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Ricerca 4.2 PROGETTO FINALIZZATO CAMBIAMENTI CLIMATICI E AGRICOLTURA "CLIMAGRI" SOTTOPROGETTO
4:
Informazione e divulgazione dati Potenziamento della modellistica meteorologica ad area limitata finalizzata alla previsione agrometeorologica operante in ambito MiPAF Responsabile della ricerca : Dott. Andrea Buzzi - Istituto Scienze dell'Atmosfera e del Clima (ISAC–CNR) Via Gobetti, 101-40129 Bologna FINALITA’ DELLA RICERCA L'attività
che viene attualmente condotta in ambito MiPA nel settore della
modellistica meteorologica, finalizzata alla previsione fino a 3 giorni
dei parametri di interesse agrometeorologico sul territorio nazionale, si
fonda su codici di simulazione e procedure che, messi a punto da circa una
decina di anni, richiedono un sostanziale aggiornamento e avanzamento, per
tenere il passo con le accresciute esigenze di qualità e dettaglio della
previsione meteorologica, apportando i miglioramenti tecnico/scientifici
consentiti dai risultati della ricerca e dalle risorse disponibili nel
settore del calcolo numerico. Considerando in particolare i progressi
intervenuti negli ultimi anni in termini di qualità intrinseca e
risoluzione spaziale potenziale dei dati di ingresso alla modellistica ad
area limitata (provenienti dal Centro Europeo di Previsione a Medio
Termine di Reading), il considerevole incremento nella potenza di calcolo
disponibile, e soprattutto il miglioramento delle tecniche di modellistica
meteorologica apportato dalla ricerca nel settore, in termini di maggiore
efficienza dei metodi numerici di integrazione modelli e di maggiore
accuratezza nel descrivere la complessità di processi fisici che
intervengono nell'evoluzione meteorologica, appare possibile apportare
considerevoli miglioramenti all'attività previsionale, mettendo a frutto
le potenzialità sopra
menzionate. La
ricerca a livello internazionale si è rivolta in questi ultimi anni al
miglioramento dei modelli a mesoscala, atti a descrivere fenomeni
meteorologici che possiedono scale spaziali dell'ordine o anche inferiori
a qualche km, quali ad esempio i sistemi precipitanti di natura convettiva
o sistemi di circolazione indotti dall'orografia. Sono stati o sono in
corso di elaborazione, tra l'altro, nuovi schemi che descrivono in maniera
esplicita i processi microfisici di formazione e trasformazione delle
diverse idrometeore che caratterizzano il ciclo dell'acqua in atmosfera, i processi di scambio con la superficie terrestre, tenendo
conto degli effetti della vegetazione e delle proprietà dei suoli. Nel
contempo si sono affinate le tecniche numeriche, quali gli schemi di
avvezione, di integrazione temporale, di nesting,
quest'ultimo finalizzato ad ottenere risoluzioni spaziali elevate su aree
ristrette. Lo
scopo della presente linea di ricerca è pertanto quello di introdurre
sostanziali avanzamenti nella qualità e dettaglio della previsione
meteorologica a breve termine sul territorio nazionale, finalizzata ad
applicazioni agricole, consentendo in particolare un
miglioramento della previsione dei parametri meteorologici presso
il suolo (temperatura massima e minima, vento, precipitazione, umidità,
radiazione), utilizzando al meglio i dati forniti dal ECMWF.
Si intende perseguire lo scopo apprestando nuovi strumenti
modellistici, che consentano di migliorare i diversi stadi della catena
operativa e di operare a risoluzioni spaziali almeno doppie rispetto
all'attuale. DESCRIZIONE
DELLA RICERCA ARTICOLATA NEI TRE ANNI Gli
aspetti principali della ricerca triennale riguarderanno i seguenti
aspetti: ·
Aggiornamento delle procedure di elaborazione e assimilazione dei
dati di ingresso al modello, al fine di sfruttare l'incremento di
risoluzione delle analisi e previsioni ECMWF disponibili. Attualmente in
DALAM vengono utilizzati campi ECMWF su livelli di pressione standard e
con risoluzione orizzontale di 0.5x0.5 gradi. Gli sviluppi proposti devono
consentire l'utilizzo di
livelli originali ibridi (ad oggi il modello ECMWF ne utilizza 60) e con
risoluzione spaziale che possa essere dell'ordine di quella nominale (ad
oggi di circa 40 km). ·
Sviluppo di uno schema avanzato per il calcolo dei bilancio
energetico ed idrico superficiale che tenga conto della fisiografia del
suolo e della copertura vegetativa, al fine di migliorare la previsione
dei parametri presso il suolo e della precipitazione. Tale
schema è inteso a migliorare la descrizione dei flussi di calore e
umidità, per permettere un raffinamento della modellistica dello strato
superficiale in funzione delle caratteristiche della superficie terrestre
e del sottosuolo, fino ad alcuni metri di profondità. ·
Implementazione di schemi più efficienti di integrazione
temporale, in particolare per quanto riguarda l'integrazione delle
componenti di gravità nelle equazioni del moto e i termini avvettivi, e
definizione di un nuovo schema di griglia in coordinate geografiche
ruotate, che minimizza l'anisotropia della griglia. ·
Implementazione e validazione di uno schema di precipitazione
basato su una trattazione esplicita di processi
microfisici delle nubi a complessità intermedia, adatto cioè a
modelli operanti a risoluzione inferiore ai cloud
models. Lo schema si basa sul
trattamento esplicito di 5 diverse specie di idrometeore (acqua e ghiaccio
di nube, pioggia, neve, graupel/grandine),
al fine di migliorare la descrizione del ciclo dell'acqua in atmosfera. ·
Implementazione e validazione di uno schema di convezione adatto a
modelli a mesoscala, che consenta l'interazione con lo schema di
microfisica esplicita, tramite scambio di idrometeore. Si propone di
utilizzare lo schema di Kain-Fritsch. ·
Miglioramento dell'attuale schema di diffusione turbolenta
superficiale e nello strato limite, sia sul mare che sulla terra. ·
Studio e implementazione di tecniche di "nesting"
simultaneo, al fine di conseguire elevate risoluzioni spaziali su
sotto-aree di particolare interesse con migliore efficienza computazionale.
Le
fasi di validazione avverranno sulla base dell'effettuazione di casi test
di previsione, confrontando di volta in volta i risultati con quelli
ottenuti dall'attuale modello DALAM e con i dati osservativi a
disposizione. SI prevede inoltre una validazione su periodo esteso
soprattutto ai fini della messa a punto del modello di suolo. OBIETTIVO
DEL PRIMO ANNO ·
Aggiornamento delle procedure di elaborazione e assimilazione dei
dati di ingresso al modello. I dati di input attualmente utilizzati sono
riferiti ad un numero limitato di livelli atmosferici
definiti a pressione costante. Per un più adeguato sfruttamento
della risoluzione originale consentita dai prodotti ECMWF, necessaria al
fine di inizializzare una previsione ad elevata risoluzione, è necessario
utilizzare il maggior numero possibile di livelli verticali, in coordinate
“ibride”, su cui sono definiti i campi meteorologici nel modello ECMWF,
tenendo conto anche delle variazioni dei formati e dei campi disponibili
intervenute nel tempo. A tale proposito, appare inoltre necessario
rivedere il trattamento dei dati di superficie e dei livelli di suolo. Si
effettuerà una revisione generale dei codici che definiscono il set di
dati di input contenente le condizioni iniziali e quelle ai contorni
dell’area di integrazione. ·
Sviluppo di uno schema avanzato per il calcolo dei bilancio
energetico ed idrico superficiale, che tenga conto della fisiografia del
suolo e della copertura vegetativa. Ai fini di un miglioramento della
previsione delle variabili meteorologiche locali presso il suolo
(temperatura dell’aria a 2 metri e del suolo, incluse massima e minima,
umidità dell’aria e contenuto idrico del suolo, vento a 10 metri) nonché
della precipitazione, in particolare quella convettiva, è necessario
introdurre informazioni sulle caratteristiche fisiche del suolo e sulla
eventuale vegetazione presente. Si prevede pertanto di elaborare un
modello di scambi energetici e di massa tra l’atmosfera e il suolo che
tenga conto della variabilità spaziale e stagionale dei suoli e delle
caratteristiche della vegetazione. Questa parte della ricerca,
direttamente attinente ad aspetti agrometeorologici, sarà svolta in
stretta collaborazione con l’UCEA. Nel corso del primo anno si prevede
la scelta del modello fisico e dei processi da implementare, una
formulazione parziale dello schema (soprattutto per quanto riguarda la
parte non attinente alla vegetazione) e l'acquisizione dei set
di dati necessari. ·
Sviluppo di schemi più efficienti di integrazione temporale e
definizione di un nuovo schema di griglia in coordinate geografiche
ruotate. L’elevata risoluzione orizzontale (all'incirca di 15-5 km
di passo di griglia nelle configurazioni con nesting)
e verticale (40-50 livelli), necessaria per una più accurata descrizione
dei fenomeni precipitanti, impone un miglioramento della efficienza
computazionale e del trattamento delle onde di gravità. Pertanto lo
schema semi-implicito attuale verrà sostituito da uno schema “split-explicit”,
che consente un riduzione consistente sia dei tempi di calcolo che
dell’occupazione di memoria. La rotazione della griglia consente un
ulteriore aumento del passo temporale evitando l’accumulo di punti verso
i poli. Infine, lo schema avvettivo verrà implementato mediante la
tecnica di forward-backward di
Malguzzi e Tartaglione (1999). BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE *
Kain,
J.S., and J.M. Fritsch, 1993: Convective parameterization for mesoscale
models: The Kain-Fritsch scheme. The
Representation of Cumulus in numerical models, Meteor. Monogr., 46,
Amer. Meteor., Soc., 165-177. *
Malguzzi,
P. and N. Tartaglione, 1999: An economical second order advection scheme
for explicit numerical weather prediction. Quart.
J. Roy. Meteor. Soc., 125,
2291-2303. DOCUMENTI * L'evoluzione dei modelli previsionali a breve scadenza- Workshop 7-8 Marzo * Potenziamento della modellistica meteorologica ad area limitata finalizzata alla previsione agrometeorologica operante in ambito MiPAF - Workshop Cagliari 16-17 Gennaio 2003. * Scheda informativa sull'attività al 30/04/2003
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