Modelli matematici, funzionamento e limiti, nel panorama meteorologico attuale

Hanno spesso sigle curiose, simili a quelli delle stelle appena scoperte nell'Universo. ECMWF, NGP, GFS, UKMO. Aldilà di questi incomprensibili acronimi  si nasconde uno dei tanti modelli a cui la meteorologia moderna si affida per le previsioni del tempo a breve, medio e lungo termine. Partiamo da un punto fermo, i modelli senza l'intervento e l'interpretazione dei dati da parte del previsore (per tanti il meteorologo), servirebbero a poco. Per fare un paragone che renda l'idea, il modello matematico è un po' la radiografia che il medico ci prescrive per una brutta bronchite, ma solo la successiva analisi del medico stesso ci può far comprendere con quali cure intervenire. Allo stesso tempo, senza i modelli matematici, le previsioni attuali dei meteorologi sarebbero molto meno attendibili, ma soprattutto confinate in un arco temporale brevissimo al di sotto ampiamente delle 24 ore. Del resto è risaputo da tutti che prima dell'avvento dei grandi calcolatori, la stesura di una carta sinottica veniva effettuata a mano.

Esempio di rappresentazione classica con fronti caldi e freddi (ancora largamente usata ma calcolata e disegnata da un pc) Tramite compassi, righelli e matite, il previsore raccoglieva le informazioni dei palloni sonda lanciati su un territorio molto vasto e le metteva insieme per ottenere un quadro globale di comportamento dell'atmosfera in quel determinato giorno.

Attraverso poi la conoscenza delle variazioni di elementi come intensità del vento,  pressione ecc (sempre determinati dai palloni sonda) riusciva in qualche modo a tracciare un modello di circolazione globale da cui estrapolare i contesti futuri.
Un futuro molto prossimo però perché quel tipo di previsione rimasta in vigore fino all'inizio degli anni ‘70 perdeva di attendibilità già entro le 48 ore divenendo a prima vista simile alla normale osservazione del cielo da parte di un attento osservatore. Per operare oltre questa minima scala temporale, nascono i primi computer in grado di elaborare in un solo istante, quello che milioni di meteorologi non avrebbero potuto fare in mesi di lavoro.

Tuttavia se la costruzione del primo computer ha determinato il primo vero balzo in avanti della scienza meteo, solo di recente  con l'avvento dei computer molto più performanti, dei veri e propri  "supercomputer" è stato possibile introdurre nei calcoli dei parametri che per questioni di velocità venivano trascurati o assunti come costanti.

Le variabili in gioco sono sostanzialmente sei:  le tre componenti del vento (x, y, z) praticamente la terna di assi che identifica nello spazio la posizione di una particella, componente verso est, componente verso nord e componente verso l'alto; la pressione p, la temperatura t e l'umidità q. A quel punto si tratta di risolvere un sistema di sei equazioni che lega assieme queste sei variabili.
Ma quali sono queste equazioni? Innanzitutto ci sono le leggi del moto lungo le tre componenti del vento (x,y,z), la legge di stato dei gas per la pressione, quella che esprime la variazione della temperatura nel tempo, quella che esprime la variazione del contenuto di vapor d'acqua a livello locale sempre nel tempo.
L'insieme dei metodi fisico-matematici utilizzato per la risoluzione di questo sistema di equazioni costituisce un "modello matematico di previsione".
Queste equazioni però proprio perché legate alla rapidità di variazione nello spazio e nel tempo non sono lineari ma differenziali e devono tener conto di tutte (o quante più possibili) le interazioni tra l'ambiente circostante e i suddetti parametri.

Per la temperatura ad esempio non basterà tenere conto solo della sua variazione con l'altezza ma anche delle sue modifiche in base alla radiazione solare nei vari periodi stagionali ed alle diverse latitudini oltre alla perdita di calore per irraggiamento da parte del suolo nelle ore di oscurità.
In aggiunta tali variazioni si riflettono inevitabilmente sugli altri parametri.
Se ad esempio supponiamo vi sia una forte radiazione solare tale da creare un sollevamento verticale dell'aria ed una sua condensazione in nube, si dovrà anche tener conto del fatto che la presenza delle nubi diminuirà la radiazione solare, con effetto finale di feedback sulla causa scatenante.
Si dovrà inoltre tener conto della superficie del terreno, dei rilievi, delle eventuali aree verdi attraversate
In realtà è un groviglio di interazioni tra una serie di soggetti che non trova altra risoluzione se non quella della "parametrizzazione" ovvero una semplificazione degli stessi attraverso leggi semi-empiriche.
Tutti questi elementi sono capaci di agire-reagire tra loro ripercuotendosi sugli altri con effetto cascata.
Con una figura possiamo aiutarci a capire come vengono interpretati questi soggetti da parte del modello. Nella matrice viene rappresentato un modello qualunque in cui vi sono dei soggetti (parametri) che agiscono tra di loro, supponiamo che occupino la diagonale principale della nostra matrice.
Il modello comincia dal primo elemento e va a calcolare tutte le interazioni che questo elemento ha con gli altri riempiendo gradualmente anche i settori esterni alla diagonale col tipo di interazione che trova.
Analizzerà anche il feedback, cioè l'effetto che una tale interazione potrà avere sul punto di partenza.
Si generano cosi cause ed effetti che vanno a riempire anche tutti gli altri settori della matrice con una serie di parametri secondari da calcolare.

Se si parte dai soli 4 soggetti come nell'esempio si arriva ad identificare ben 16 parametri. Purtroppo per noi in meteorologia questi soggetti sono molti di più e ne citiamo soltanto alcuni per semplicità. I venti, la temperatura dell'aria, la copertura nuvolosa, l'umidità, la radiazione solare, la condensazione, l'evaporazione, la temperatura del terreno, la presenza di neve, i rilievi……Si arriva pertanto alla definizione di centinaia di parametri tutti da calcolare e nel minor tempo possibile. Inutile negarlo la nostra mente non ci permette di fare con estrema velocità e precisione tutti questi calcoli, serve un computer, capace di eseguire miliardi di operazioni al secondo poiché la storia non finisce così semplicemente.
Non pensate che una volta definiti i parametri iniziali il calcolo sia terminato perché si dovranno ammettere anche piccoli scostamenti, naturali in un ordine di cose in cui regna uno pseudo caos.
Motivo per il quale i calcoli devono essere eseguiti più volte variando qualche elemento anche se di poco (i famosi RUN).
I risultati possono essere estremamente diversi tra loro portando sensibili cambiamenti nello scenario finale.
Un primo run restituirà una depressione gelida sull'Italia, un altro una saccatura sulla Spagna con scirocco sull'Italia, un altro ancora vedrà un alta pressione con valori barici elevatissimi su tutta l'Europa.
Come si conciliano tali risultati tra loro? Si accorpano secondo similitudini per cui tutti quelli che vedranno un'alta pressione nello stesso punto saranno riuniti insieme, stessa cosa per gli altri.
Otterremo cosi una serie di "visioni" possibili che saranno presentate all'esterno attraverso un interfaccia grafica che ci visualizzerà il tipo di dato richiesto.

Ed ecco il momento che fa la differenza, l'intervento umano, perchè sarà poi compito del previsore attraverso una buona conoscenza del territorio e della storia pregressa, stabilire quale scenario sarà il più accettabile. Definito il quadro d'insieme, si scende nel dettaglio delle zone, ed infine si va a creare quell'interfaccia grafica che permette a tutti, anche ai non addetti ai lavori, di comprendere, attraverso le icone, quale sarà il tempo atteso nella zona interessata. Un lavoro immenso che parte da semplici assunti iniziali che come ben si sa, possono essere messi in forse persino da valori che potrebbero sembrare infinitesimali.

Quando abbiamo detto che i run diversi vengono effettuati su piccoli scostamenti dei parametri, non abbiamo aggiunto che queste variazioni sono pressoché approssimabili in taluni casi all'effetto che il respiro di bambino può avere sul vetro di una finestra.

Ecco perchè i modelli che come ben si sa col decorrere dei giorni perdono attendibilità, devono essere proposti al largo pubblico a mio parere con circospezione.

Le previsioni attuali, elaborate con i modelli matematici appena descritti, si basano su metodi rigorosamente scientifici, ma ciò nonostante esse, esprimono soltanto la probabilità del verificarsi di un fenomeno, non la certezza che ciò accada, e per quanto possa sembrare assurdo, in questo caso, il connubio, uomo-macchina, perdurerà per molto tempo, forse per centinaia di anni.

Anche se può sembrare assurdo, come il previsore avrà sempre bisogno di una stretta alleanza con i modelli matematici, gli stessi senza l'intervento dell'uomo e della sue conoscenze, non potranno mai essere garanti di un'affidabilità previsionale assoluta.

Gordon Baldacci