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Sistema Idro-Meteo-Mare

Ultimo aggiornamento: 05/07/2019

La previsione meteorologica, idrologica e ondametrica sull'area Mediterranea presenta particolari difficoltà dovute alla stretta interazione tra i differenti fenomeni operanti su un intervallo di scale tra il km e la scala globale. A ciò si unisce la scarsità di osservazioni, specie sul mare e sul Nord Africa, che solo nel corso degli anni stata man mano attenuata dall'utilizzo di misure da satellite. Lo sviluppo, sul finire degli anni '90 del SIMM - Sistema Idro-Meteo-Mare presso l'allora Dipartimento per i Servizi Tecnici Nazionali (in parte confluito in ISPRA), in collaborazione con l’ENEA, rappresentava una risposta di alto profilo tecnico-scientifico a tale sfida, basata sull'integrazione tra modellistica meteorologica e marina e sulla copertura dell'intero Bacino del Mediterraneo alla risoluzione del limite idrostatico (10 km). 

Il SIMM originale, tuttora operativo presso ISPRA, comprende 4 modelli in cascata: BOLAM parallelo (dove la versione 2009 ha sostituito l'originale versione denominata QBOLAM) per le previsioni meteo, WAM per lo stato del mare sul Mediterraneo, POM e VL-FEM per l’elevazione marina sul Mar Adriatico e sulla Laguna di Venezia, rispettivamente. Il modello idrologico TOPKAPI, in configurazione di ricerca, stato anche implementato, in passato, in accoppiata con il modello BOLAM per la previsione idrologica sul bacino dell'Adige e del Reno.

 

Catena modellistica ORIGINALE del Sistema Idro-Meteo-Mare.

A seguito di una robusta e continua attivit di verifica (forecast verification), riportata nei lavori presenti nella sezione "Pubblicazioni e presentazioni", il sistema SIMM stato oggetto di diverse campagne di aggiornamento che hanno portato nel corso degli anni alla sostituzione e/o all'aggiornamento di alcune componenti del sistema con dei moduli pi efficienti sia dal punto di vista computazionale sia in termini di qualit della previsione numerica prodotta. 

Il nuovo SIMM operativo presso ISPRA comprende tre segmenti previsionali. 

Il primo segmento, che alla base della catena modellistica, quello meteorologico costituto da due configurazioni alternative:

  • la prima, derivante dalla struttura originale del SIMM, prevede il BOLAM su due domini (H.R BOLAM a 33 km e V.H.R. BOLAM a 11 km) innestati one-way;

  • la seconda, sviluppata a seguito dell'iniziativa internazionale HyMeX (vedi sotto), prevede un BOLAM ad una pi alta risoluzione (0.07) a cui innestato una versione del modello meteorologico non-idrostatico MOLOCH a 0.0225 in grado di rappresentare esplicitamente i fenomeni convettivi. Questa configurazione operativa su un cluster HPC ad alte prestazioni (16 nodi HP SL230s Gen8, 256 core).

Il secondo segmento costituito dal sistema di previsione marino-costiera MC_WAF per la previsione dello stato del mare sia sull'intero Mar Mediterraneo che su aree costiere di interesse nazionale, con una risoluzione maggiore in quest'ultimo caso. Tale segmento, anch'esso operativo sul cluster HPC, sostituisce il solo modello WAM presente nella configurazione originale del SIMM.

Il terzo segmento costituito dal sistema di previsione per la Laguna di Venezia basato sul nuovo modello SHYFEM (versione aggiornata e migliorata del modello VL-FEM), accoppiato direttamente con il modello BOLAM.

Fino a settembre 2015, l'unica catena operativa del SIMM stata quella costituita dalla configurazione meteorologica comprendente il BOLAM innestato su due domini, il sistema MC_WAF, e il sistema di previsione per la Laguna di Venezia basato su SHYFEM. In seguito, stata resa operativa la catena modellistica sviluppata per le attivit dell'iniziativa HyMeX, avente come componente meteorologica il sistema BOLAM-MOLOCH. L'operativit stata decisa sulla base degli ottimi risultati riscontrati durante una attivit di forecast verification e di model intercomparison effettuata sia su una serie di casi studio di eventi meteo-marini intensi e severi sia sull'intero periodo settembre 2012marzo 2013, comprendente le due campagne di misura dell'iniziativa HyMeX, denominate SOP - Special Observation Period

 

Catena modellistica del Sistema Idro-Meteo-Mare RESA OPERATIVA A SEGUITO DELL'INIZIATIVA HYMEX.

Questa configurazione "ibrida" adotta per l'inizializzazione del modulo previsionale MC_WAF le previsioni del BOLAM a risoluzione maggiore a 0.07 (ossia quella presente nella configurazione BOLAM-MOLOCH) e quelle del MOLOCH ad altissima risoluzione, mentre per l'inizializzazione di SHYFEM sono ancora usate le previsioni del BOLAM a 0.1 della vecchia configurazione meteorologica. L'utilizzo di SHYFEM accoppiato con il nuovo BOLAM a 0.07, sebbene gi testato, non ancora operativo e lo sar a breve.

BOLAM

Il BOlogna Limited Area Model (BOLAM) un modello idrostatico alle differenze finite sviluppato presso l'ISAC-CNR di Bologna. All'interno della catena SIMM originale operativa una sua versione parallela implementata sul calcolatore SGI-Altix per i domini riportati nella sottostante figura: H.R., a 33 km (0.3°), inizializzato con analisi e previsioni dell'Integrated Forecasting System (IFS) dell'European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) disponibili su convenzione con l’Aeronautica Militare; V.H.R., a 11 km (0.1°) su tutta l’area Mediterranea, che riceve i dati dal modello padre (H.R. BOLAM). Le previsioni fino a 85 ore per diversi campi a terra (passo orario) e in quota (passo a 3 ore) prodotte dal modello BOLAM a 0.1° di questa configurazione sono disponibili nella sessione "Previsioni 0.1° BOLAM sul bacino del Mediterraneo".

Inizialmente, il modello BOLAM era stato implementato in configurazione parallela sul supercalcolatore QUADRICS, da qui l'iniziale nome di QBOLAM, per poi esser trasferito nel 2005 sulla nuova piattaforma SGI. La versione attualmente operativa del BOLAM a 0.1 quella aggiornata al 2011 che include schemi di parametrizzazione avanzati per la pioggia convettiva, la radiazione, la turbolenza e il suolo, e comprende l'avvezione esplicita di cinque idrometeore.

DOMINI DELLA COMPONENTE METEOROLOGICA ORIGINALE DEL SISTEMA IDRO-METEO-MARE.

La nuova componente meteorologica per il SIMM per costituita dalla versione più aggiornata del modello BOLAM (attualmente versione 2019), definita su una griglia pi fitta con passo di 0.07° (ca. 7,5 km) e su un dominio pi esteso (si veda figura sottostante), ed inizializzata direttamente dalle analisi e previsioni delle corse 0000 e 1200 UTC del modello dell'IFS dell'ECMWF ad una maggiore risoluzione spaziale e temporale rispetto a quelle originariamente utilizzate. Questa versione implementata su un cluster HPC ad alte prestazioni a 16 nodi, 256 core. Le previsioni a 132 ore prodotte con passo orario da questa versione di BOLAM sono disponibili nella sessione "Previsioni 0.07° BOLAM sul bacino del Mediterraneo".

MOLOCH

In cascata al BOLAM a 7,8 km, stata sperimentata in ambito HyMeX una versione a 0.0225° (2,5 km) del modello non-idrostatico MOLOCH, sviluppato anch'esso dall'ISAC-CNR, avente come dominio l'Italia centro-cettentrionale. Tale dominio era stato scelto per includere le aree italiane di monitoraggio per le campagne HyMeX (centro Italia; Liguria-Toscana; nordest) e mantenere ridotti i costi computazionali. Nel passaggio all'operativit, il dominio del modello MOLOCH stato esteso al fine di includere l'intero territorio nazionale (approssimativamente 4934° N e 525° E, come mostrato nella figura sottostante). Le previsioni a 132 ore prodotte con passo orario da questa versione di MOLOCH (attualmente versione 2019) sono disponibili nella sessione "Previsioni MOLOCH sull'Italia".

DOMINI DELLA NUOVA COMPONENTE METEOROLOGICA DEL SISTEMA IDRO-METEO-MARE.

WAM

Il modello spettrale WAve Model (WAM) produce 84h di previsioni a 10 km sul Mar Mediterraneo di altezza significativa e direzione delle onde, forzato dalla previsione BOLAM di vento superficiale. WAM prevede lo spettro delle onde a partire dalla propagazione della energia del moto ondoso. La risoluzione del campo di vento in ingresso (0.1°) rappresentava alla fine degli anni 90 il punto di forza del modello.

MC_WAF

Nel corso degli ultimi anni, il Dipartimento per la Tutela delle Acque Interne e Marine dell’ISPRA ha sviluppato un sistema di previsione marino-costiera denominato Mediterranean-embedded Costal WAve Forecasting system (MC_WAF) che, avvalendosi sempre delle previsioni di vento a 10 m del modello BOLAM, produce le previsioni dello stato del mare sul Mediterraneo e su specifiche aree costiere di interesse nazionale. Il sistema MC_WAF è costituito da una nuova versione del modello WAM e dal modello Simulating WAves Nearshore (SWAN) per la previsione sottocosta - entrambi modelli donda di terza generazione - ed strutturato su tre livelli in cascata: dalla grande scala (Mar Mediterraneo), alla scala regionale e quindi alla scala costiera. Il WAM sul Mediterraneo, con passo di 1/30 di grado, produce le condizioni al contorno per le aree a scala regionale dove è impiegato sempre il WAM, ma con un passo di griglia di 1/60 di grado; quest'ultimo produce le condizioni al contorno utilizzate dal modello SWAN per simulare nelle aree selezionate i processi fisici legati alla propagazione delle onde in aree costiere e acque basse. Dal momento che la versione attualmente operativa accoppiata con il BOLAM a 0.07, prodotta giornalmente una previsione a 132 ore (si veda sessione "Previsioni sullo stato del mare").

POM e VL-FEM

Il modello oceanografico Princeton Ocean Model (POM) è utilizzato in configurazione shallow water per la previsione dell’altezza di marea sul Mar Adriatico. POM forzato dallo stress superficiale di vento prodotto dal WAM e dalla pressione superficiale prodotta dal BOLAM. Le sue previsioni alle bocche di porto della Laguna di Venezia, insieme con lo stresso prodotto da WAM all'interno della laguna, forzano il VL-FEM (Venice Lagoon-Finite Element Model), una versione ad elementi finiti dello stesso modello discretizzata sulla sola Laguna di Venezia.

SHYFEM 

Più recentemente, è stato sviluppato per la Laguna di Venezia un sistema previsionale ottenuto accoppiando direttamente il modello BOLAM a 11 km (le sole previsioni di pressione atmosferica s.l.m. e di vento a 10 m) con il modello Shallow water HYdrodynamic Finite Element Model (SHYFEM) sviluppato dall'ISMAR-CNR di Venezia e permettendo anche la possibilit di assimilare i livelli residui osservati dai mareografi della RMLV - Rete Mareografica della Laguna di Venezia e del Litorale Nord-Adriatico. Tale sistema si va ad affiancare alla modellistica gi in utilizzo dal Dipartimento per la Tutela delle Acque Interne e Marine per l'emissione giornaliera dei Bollettini di Marea per la Laguna di Venezia, ossia il modello SHYFEM inizializzato con le previsioni dell'IFS dell'ECMWF e un modello statistico inizializzato con le previsioni BOLAM e IFS.

L’impiego dei prodotti del Sistema Idro-Meteo-Mare (2000-2019)

Dal 2000, le previsioni prodotte quotidiane dal SIMM sono state impiegate per le finalit istituzionali dellISPRA relative al monitoraggio ambientale, alla modellistica numerica, allo sviluppo di know-how tecnico-scientifico e alla condivisione di dati nell'ambito del Sistema Agenziale. I campi di interesse riguardano le risorse idriche, gli eventi meteo-idrologici e meteo-marini intensi e severi, la difesa delle coste, l'integrazione di informazioni provenienti da diverse tipologie di reti di misura, la navigazione, ecc. Oltre all'utilizzo dei prodotti SIMM nella normale collaborazione con le agenzie per la protezione dell'ambiente regionali e provinciali (ARPA e APPA) del Sistema Agenziale, le Regioni e Province, e con le omologhe strutture europee, i prodotti del SIMM sono impiegati anche in ambito di ricerca in collaborazioni con le comunit scientifiche nazionali e internazionali.

L'operatività del SIMM si inserisce nell'ambito delle attività del Dipartimento per la Tutela delle Acque Interne e Marine connesse all'idrologia, al rischio idraulico, marittimo e costiero, in continuità con le attività dell'ex Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale, spesso nel quadro di Progetti Europei e di Iniziative Internazionali  (INTERREG II C “siccità” e “alluvioni”, HYDROPTIMET, FP5-VOLTAIRE, SEDEMED, SEDEMED 2, NETWET 2, FORALPS, MEDEX, HYDROCARE, MIPAIS, MAP D-PHASE, ERA-Net CRUE, HyMeX e MesoVICT).

Tra le finalità si ricordano: lo sviluppo di metodologie di verifica (per uso operativo o di ricerca) dei modelli meteo-marini attraverso il confronto con i dati osservati; lo studio degli eventi disastrosi sul bacino del Mediterraneo (alluvioni, mareggiate, ecc.) e della loro fenomenologia (cicloni Mediterranei, statistica eventi estremi, ecc.); la valutazione delle risorse idriche; l'uso di modellistica idro-meteorologica accoppiata per la previsione delle piene; la ricostruzione multi-sensore del campo di precipitazione; l'ottimizzazione delle rotte navali attraverso le previsioni meteo-marine (weather-routing); la stima del potenziale eolico; la difesa dall'inquinamento (oil spill); e il supporto ad attività operative. Un esempio, a tal riguardo, può esser fornito dalla Missione italiana ambientale Bahar in Libano del 2006, per la quale il Dipartimento per la Tutela delle Acque Interne e Marine ha contribuito giornalmente mettendo a disposizione via web le previsioni SIMM di vento e stato del mare sull'area interessata nonch fornendo con una task force interna al Dipartimento un bollettino meteo-marino relativo all'area libanese che fosse a supporto della missione ambientale in loco. Nei primi mesi del 2012, le previsioni marine del SIMM, insieme con le osservazioni della RMN - Rete Mareografica Nazionale e della RON - Rete Ondametrica Nazionale, sono state utilizzate nelle attività di monitoraggio a supporto delle operazioni intraprese per l'emergenza ambientale all'Isola del Giglio, causata dall'incidente della Costa Concordia del 13 gennaio 2012. 

Sul versante scientifico, da ricordare che l'ISPRA, attraverso il Dipartimento per la Tutela delle Acque Interne e Marine, ha messo a disposizione durante le prime due campagne di misura SOP (Special Observation Period: 5 settembre-6 novembre 2012 & 1 febbraio-15 marzo 2013) dell'iniziativa internazionale HyMeX le previsioni del modello BOLAM a 33 km (H.R. BOLAM, riferito sul portale SOP come BOLAM-D2) e a 11 km (V.H.R. BOLAM, riferito sul portale SOP come BOLAM-D3), nonché quelle dei modelli in fase di sperimentazione, ossia il BOLAM a 7,8 km (riferito sul portale SOP come BOLAM-D4) e il MOLOCH a 2.5 km (riferito sul portale ISPRA come MOLOCH-ISPRA). Per questi modelli sono state fornite le previsioni (immagini e dati grib) delle seguenti variabili meteorologiche: altezza del geopotenziale a 500 hPa; altezza della superficie di vorticità potenziale 1,5; CAPE; contenuto totale di vapore; cumulata di precipitazione a 1, 3, 6, 12 e 24 ore; pressione s.l.m.; umidità relativa; temperatura a 2 m; temperatura potenziale equivalente (theta E); vento a 10 m e a 250, 300, 600 e 925 hPa; vorticità potenziale. In tale ambito, stato anche inizialmente testato l'utilizzo delle previsioni del BOLAM a 7,8 km e del MOLOCH a 2,5 km per l'inizializzazione del sistema MC_WAF e del modello SHYFEM.

Una selezione delle presentazioni e delle pubblicazioni più significative che nel corso degli anni hanno avuto come oggetto il Sistema Idro-Meteo-Mare e le attivit ad esso collegate sono reperibili sul presente portale nella sezione "Pubblicazioni e presentazioni".

 

Ulteriori informazioni sul Sistema Idro-Meteo-Mare possono essere richieste a: simm-pre-meteo@isprambiente.it

 

 

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