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

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

14 novembre 1854 Urbain Le Verrier

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

Isaac Cline Uragano di Galveston 8 settembre 1900

«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.

21 Agosto 2017

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)

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!

. L atmosfera viene divisa in blocchi (grigliato) ECMWF 2010 risoluzione di 16 km 91 livelli verticali 194.804.064 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.

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

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

4 aprile 1950 - Prima previsione meteorologica numerica (Charney e Von Neumann) Computer ENIAC 180000 valvole termoioniche 1500 relais Peso: 30 tonnellate su 180 mq2 1000 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

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

«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

Circa 35000 osservazioni terrestri e da navi

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

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

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

DOMANI

MARTEDI (5 GIORNI)

VENERDI (7 GIORNI)

DOMENICA (10 GIORNI)

VENERDI 29 (15 GIORNI)

VENERDI 29 SETTEMBRE MEDIA

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

«NORMALE» vs «ECCEZIONALE» Tmed (1961-90) 22.3 C Temperatura media estiva a Torino

«NORMALE» vs «ECCEZIONALE» Temperatura media estiva a Torino Tmed (1961-90) 22.3 C 2003 26.7 C

«NORMALE» vs «ECCEZIONALE» Temperatura media estiva a Torino Tmed (1961-90) 22.3 C 2015 2003 26.7 C

«NORMALE» vs «ECCEZIONALE» Temperatura media estiva a Torino Tmed (1961-90) 22.3 C 2014 22.5 C 2015 2003 26.7 C

Tmed (1961-90) 22.3 C Tmed (1981-10) 23.3 C Temperatura media estiva a Torino

Tmed (1961-90) 22.3 C Temperatura media estiva a Torino 2014 22.5 C Tmed (1981-10) 23.3 C 2015 2003 26.7 C

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

Il clima, un sistema complesso

RISOLUZIONE (modelli climatici) MODELLI GLOBALI 70-200 km MODELLI LOCALI 10-60 km RISOLUZIONE (modelli meteo) MODELLI GLOBALI 15-50 km MODELLI LOCALI 2-10 km NOAA Weather & Climate 2x 2.86 PetaFlop

Syukuro Manabe 1967: prima previsione numerica del riscaldamento globale.

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

All Figures IPCC 2013

«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

Variazione della temperatura media dell emisfero nord negli ultimi 1000 anni

Febbraio 2017 406.42 ppm http://keelingcurve.ucsd.edu/

MODELLI

All Figures IPCC 2013

Fusione ghiacciai + dilatazione termica acqua = aumento livelli marini Tra il 1901 e il 2010: tra 17 e 21 cm A fine secolo 50-90 cm nello scenario peggiore

Venezia: numero annuo maree > 110 cm www.comune.venezia.it