 2 ) 2Ωucosϕ = 1 ρ p z g + F z Sistema di equazioni differenziali alle derivate parziali equazioni non lineari - sistema non risolvibile analiticamente Necessarie semplificazioni, parametrizzazioni, risoluzione numerica-discretizzazione Soluzione approssimata in ogni caso si introducono degli errori!

13 . L atmosfera viene divisa in blocchi (grigliato) ECMWF 2010 risoluzione di 16 km 91 livelli verticali celle Su ogni cella vengono risolte le equazioni del moto Maggiore è il numero di celle (maggiore è la risoluzione del modello), maggiore è l accuratezza della previsione. Minori sono le semplificazioni delle equazioni e migliori le parametrizzazioni (servono a descrivere i fenomeni che avvengono su scale inferiori alla risoluzione del modello), maggiore è l accuratezza della previsione..ma aumentano i tempi di calcolo.

14 Lewis Fry Richardson - Weather Prediction by Numerical Processes (1922)

15 Lewis Fry Richardson - Weather Prediction by Numerical Processes (1922) Le equazioni vengono discretizzate risolvendole sui punti di un grigliato e vengono risolte utilizzando lo schema delle differenze finite e l analisi spettrale Previsione della variazione di pressione a 6 ore su un grigliato di 25 celle di 250 km di lato. Tempo di calcolo: 6 settimane Risultato: previsione sbagliata

16 4 aprile Prima previsione meteorologica numerica (Charney e Von Neumann) Computer ENIAC valvole termoioniche 1500 relais Peso: 30 tonnellate su 180 mq operazioni al secondo 33 giorni e 33 notti per programmarlo (a schede perforate) Da questo momento lo sviluppo delle previsioni del tempo (NWP) va di pari passo con lo sviluppo di computer sempre più potenti 1979 CRAY 1A 160 milioni di operazioni al secondo Previsione a 10 giorni in 5 ore Memoria 9.7 Gigabyte

17 OGGI Cheyenne (USA), nuovo centro di supercalcolo NCAR, supercalcolatore Ibm Yellowstone, 1,5 milioni di miliardi di operazioni al secondo Meteofrance 1 Petaflop Ecmwf 3.6 Petaflop Metoffice 16 Petaflop

18 «Può il battito d ali di una farfalla in Brasile scatenare un tornado in Texas?» Edward Lorenz 1979 Dipendenza dalle condizioni iniziali dei sistemi non lineari (caotici): variazioni infinitesime delle condizioni iniziali danno luogo a grandi variazioni nel comportamento a lungo termine del sistema Stato iniziale dell atmosfera approssimato LIMITE DI PREDICIBILITA

19 Circa osservazioni terrestri e da navi

20 ma anche radiosonde (fino a 40 km), aerei, boe oceanografiche + dati da satellite

21 Osservazioni disomogenee, frammentarie e asincrone + Dati da satellite (radianza) non convenzionali ASSIMILAZIONEE Ricostruzione dello stato iniziale dell atmosfera (sul grigliato del modello) tramite avanzate tecniche matematiche e statistiche (Analisi variazionale in 3 o 4 dimensioni, 3DVAR-4DVAR) E la parte più complicata e «pesante» di un modello meteorologico, effettuabile solo in pochi centri di calcolo (ECMWF, METOFFICE, NOAA, DWD, METEOFRANCE) SI OTTIENE UNO STATO INIZIALE DELL ATMOSFERA APPROSSIMATO

22 APPROCCIO DETERMINISTICO APPROCCIO PROBABILISTICO 1 STATO INIZIALE 1 STATO FINALE N STATI INIZIALI N STATI FINALI

23 IERI

24 OGGI

25 DOMANI

26 MARTEDI (5 GIORNI)

27 VENERDI (7 GIORNI)

28 DOMENICA (10 GIORNI)

29 VENERDI 29 (15 GIORNI)

30 VENERDI 29 SETTEMBRE MEDIA

31 «WEATHER IS WHAT YOU GET CLIMATE IS WHAT YOU EXPECT»

32 «NORMALE» vs «ECCEZIONALE» Tmed ( ) 22.3 C Temperatura media estiva a Torino

33 «NORMALE» vs «ECCEZIONALE» Temperatura media estiva a Torino Tmed ( ) 22.3 C C

34 «NORMALE» vs «ECCEZIONALE» Temperatura media estiva a Torino Tmed ( ) 22.3 C C

35 «NORMALE» vs «ECCEZIONALE» Temperatura media estiva a Torino Tmed ( ) 22.3 C C C

36 «NORMALE» vs «ECCEZIONALE» Temperatura media estiva a Torino Tmed ( ) 22.3 C C C

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40 Tmed ( ) 22.3 C Tmed ( ) 23.3 C Temperatura media estiva a Torino

41 Tmed ( ) 22.3 C Temperatura media estiva a Torino C Tmed ( ) 23.3 C C

42 «WEATHER IS WHAT YOU GET CLIMATE IS WHAT YOU EXPECT»

43 Il clima, un sistema complesso

44 Il clima, un sistema complesso

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46 RISOLUZIONE (modelli climatici) MODELLI GLOBALI km MODELLI LOCALI km RISOLUZIONE (modelli meteo) MODELLI GLOBALI km MODELLI LOCALI 2-10 km NOAA Weather & Climate 2x 2.86 PetaFlop

47 RISOLUZIONE (modelli climatici) MODELLI GLOBALI km MODELLI LOCALI km RISOLUZIONE (modelli meteo) MODELLI GLOBALI km MODELLI LOCALI 2-10 km NOAA Weather & Climate 2x 2.86 PetaFlop

48 Syukuro Manabe 1967: prima previsione numerica del riscaldamento globale.

49 All Forcings Solo quando si considera l effetto dei gas serra da attivita umane si riesce a riprodurre il riscaldamento degli ultimi 50 anni Natural Forcings

50 All Figures IPCC 2013

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53 «Può il battito d ali di una farfalla in Brasile scatenare un tornado in Texas?» Edward Lorenz 1979 Dipendenza dalle condizioni iniziali dei sistemi non lineari (caotici): variazioni infinitesime delle condizioni iniziali danno luogo a grandi variazioni nel comportamento a lungo termine del sistema Stato iniziale dell atmosfera approssimato LIMITE DI PREDICIBILITA

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58 Variazione della temperatura media dell emisfero nord negli ultimi 1000 anni

59 Febbraio ppm

60 Il clima, un sistema complesso

61 MODELLI

62 Il clima, un sistema complesso

63 All Figures IPCC 2013

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65 Fusione ghiacciai + dilatazione termica acqua = aumento livelli marini Tra il 1901 e il 2010: tra 17 e 21 cm A fine secolo cm nello scenario peggiore

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68 Venezia: numero annuo maree > 110 cm

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70 Il clima, un sistema complesso