L’incertezza nella previsione meteorologica Tiziana Paccagnella - Stefano Tibaldi e Chiara Marsigli Pier Paolo Al

1. L’incertezza nella previsione meteorologica Tiziana Paccagnella - Stefano Tibaldi e Chiara Marsigli Pier Paolo Alberoni Andrea Montani Davide Cesari Francesca di Giuseppe Tommaso Diomede Paola Papetti Marco Elementi Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

2. 2 Limited Area Ensemble Prediction Systems 1 Limited Area Ensemble Prediction Systems 2 Statistical approach 6 Deterministic approach Short Range Forecast Very Short Range Forecast Nowcasting Monitoring 1/3 hours before the event During the event 12/18 hours before the event 4/5 days before the event 3/2 days before the event Modellistica/Valutazioni Idrologiche & Geologiche Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

3. MODELLO NUMERICO Stato presente dell’atmosfera: “ANALISI” Stato FUTURO dell’atmosfera: “PREVISIONE” DA EQUAZIONI DIFFERENZIALI AD EQUAZIONI ALGEBRICHE MODELLO CONCETTUALE TRADOTTO IN EQUAZIONI “FISICHE” COSTRUZIONE DI MODELLICONCETTUALI OSSERVAZIONE DEI FENOMENI ATMOSFERICI Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

4. Il determinismo è stato l’assunto di base della Fisica dai tempi di Newton fino alla fine del diciannovesimo secolo…. …lo stato futuro di un sistema è completamente determinato dal suo stato iniziale ….. • La previsione numerica del Tempo (NWP) è stata avviata sulla base del determinismo (CF &VN 1950) • Nonostante i buoni risultati della NWP dopo poco, sia a livello operativo che di ricerca, è emerso il problema del limite della previsione di tipo deterministico……limite imposto dalla crescita degli errori…. ……lo stato iniziale dell’atmosfera è determinato in modo “impreciso” ed i modelli sono approssimati (imperfetti)….. L’atmosfera è un sistema caotico Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

5. SISTEMA CAOTICO • Difficoltà ad osservare l’atmosfera in modo “adeguato” • Impossibilità di definire “lo stato dell’Atmosfera” • Difficoltà nel modellare i processi fisici • Difficoltà nel rappresentare tali processi numericamente IMPRECISIONI NELL’”ANALISI” • Rappresentazione del’’orografia, caratterizzazione dei tipi di suolo, tipi di vegetazione, copertura nevosa, umidità del suolo • Turbolenza, radiazione solare ed interazione tra radiazione e nubi, processi di condensazione ed evaporazione • Formazione di gocce, passaggio da gocce di nube a pioggia, formazione dei cristalli di ghiaccio • Convezione secca ed umida, precipitazione diffusa e temporalesca, innesco di onde orografiche Etc …etc…. INCERTEZZA IMPRECISIONI NEI MODELLI Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

6. Il determinismo è stato l’assunto di base della Fisica dai tempi di Newton fino alla fine del diciannovesimo secolo…. …lo stato futuro di un sistema è completamente determinato dal suo stato iniziale ….. • La previsione numerica del Tempo (NWP) è stata avviata sulla base del determinismo (CF &VN 1950) • Nonostante i buoni risultati della NWP dopo poco, sia a livello operativo che di ricerca, è emerso il problema del limite della previsione di tipo deterministico……limite imposto dalla crescita degli errori…. ……lo stato iniziale dell’atmosfera è determinato in modo “impreciso” ed i modelli sono approssimati (imperfetti)….. L’atmosfera è un sistema caotico • La ricerca inerente lo studio del limite della predicibilità deterministica ha portato ad un approccio combinato di determinismo e probabilismo…. L’ENSEMBLE PREDICTION Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

7. Previsioni di Ensemble - EPS Spazio delle fasi atmosferico semplificato Dim 2 Possibili scenari evolutivi Condizioni Iniziali Dim 1 Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

8. Approccio deterministico: Domani pioveranno 50 mm nella zona xy Approccio (contributo) probabilistico: Domani, nella zona xy c’è una probabilità del 70% di superare la soglia dei 50 mm in 24 ore Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

9. La modellistica previsionale di ARPA-SIM • Modellistica numerica previsionale deterministica > LAMI • Modellistica numerica di ENSEMBLE > COSMO-LEPS > COSMO-SREPS Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

10. Since 2004 the Romanian Meteorological Service is associated partner of COSMO Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

11. Progetto LAMIUGM AM - ARPA SMR. - Regione Piemonte Con contributo e supporto da: • ARPA Liguria • ARPA Veneto • Regione e ARPA Lombardia • Regione Marche • P.A. Trento • P.A.Bolzano • ARPA Calabria • Regione Campania • Regione Basilicata • CINECA Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

12. 7 km risoluzione orizzontale • 35 livelli in verticale • Condizioni al contorno : GME – Modello globale tedesco • Dall’estate 2003 le condizioni iniziali sono prodotte tramite un ciclo di assimilazione continua basato su nudging. Progetto LAMIUGM AM - ARPA E.R. - ARPA Piem. Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

13. LAMI: Back-up suite at ARPA-SMR • Back-up suite for LAMI on a LINUX pc cluster • Pentium 4 Xeon 2.4 Ghz Processors • 1 Gbit Ethernet connection between nodes Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

14. 3.9 LAMIItaly(ARPA-SIM UGM ARPA Piemonte) Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

15. Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

16. Why Limited Area Ensemble Prediction? • I sistemi di Ensemble Prediction sono stati inizialmente sviluppati a livello globale per affrontare il problema della predicibilità nel/oltre il medio termine ( dopo il giorno 4/5 di validità della previsione) • Date le enormi risorse di calcolo necessarie normalmente sono implementati a risoluzioni spaziali inferiori a quelle utilizzate per i modelli deterministici → impossibilità di prevedere precipitazioni intense e localizzate ↓ Ensemble Prediction ad Area Limitata Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

17. Dim 2 Si individuano 10 possibili scenari evolutivi Initial conditions Dim 1 LAM scenario Dim 2 LAM scenario Si utilizzano I dieci scenari a scala globale per “guidare” dieci previsioni a scala locale a maggiore risoluzione orizzontale LAM scenario Dim 1 Initial conditions COSMO-LEPS EPS and ensemble size reduction Membri dell’ensemble globale selezionati come rappresentativi dei 10 scenari evolutivi Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

18. Dissemination to the COSMO community (+ Hungary) Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

19. Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

20. Limited Area Ensemble Predictionnel breve-brevissimo termine Nonostante i grossi miglioramenti delle varie componenti della catena modellistica previsionale, e le implementazioni ad altissima risoluzione dei LAM per le previsioni a breve termine, la previsione quantitativa della precipitazione (dove, quando e quanto) è ancora una grossa sfida…. ….anche in considerazione del basso grado di predicibilità che caratterizza la maggioranza degli eventi intensi e localizzati ↓ L’approccio probabilistico (Ensemble) necessario anche nel breve-brevissimo termine ad alte risoluzioni Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

21. 10000 SI 1000 100 NO 10 1 Km ------- hours 1 3 6 12 24 48 72 120 240 Predicibilità Deteministica(rappresentazione puramente qualitativa) ©tecnotr.paccagnella.press 2005 Calo di predicibilità deterministica >> Approccio probabilistico Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

22. COSMO-SREPS Dim 2 LAM scenario Dim 1 Initial conditions LAM scenario Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

23. 2 Propagazione dell’incertezza Limited Area Ensemble Prediction Systems 1 Limited Area Ensemble Prediction Systems 2 Statistical approach 6 Deterministic approach Short Range Forecast Very Short Range Forecast Nowcasting Monitoring 1/3 hours before the event During the event 12/18 hours before the event 4/5 days before the event 3/2 days before the event Modellistica/Valutazioni Idrologiche & Geologiche Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

24. LM 2.8 Evento 21/01/03 00 UTC: istante di previsione +12-18 h Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005 LM 7

25. Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

26. The system • Observation • Atmospheric modelling • Hydrological modelling • End user (authorities, society, economy) WG1 WG2 WG3 Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

27. Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

28. Valutazione dell’incertezza: Ensemble Meteo  Ensemble Idro Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

29. Valutazione dell’incertezza: Multi-Model ensemble Meteo  Ensemble Idro Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

30. Evento 21/01/03 00 UTC: istante di previsione +12-18 h moloch Obs_thiessen LM 7 Obs_block kriging LM 2.8 Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

31. Accoppiamento Meteo-Idro: localizzazione delle strutture precipitazione Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

32. Verifica/Validazione Ultimo e fondamentale anello della catena previsionale: • Il prodotto è utile? • Identificazione problemi → feed-back a chi sviluppa il modello • Possibilità di correggere eventuali errori sistematici (almeno soggettivamente) Criticità: • molte sulle metodologie soprattutto con modelli ad altissima risoluzione • Disponibilità osservazioni “adeguate” Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

33. Verifica/Validazione COME: • Verifica con indici “di categoria” : TS, Bias, RMS,….→ confronto con la comunità modellistica meteorologica • Verifica finalizzata all’applicazione: • parametri ai quali l’applicazione è maggiormente sensibile (QPF: massimi di precipitazione, volumi d’acqua sui bacini, distribuzione della precipitazione nel bacino) → quantificazione dell’incertezza sviluppando sistemi di ensemble anche a livello di post-elaborazione del prodotto Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

34. Verifica/Validazione COME: • Verifica delle catene modellistiche nel complesso: meteo-idro meteo-geo • Migliore previsione di portata • Migliore previsione della possibilità di innesco di frane • Valutazione costi-benefici ( soprattutto per ensemble systems): • Definizione dei valori ottimali di probabilità di occorrenza dell’evento (superamento di soglie) per ottimizzare C/L Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

35. Un prodotto ha valore quando influenza positivamente le procedure decisionali. E’ necessario una forte collaborazione tra chi genera e valida i prodotti e chi li utilizza nelle proprie applicazioni o in processi decisionali E’ necessario educarsi (reciprocamente) all’utilizzo di informazioni sull’incertezza / probabilità Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

36. Grazie per l’attenzione Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

37. Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

38. Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

39. Obs_th LM 2.8 Evento 21/01/03 00 UTC: istante di previsione +12-18 h Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005 LM 7

40. Obs_th moloch Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005 bolam 00-06 h

41. Obs_th moloch Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005 bolam 06-12 h

42. moloch Obs_th Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005 bolam 12-18 h

43. Obs_th moloch Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005 bolam 18-24 h

44. Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

45. Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

46. In the next 5-10 years, several trends in the development of NWP models, assimilation schemes and EPS are evident. Operational limited-area models will move to resolutions of 1-3km, at which many research experiments are already conducted. At the same time, limited-area EPS will become operational at resolutions of around 10-20km. 4D-Var data assimilation schemes will become increasingly common operationally, incorporating improved techniques for the assimilation of cloud and rainfall data, aided by improved representations of microphysics. At the finest resolutions, however, alternative techniques for rainfall assimilation may still prove more feasible computationally for operational schedules. One can also anticipate greater interaction between the assimilation and ensemble prediction communities as techniques like Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

47. Organisational • Andrea Rossa, ARPA Veneto: chairman • I, CH, D, PL, GR participate • Total 16 countries Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

48. Limited Area Ensemble SystemsConceptually simple approaches • Dynamical downscaling of Global EPS: improvement of the forecast essentially due to the increased resolution of LAMs • Multi-Model Multi-Analysis: the use of different models and different analyses systems allows an efficient way to account for analyses and model errors. Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

49. Limited Area Ensemble SystemsOther methodologies • Perturbations on the Initial conditions (analysis errors): • SV, Breeding, EnKF, ETKF • Perturbation of the model trajectories (model errors): • Pert. of tendencies • Perturbation of model parameters • Different physical schemes Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005

50. COSMO-LEPS COSMO-LEPS has been designed to improve forecasting capability of extreme events (mainly precipitation) with probabilistic support in the Late- Short (48hr)÷ Early Medium (120hr) range Tiziana Paccagnella – Stefano Tibaldi Il Centro Funzionale e la Previsione del Dissesto Idrogeologico in Emilia-Romagna - Bologna 4 novembre 2005