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La previsione delle piogge intense in zone orograficamente complesse: l'esperienza dell'OSMER dell’ARPA Friuli-Venezia Giulia Dario Giaiotti*, Agostino Manzato*, Fulvio Stel*, Stefano Micheletti^ Italia, Agenzia Regionale per la Protezione dell’Ambiente del Friuli-Venezia Giulia (ARPA FVG), settore Osservatorio Meteorologico Regionale (OSMER) * meteorologi dell’OSMER ^ direttore dell’OSMER SOMMARIO - ABSTRACT Tra gli eventi meteorologici responsabili di danni a cose e persone, quello avente la maggiore frequenza sul territorio nazionale sono le piogge intense. Ogni anno alcune aree del nostro paese vengono interessate da eventi piovosi aventi intensità che si possono considerare anormali in quanto superano di diverse deviazioni standard i valori medi tipici di quelle aree. A questi fenomeni atmosferici consegue una anomala risposta del territorio e delle costruzioni ivi ubicate con notevoli ripercussioni sui residenti e sulle attività umane. Per questi motivi la previsione degli eventi piovosi considerati intensi è uno degli obiettivi importanti dei servizi meteorologici italiani. Il FriuliVenezia Giulia, per la sua configurazione orografica e per la sua posizione geografica, sperimenta sia eventi piovosi intensi ed estesi nello spazio e nel tempo, sia casi di piogge brevi e particolarmente intense, ma estremamente localizzate. L'Osservatorio Meteorologico Regionale (OSMER) dell'ARPA del Friuli-Venezia Giulia da oltre dieci anni è impegnato nella previsione di tali eventi e nella ricerca e lo sviluppo di tecniche atte al miglioramento delle relative previsioni. In questa relazione verrà sintetizzata l'esperienza maturata dall'OSMER nell'ambito delle tecniche utilizzate per le previsioni delle piogge intense, illustrando quali sono gli strumenti più efficaci a diverse distanze temporali dall'occorrenza di un evento intenso. Verranno anche messi in evidenza quali sono i punti deboli sui cui poggiano tali previsioni e quali sono i livelli di incertezza di ciascuna di esse. Among the meteorological events responsible for damages to properties and people injuries heavy rains have the higher frequency to occur on the national domain. Every year some areas of our country are interested by rainfalls that can be considered unusual because they are beyond the typical average precipitation amounts of several standard deviations. The consequence of those atmospheric events is the anomalous response of the territory and the buildings present in the area. That has important consequences for the resident people and for the human activities in the area. Since the above mentioned facts, forecasting heavy rainfall events is one of the most important tasks of the Italian meteorological offices. Because of its peculiar orographic configuration and its geographical position, Friuli-Venezia Giulia region experiences both large scale intense rains and very limited area short strong precipitation. The Osservatorio Meteorologico Regionale (OSMER) dell'ARPA del Friuli-Venezia Giulia for more than ten years has been involved in forecasting such events and in the research and development of tools for the improvement of the heavy rain forecasts. In this paper the OSMER experience in the forecasts of heavy rain events will be summarized. Limits of the forecasts are going to be shown and the suitable forecasting tools for each time ahead of the events are described. Weak points of each class of forecast are going to be stressed together with their incertainty . RELAZIONE Le precipitazioni intense possono essere previste con sufficiente affidabilità avendo a disposizione adeguati strumenti. Seguendo una classificazione delle previsioni basata sul tempo di anticipo con il quale può essere riconosciuto il manifestarsi di un evento, si possono distinguere tre situazioni, le quali sono trattate qui di seguito in dettaglio. Questa classificazione risulta anche in accordo con l'utilizzo che gli utenti fanno, o meglio che dovrebbero fare, delle previsioni meteorologiche per pianificare le proprie attività. In particolare, seguendo quotidianamente le previsioni meteorologiche, nella maggioranza dei casi l'utente è in grado di percepire l'avvicinarsi di una situazione caratterizzata da un evento piovoso intenso con diversi giorni di anticipo. In questo modo, esso è anche in grado di attribuire il corretto grado di affidabilità, che è variabile nel tempo, all'informazione che gli viene trasmessa. La previsione a medio termine . L'OSMER considera previsione a medio termine l'informazione sullo stato futuro del tempo che viene emessa dai tre ai cinque giorni in anticipo rispetto al verificarsi dello stesso. Le previsioni a medio termine si basano sostanzialmente sulle simulazioni numeriche a scala globale. Il motivo fondamentale di questo fatto risiede nella capacità dei modelli di simulazione di prevedere lo stato futuro delle principali variabili meteorologiche con parecchi giorni di anticipo sulle aree di interesse. Nel caso di porzioni del territorio estremamente piccole in confronto alla totalità della superficie terrestre, come la regione Friuli-Venezia Giulia, la previsione a medio termine si riduce all'identificazione di importanti e robuste strutture sinottiche, cioè tipiche della circolazione generale dell'atmosfera. Le profonde depressioni o gli estesi cicloni extra tropicali sono caratteristiche della circolazione a larga scala che gli attuali modelli numerici globali riescono a prevedere con un sufficiente grado di affidabilità. La risoluzione spaziale e temporale delle simulazioni è tale da evidenziare in modo sufficientemente chiaro i tempi di arrivo delle perturbazioni nei pressi dell'area oggetto della previsione; inoltre la disponibilità delle simulazioni provenienti da diversi centri è un ulteriore elemento a disposizione del previsore per la valutazione dell'attendibilità dello scenario proposto. L'OSMER utilizza i prodotti del centro europeo per la previsione a medio termine (ECMWF) sia nella forma deterministica classica, oramai collaudata da decenni, che nella forma di previsioni probabilistiche di insieme (Ensemble Prediction System), queste ultime molto utili per la valutazione della probabilità di occorrenza degli impatti locali dei diversi scenari proposti. Oltre ai prodotti globali del centro europeo, sono utilizzati quelli emessi dal servizio meteorologico nazionale tedesco, Deutscher Wetterdienst (DWD), e quelli dell'agenzia nazionale statunitense per l'ambiente (NCEP/NOAA). Le informazioni dei modelli numerici globali vengono analizzate dal personale addetto alla previsione, il quale valuta l'impatto che le previste strutture sinottiche hanno sull'area regionale. In questa fase l'esperienza acquisita nel corso di situazioni similari pregresse è di fondamentale importanza per proporre agli utenti degli scenari meteorologici locali. Questi scenari sono funzione delle possibili interazioni tra la struttura sinottica, la complessa orografia regionale e la variegata situazione fisica locale dei bassi strati atmosferici. Questi due ultimi aspetti sono al di là degli scopi della modellistica globale. Per le previsioni a medio termine non vengono usati i modelli ad area limitata, in quanto le incertezze riguardanti le condizioni al contorno di queste simulazioni, che derivano da quelle dei modelli globali, sono più che sufficienti a rendere, nella maggioranza dei casi, quelle previsioni molto poco affidabili. Ciò risiede nella natura non lineare del sistema atmosfera. Con le previsioni a medio termine è possibile evidenziare con sufficiente attendibilità l'occorrenza di piogge intense e di natura estesa. Per natura estese qui si intende l'intera area regionale o porzioni significative di essa, quali la fascia pedemontana, quella alpina o l'intera pianura e la costa. Il punto di forza di questa classe di previsioni è basato sulla già citata bontà dei modelli numerici nel riconoscimento di importanti strutture sinottiche e nel limitato numero di scenari regionali riguardanti la risposta delle perturbazioni alla forzante orografica. In altre parole se una vasta perturbazione di forte intensità viene prevista con sufficiente affidabilità e tempistica da un modello numerico, la distribuzione delle piogge sul territorio regione è una funzione fortemente dipendente dalla conformazione orografica del territorio, per cui è possibile prevedere gli scenari con buona attendibilità. Gli eventi che sfuggono a questa previsione sono quelli legati alle strutture meteorologiche al limite inferiore della scala sinottica, che sono dei corollari alla situazione presente a larga scala. Si tratta spesso di cicloni estremamente attivi che si generano come conseguenza dell'interazione tra la struttura sinottica e il complesso orografico alpino. In questi casi la ciclogenesi non è sempre simulata con sufficiente tempistica dai modelli numerici e per il previsore lo scenario è intuibile solo in casi molto particolari con diversi giorni di anticipo. Non sono prevedibili con accettabile attendibilità neppure le piogge intense ed estremamente localizzate conseguenti a fenomeni convettivi isolati o inseriti nel contesto di una perturbazione. Questo ultimo limite deriva dall'incapacità di simulare correttamente il livello di instabilità locale dell'atmosfera e l'intensità dei forzanti necessari all'instaurarsi della convezione profonda e prolungata. Le informazioni riguardanti le piogge intense prevedibili a medio termine sono divulgate solo raramente con dei comunicati specifici, ma vengono riportate negli usuali bollettini diffusi attraverso i mezzi di informazione di massa, e non solo, che abitualmente l'OSMER utilizza. Quando la previsione a medio termine raggiunge un grado di affidabilità sufficientemente elevato ed il livello di confidenza del previsore emettente la previsione è quasi totale, allora si comunica la possibilità dell'occorrenza dell'evento agli utenti istituzionali preposti alla salvaguardia e al benessere della collettività. Con le previsioni a medio termine non sono mai diramati bollettini speciali ai mezzi di informazione di massa. La scelta di essere conservativi, cioè di utilizzare raramente speciali bollettini o prodotti per divulgare la possibilità di un evento intenso previsto a medio termine, consegue dall'elevato numero di falsi allarmi e dal quasi nullo numero di mancati allarmi prodotti da queste previsioni. La previsione a breve termine . L'OSMER considera previsione a breve termine l'informazione sullo stato futuro del tempo che viene emessa dalle 12 alle 60 ore prima il verificarsi dello stesso. Gli strumenti utilizzati per la stesura di queste previsioni sono molteplici. Innanzitutto la situazione sinottica viene valutata sulla base delle simulazioni numeriche deterministiche globali (ECMWF, DWD, NCEP/NOAA, ecc.) in quanto l'affidabilità dei modelli globali sul breve termine e sulla larga scala è estremamente elevata. Per mezzo di queste informazioni il previsore estrapola gli scenari di interazione tra le perturbazioni sinottiche e le peculiarità orografiche regionali. In questa fase sono pure valutate le interazioni tra le perturbazioni e le condizioni previste localmente nei bassissimi strati atmosferici; queste ultime non sono contemplate nei modelli di simulazione, ma sono estrapolate, con ottima attendibilità, a partire dal loro presente stato e dall'esperienza del previsore sull'evoluzione di tali strati. La conoscenza delle reali condizioni atmosferiche all'interfaccia tra suolo (o mare) e bassa atmosfera si ha principalmente per mezzo delle reti di stazioni alla mesoscala e dei radiosondaggi; da ciò si comprende l'importanza del continuo monitoraggio dell'atmosfera alla mesoscala e dell'endemica commistione tra osservazione meteorologica e previsione. In questo stadio previsionale sono utilizzati anche i modelli ad area limitata. L'OSMER fa uso dei principali prodotti disponibili per l'area di sua competenza (LAMI, LAMBO, DWD Lokal Modell, ALADIN Slovenija, ecc.). Tramite questi modelli si ricerca il dettaglio spazio temporale delle principali variabili atmosferiche, quali il vento, la temperatura e occasionalmente l'umidità relativa, degli strati troposferici medi e bassi. Sono tenute poco in considerazione le stime dei quantitativi di precipitazione o della copertura nuvolosa, in quanto la loro affidabilità sul territorio regionale è ancora piuttosto bassa e generalmente affetta da sovrastime sistematiche e molto grandi. Ad ogni modo la buona qualità delle previsioni ad area limitata sui venti e le temperature è di notevole aiuto per il previsore, il quale può fare affidamento su queste informazioni per integrare i dati sinottici ed dettagliare gli scenari di intensità piovosa seguendo sempre lo schema: modello numerico - orografia - esperienza. Nel corso degli anni l'OSMER ha anche sviluppato e implementato alcuni prodotti volti alla previsione dei temporali e alle situazioni di forte instabilità. Alcuni di essi sono degli indici che derivano da studi statistici che, combinati alle informazioni numeriche dei modelli sopra citati, forniscono delle probabilità per l'occorrenza della convezione, della convezione profonda e di particolari meteore, come la grandine. Questi indici vengono utilizzati dal previsore per stimare quantitativamente la probabilità che si manifestino eventi piovosi localizzati, principalmente dovuti ai temporali; essi forniscono anche un'indicazione sull'instabilità atmosferica indotta dalla perturbazione prevista. Nel caso in cui la situazione sinottica prevista dai modelli sia priva delle significative forzanti che caratterizzano le situazioni di piogge intense ed estese, il previsore valuta la possibilità dell'occorrenza di eventi piovosi localizzati e violenti. Questa classe di fenomeni è frequente sul territorio del Friuli-Venezia Giulia da aprile a settembre compresi e la loro previsione a breve termine si basa essenzialmente sugli indici di instabilità atmosferica e sull'esperienza riguardante il manifestarsi di adeguati inneschi per la convezione atmosferica, specialmente legati ai regimi dei venti nei bassi strati, alle temperature e umidità dei due metri di atmosfera più prossimi al suolo o al mare. La qualità delle previsioni di piogge intense e localizzate è buona se si considera il confronto tra la probabilità emessa dell'occorrenza dell'evento e la frequenza con cui esso si manifesta. Ci sono ancora diversi problemi da superare per una previsione ad alta risoluzione delle zone più a rischio, ma si riesce già ad eseguire delle distinzioni tra le diverse aree morfologiche della regione con un discreto successo. Gli eventi piovosi intensi che sfuggono alla previsione a breve termine sono alcuni di quelli aventi caratteristica di estrema località e prevalentemente associati a convezione profonda; la quasi totalità di essi cade nella classe detta dei Flash Floods. Capita infatti che l'instabilità atmosferica locale possa essere sotto stimata, così come può essere non reale la segnalata presenza di forti elementi inibitori della convezione, i quali invece sono ritenuti verosimili nell'imminente breve termine. Non vi sono eventi piovosi estesi ed intensi che in questo stadio della previsione non vengono previsti; quello che si manifesta saltuariamente, e con bassa frequenza, è un falso allarme, cioè la previsione di un fenomeno intenso ed esteso che in realtà non si manifesta come tale. Le previsioni a medio termine di piogge intense sfociano quasi sempre in comunicati specifici e bollettini appositamente approntati per informare gli utenti di rilievo amministrativo istituzionale e sociale. Anche i classici bollettini emessi ad uso della popolazione e dei mass media recano indicazioni della probabile occorrenza di eventi piovosi non normali. La previsione a brevissimo termine (nowcasting). L'OSMER considera nowcasting l'informazione sullo stato futuro del tempo che viene emessa dalle 0 alle 12 ore prima del verificarsi dello stesso. Nel nowcasting vanno distinte due classi di fenomeni relativi alle piogge intense. La prima riguarda la previsione sull'andamento dell'intensità e sulla distribuzione delle piogge connesse ad un evento esteso e distribuito nel tempo. In questa classe si inseriscono gli aggiornamenti sull'andamento piovoso di un sistema frontale che interessa la regione. La seconda si riferisce agli eventi temporaleschi e alla loro evoluzione in condizioni di tempo violento e localizzato. Per entrambe queste classi di fenomeni, i prodotti dei modelli numerici, sia quelli a scala globale che quelli ad area limitata, sono superflui, o meglio la loro informazione appartiene già al bagaglio culturale del previsore nel momento in cui si accinge ad effettuare una previsione a brevissimo termine. Questo punto sottintende la continuità esistente tra i tre tipi di previsione esposti in questa relazione. Le informazioni veramente utili al previsore per il nowcasting delle piogge intense sono alcuni indici dell'attività temporalesca nelle successive sei ore e i dati reali relativi alla situazione presente meteorologica. L'OSMER ha sviluppato dei programmi automatici, basati su reti neurali, che fanno uso delle molteplici informazioni meteorologiche alla mesoscala, tra le quali i profili verticali dell'atmosfera, la presenza di fulmini del tipo nube-suolo, le misure delle stazioni al suolo, ecc. per eseguire delle proiezioni a brevissimo tempo, sei ore appunto, sull'attività temporalesca. Il previsore, oltre ad utilizzare le proiezioni automatiche, fa uso della sua esperienza analizzando tutti i dati meteorologici a sua disposizione. La sala operativa dell'OSMER è dotata di sistemi di visualizzazione di tutti i dati meteorologici necessari ad un completo monitoraggio dell'atmosfera regionale. Per mezzo della visualizzazione in tempo reale dei dati da satellite alle diverse frequenze, di quelli di riflettività radar e stima delle precipitazione, dati delle stazioni al suolo, dei fulmini e dei radiosondaggi eseguiti nel territorio regionale, l'operatore in servizio integra le sue conoscenze acquisite durante l'elaborazione delle previsioni a lungo e medio termine e spinge le sue previsioni a scale temporali tipiche delle ore e a quelle areali tipiche delle singole località. Questo tipo di previsione poggia fondamentalmente sull'esperienza del previsore. I limiti e la validità di queste previsioni sono variabili a seconda della situazione meteorologica in atto. I casi più difficili riguardano la localizzazione dei temporali violenti e il loro cammino evolutivo. Sono spesso fuori dalla portata previsionistica l'identificazione delle aree più prone alla formazione delle supercelle temporalesche e dei mesocicloni. In questi casi l'identificazione di peculiarità nei campi di temperatura e umidità nei bassissimi strati sono di capitale importanza, ma non sempre l'operazione risulta facile. Un altro aspetto del nowcasting affetto ancora da bassa risoluzione, anche se di accettabile attendibilità, riguarda il quantitativo delle precipitazioni cumulate in tempi brevi: da un'ora a sei ore. Il nowcasting deve essere diffuso con la massima tempestività per essere di qualche utilità. Gli usuali mezzi utilizzati per le previsioni a medio e breve termine non sono adatti allo scopo. Neppure l'utilizzo dei mezzi di comunicazione di massa via etere è efficiente, salvo particolari situazioni in cui le radio ed le televisioni si prestano ad inserire gli aggiornamenti sulle previsioni in tempi brevissimi. L'OSMER fornisce il servizio di previsione a brevissimo termine solo per mezzo del telefono a chi ne fa esplicita richiesta chiamando la sala meteo operativa. Per gli utenti di rilievo istituzionale è previsto un servizio di reperibilità telefonica che il previsore in turno svolge anche al di fuori della sala meteo per mezzo di collegamenti remoti tramite computer portatile. Conclusioni Gli sviluppi futuri delle previsioni delle piogge intense in Friuli-Venezia Giulia si diramano lungo due filoni complementari, i quali sono anche le linee guide dell'attività di sviluppo e ricerca dell'OSMER. In particolare, nell’ambito del primo filone si studiano i processi di interazione tra i sistemi frontali e l'orografia, per pervenire ad una previsione della distribuzione delle precipitazioni più accurata di quella fornita dai modelli numerici, integrando l'informazione di questi ultimi con adeguati indici e programmi per il downscaling delle previsioni. Questi ultimi utilizzano una orografia maggiormente dettagliata e fanno uso dei dati alla mesoscala. Il secondo filone riguarda i fenomeni violenti e localizzati, i quali sono prevalentemente associati alla convezione atmosferica profonda. In questi studi, oltre che gli oramai collaudati, ma limitati, metodi statistici, si usano le simulazioni numeriche a scale estremamente limitate per studiare la dinamica dell'innesco dei temporali e le condizioni al contorno della loro evoluzione in situazioni potenzialmente pericolose, quali le supercelle ed i mesoclicloni. Elenco Figure Figura 01 Orografia e posizione geografica della Regione Friuli-Venezia Giulia Figura 02 Simulazione numerica del centro europeo per le previsioni a medio termine (ECMWF) riportante l'umidità relativa (in colore), la temperatura ed i venti alla superficie isobarica di 500 hPa. La visualizzazione delle simulazioni viene eseguita tramite software grafico libero (GrADS). Figura 03 Simulazione numerica del Deutscher Wetterdienst (DWD), riportante l'umidità relativa (in colore), la temperatura ed i venti alla superficie isobarica di 700 hPa. La visualizzazione delle simulazioni viene eseguita tramite software grafico libero (GrADS). Figura 04 Visualizzazione dei prodotti probabilistici delle previsioni probabilistiche di insieme (Ensemble Prediction System) emesse dal centro europeo (ECMWF). Sono riportate le probabilità di precipitazioni superiori a soglie fissate 1, 5 10 e 20 mm/12 ore. La visualizzazione delle simulazioni viene eseguita tramite software grafico libero (GrADS). Figura 05 Visualizzazione dei prodotti probabilistici delle previsioni probabilistiche di insieme (Ensemble Prediction System) emesse dal centro europeo (ECMWF). Sono riportate la temperatura ed i geopotenziale medio, a500 hPa, del primo insieme (cluster) assieme alle deviazioni standard. La visualizzazione delle simulazioni viene eseguita tramite software grafico libero (GrADS). Figura 06 Visualizzazione dei prodotti probabilistici delle previsioni probabilistiche di (Ensemble Prediction System) emesse dal centro europeo (ECMWF). È riportata temporale delle precipitazioni previste sulla località di Udine, suddivisa per (cluster) con relativa statistica. La visualizzazione delle simulazioni viene tramite software grafico libero (GrADS). insieme la serie insiemi eseguita Figura 07 Visualizzazione dei prodotti probabilistici delle previsioni probabilistiche di insieme (Ensemble Prediction System) emesse dal centro europeo (ECMWF). Sono riportati l’altezza geopotenziale in funzione della temperatura sulla località di Udine a 700 hPa. In giallo ed in rosso sono i valori previsti dai modelli deterministici di controllo, mentre in azzurro sono riportate le 50 previsioni con le condizioni iniziali leggermente perturbate. I circoli verdi sono i valori effettivamente misurati nel medesimo periodo di calendario sulla località di Udine, tramite radiosondaggio, nel corso degli ultimi dieci anni. La visualizzazione delle simulazioni viene eseguita tramite software grafico libero (GrADS). Figura 08 Visualizzazione dei prodotti ad area limitata del modello Sloveno ALADIN. Sono riportante l'umidità relativa (in colore), la temperatura ed i venti alla superficie isobarica di 850 hPa. La visualizzazione delle simulazioni viene eseguita tramite software grafico libero (GrADS). Figura 09 Andamento della qualità delle previsioni soggettive di temporale emesse dall'OSMER nel corso del periodo estivo dell'anno 2002. Il diagramma degli attributi mostra una buona calibratura delle previsioni emesse con una leggera sovrastima delle frequenze di occorrenza. Figura 10 Stima radar delle precipitazioni delle prime 12 ore del giorno 29 agosto 2003. Si tratta di eventi convettivi isolati che si sono sviluppati prevalentemente sulla zona prealpina orientale del Friuli-Venezia Giulia. Stima eseguita tramite il radar meteorologico ubicato a Fossalon di Grado. Figura 11 Stima radar delle precipitazioni delle ultime12 ore del giorno 29 agosto 2003. Si tratta di eventi convettivi sulla zona prealpina ed alpina del Friuli-Venezia Giulia. Qesti eventi hanno causato un episodio di Flash Flood con ingentissimi danni e due vittime. Stima eseguita tramite il radar meteorologico ubicato a Fossalon di Grado. Figura 12 Andamento dell’intensità delle piogge in funzione della loro durata su due località regionali climaticamente molto diverse: Trieste, località costiera e Udine, località della pianura. I cerchi rossi rappresentano eventi che hanno avuto ripercussioni sulle attività umane. I dati si riferiscono all’ultimo decennio. Figura 13 Serie temporale del profilo verticale dell’atmosfera ricavato tramite i dati del radiosondaggio di Udine. I dati hanno risoluzione di 6 ore e mostrano in colore la temperatura equivalente potenziale. Sono inoltre tracciate le isoterme, le barbe dei venti ed in linea rossa l’energia potenzialmente disponibile alla convezione libera. La serie interessa gli ultimi giorni di agosto 2003, cioè quelli che contengono il giorno 29, il quale è stato caratterizzato da un episodio di Flash Flood sulle Alpi Giulie. Figura 14 La situazione dei venti al suolo, della riflettività radar (in colore) ed il numero dei fulmini presenti alle ore 13:25 UTC del giorno 29 agosto 2003 sul territorio del FriuliVenezia Giulia. Nelle ore immediatamente successive alle 13:00 UTC si è verificato un fenomeno di Flash Flood nell’area alpina orientale che oltre aver causato danni ingenti ha anche provocato due vittime.
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