Il modello europeo ECMWF: un vero mostro del calcolo numerico fisico-matematico

ECMWF sta per "European Center Medium Weather Forecast", cioè, appunto, "Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine". ECMWF è conosciuto in tutto il mondo come il modello che fornisce le più accurate previsioni meteorologiche globali

E' una Organizzazione Intergovernativa indipendente, con sede a Reading (UK) supportata da 20 Stati membri europei e 14 Stati cooperativi. L’Italia (con le nostre tasse, non dimentichiamolo) è uno dei principali contributori.

Leader mondiale nel settore delle previsioni meteorologiche a medio temine (fino a due settimane) su scala planetaria, ha come ruolo quello di mettere a disposizione dei paesi membri sia i modelli di previsione, ma anche di sviluppare software, sistemi e tools di ausilio operativo e di ricerca, che spesso si fanno pagare molto caro.

Per questo abbiamo rimarcato l'essere finanziato con le nostre tasse in quanto a differenza del modello americano GFS poco o nulla viene fornito "in chiaro". Una politica rispetto alla quale siamo fortemente contrari, essendo legati al mondo dell'Open Source. Tanto più che si regge con i soldi dei contribuenti. Finalmente dal 7 Ottobre 2020 vengono messe a disposizione tutte le mappe (ma non i file grib, necessari ad esempio per inizializzare i LAM. Eh no, quelli se li fanno pagare a caro prezzo...)

Polemiche a parte, si tratta davvero dello stato dell'arte nel mondo della modellistica numerica meteorologica. ECMWF è stato fondato nel 1975, nel riconoscimento della necessità di mettere a disposizione le risorse scientifiche e tecniche dei servizi e delle istituzioni meteorologici europei per la produzione di previsioni del tempo a medio raggio. Nel Centro lavorano 160 collaboratori e 70 consulenti provenienti dagli Stati membri e dagli Stati cooperativi.I principali obiettivi di ECMWF sono:lo sviluppo dei metodi numerici per le previsioni meteorologiche a medio raggio;la preparazione delle previsioni meteorologiche a medio raggio per la distribuzione agli Stati membri;la ricerca scientifica e tecnica rivolta al miglioramento di queste previsioni;la raccolta e la conservazione dei dati meteorologici.

Al momento in cui scriviamo ECMWF è implementato in supercomputer che attualmente occupano il 46° posto tra quelli più potenti al mondo. I numeri sono impressionanti: al 2016 il sistema è composto da un cluster di computer di 3505 nodi, per una capacità di calcolo di fino a 3593 Teraflop. Un mostro del calcolo numerico in cui ogni singolo computer monta 64 GB di RAM, con 2 CPU Intel E5-2697v2 "Ivy Bridge" (con 12 cores per CPU ad una frequenza di clock di 2.7GHz).

Il modello ECMWF utilizza due diverse rappresentazioni numeriche dei campi globali:

- Calcolo Spettrale, sulla base di una espansione di armoniche sferiche, troncate in un particolare numero d'onda, ad esempio T1279 per identificare come troncamento l'onda numero 1279. Questa rappresentazione è utilizzata nel modello per calcolare alcune derivate ​​orizzontali e per i calcoli impliciti.

- Griglia Gaussiana ridotta. Una griglia quasi regolare in longitudine e latitudine (Hortal e Simmons, 1991). La griglia gaussiana standard ha lo svantaggio che la distanza est-ovest tra i punti della griglia si riduce verso i poli. Per evitare alcuni problemi numerici intorno a questi e per risparmiare tempo di calcolo, nel 1991 è stata introdotta la griglia gaussiana ridotta, che riduce il numero di punti della griglia lungo le linee di latitudine più corte vicino ai poli, in modo da mantenere la separazione est-ovest tra i punti su differenti latitudini quasi costante. Questa griglia viene utilizzata nel modello per il calcolo dei termini avvezione e le tendenze di alcuni parametri fisici.

I livelli verticali sono 137, suddividendo l'atmosfera in tanti strati fino alla quota di pressione 0,01 hPa. La risoluzione orizzontale, T1279, corrisponde a circa 16 km alle nostre latitudini, ma dal Marzo 2016 è stato implementato un nuovo ciclo che riduce la spaziatura della griglia orizzontale per le previsioni ad alta risoluzione da 16 km a soli 9 km. Sempre con 2 corse giornaliere (00Z e 12Z).

Per le previsioni Ensemble, che descrivono la gamma di possibili scenari del tempo e la loro probabilità nel verificarsi, di solito si usa il doppio della spaziatura della griglia delle previsioni ad alta risoluzione. Pertanto attualmente la risoluzione è di 18 km fino al giorno 15 e 36 km per i giorni di forecast successivi.

Anche l'assimilazione delle osservazioni meteorologiche nel sistema di previsione è stata migliorato. Ciò consente una migliore valutazione dello stato attuale dell'atmosfera utilizzato per inizializzare la corsa del modello stesso. Ulteriori approfondimenti disponibili a questo link.

Qui invece alcuni nostri approfondimenti sulla risoluzione orizzontale nei modelli numerici, mentre le poche mappe in chiaro disponibili e rielaborate da noi le potete consultare seguendo questo link delle mappe ECMWF. Infine, qui per verificare le performances dei modelli.