Sistema Idro-Meteo-Mare

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 è 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, operativo a partire dal 2000, comprendeva 4 modelli in cascata: il modello BOLAM in versione parallela (la cui configurazione originale, precedente a quella successivamente istallata nel 2009, era denominata QBOLAM dal nome del supercalcolatore QUADRICS sui cui era implementata) utilizzato per la previsione meteorologica sul bacino del Mediterraneo; il modello WAM per la previsione dello stato del mare sul Mediterraneo; i modelli 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, era 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 (non più operativa).

A seguito di una robusta e continua attività di verifica (forecast verification), riportata nei lavori presenti nella sezione "Pubblicazioni e presentazioni", il sistema SIMM è 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 più efficienti, sia dal punto di vista computazionale sia in termini di qualità della previsione numerica prodotta. 

A partire da settembre 2015, è operativa la nuova catena modellistica del SIMM comprende tre segmenti previsionali. 

Il primo segmento, che è alla base della catena modellistica, è quello meteorologico. Attualmente, è operativa la configurazione sviluppata a seguito dell'iniziativa internazionale HyMeX - HYdrological cycle in the Mediterranean EXperiment (vedi sotto) che comprende il modello BOLAM a 0.07° a cui è innestata una versione del modello meteorologico non-idrostatico MOLOCH a 0.0225° in grado di rappresentare esplicitamente i fenomeni convettivi. Questa configurazione è operativa su un cluster HPC ad alte prestazioni (16 nodi HP SL230s Gen8, 256 core). Originariamente, il segmento meteorologico comprendeva invece il BOLAM configurato su due domini innestati (one-way nested): il modello sul dominio padre a 0.3° (ca. 33 km) era denominato H.R BOLAM; mentre quello sul dominio a 0.1° (ca. 11 km) era denominato V.H.R. BOLAM.

Il secondo segmento è costituito dal sistema di previsione marino-costiera Mc-WAF per la previsione dello stato del mare a scala di Mediterraneo (1/30 deg. res.), regionale (1/60 deg. res.) e costiera (1/240 deg. res.). Per l'inizializzazione del modulo previsionale Mc-WAF sono adottate le previsioni del BOLAM a 0.07° e quelle ad altissima risoluzione del MOLOCH. Tale segmento, anch'esso operativo sul cluster HPC, sostituisce il modello WAM presente nella configurazione originale del SIMM.

Il terzo segmento è costituito dal sistema di previsione per la Laguna di Venezia basato sul nuovo modello SHYFEM, che rappresenta una versione aggiornata e migliorata del modello VL-FEM. Il modello SHYFEM è accoppiato direttamente con il modello BOLAM a 0.07°.

L'attuale catena modellistica del SIMM avente come componente meteorologica il sistema BOLAM-MOLOCH è stata inizialmente sviluppata per le attività previsionali previste ed effettuate nell'ambito dell'iniziativa internazionale HyMeX. L'operatività è stata, successivamente, decisa sulla base degli ottimi risultati riscontrati durante una attività 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 2012–marzo 2013, comprendente le due campagne di misura dell'iniziativa HyMeX, denominate SOP - Special Observation Period. La configurazione meteorologica con il BOLAM innestato su due domini è stata mantenuta funzionate, come legacy dell'iniziale struttura del SIMM, fino all'inizio di settembre 2019.

 

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

BOLAM

Il BOlogna Limited Area Model (BOLAM) è un modello idrostatico alle differenze finite sviluppato presso l'ISAC-CNR di Bologna. 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 di calcolo SGI-Altix. La versione operativa sul calcolatore SGI-Altix era stata successivamente aggiornata con quella del 2011 che includeva schemi di parametrizzazione avanzati per la pioggia convettiva, la radiazione, la turbolenza e il suolo, e comprendeva l'avvezione esplicita di cinque idrometeore. 

La componente meteorologica attualmente operativa nel SIMM comprende una versione più aggiornata del modello BOLAM (attualmente quella del 2019), definita su una griglia più fitta con passo di 0.07° (ca. 7,8 km) e su un dominio più esteso (si veda figura sottostante), ed è inizializzata direttamente dalle analisi e previsioni delle corse 0000 e 1200 UTC del modello dell'IFS - Integrated Forecasting System dell'ECMWF - European Centre for Medium-Range Weather Forecasts ad una maggiore risoluzione spaziale e temporale rispetto a quelle originariamente utilizzate. Questa versione è implementata su un cluster HPC ad alte prestazioni a 16 nodi, 256 core. Le previsioni a 132 ore per diversi campi a terra e in quota 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, è 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'operatività, il dominio del modello MOLOCH è stato esteso al fine di includere l'intero territorio nazionale (approssimativamente 49–34° N e 5–25° E, come mostrato nella figura sottostante). Le previsioni a 84 ore prodotte con passo orario da questa configurazione di MOLOCH (attualmente è operativa la versione 2019 del modello) 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) presente nella configurazione originale del SIMM produceva 84h di previsioni a 0.1° (circa 11 km) sul Mar Mediterraneo di altezza significativa e direzione delle onde ed era forzato dalla previsione BOLAM di vento superficiale. Il modello 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, l’ISPRA ha sviluppato e implementato operativamente un sistema di previsione marino-costiera denominato Mediterranean-embedded Costal WAve Forecasting system (Mc-WAF) che, avvalendosi delle previsioni di vento del modello BOLAM e del modello MOLOCH, produce le previsioni dello stato del mare sul Mediterraneo e su specifiche aree costiere di interesse nazionale. Il sistema Mc-WAF è costituito dalla nuova versione di terza generazione del modello WAM ed è strutturato su tre livelli in cascata: dalla grande scala (Mar Mediterraneo), alla scala regionale e quindi alla scala costiera. Il WAM sul Mediterraneo è inizializzato con il vento prodotto dal BOLAM a 7.8 km e fornisce una previsione con passo di 1/30 di grado, che è successivamente utilizzata come condizione al contorno per le simulazioni sulle nove aree a scala regionale. Sulle aree regionali è impiegato il WAM con un passo di griglia di 1/60 di grado; le previsioni del WAM a scala regionale sono poi utilizzate per fornire le condizioni al contorno necessarie a simulare nelle aree selezionate i processi fisici legati alla propagazione delle onde in aree costiere e acque basse. Nelle aree a scala costiera il passo di griglia è 1/240 di grado. Sui 9 domini a scala regionale (i mari italiani) e sui 6 domini costieri è impiegato il vento ottenuto con il modello non idrostatico MOLOCH a 2.5 km. Le previsioni prodotte giornalmente dal Mc-WAF sono reperibili nella sessione "Previsioni sullo stato del mare".

POM e VL-FEM

La versione shallow water del modello oceanografico Princeton Ocean Model (POM) è stata utilizzata nella configurazione originale del SIMM per fornire la previsione dell’altezza di marea sul Mar Adriatico. Il modello POM era 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, erano poi utilizzate per forzare il Venice Lagoon-Finite Element Model (VL-FEM), che rappresentava una versione a 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 (attualmente le previsioni di pressione atmosferica s.l.m. e di vento a 7.8 km) con il modello Shallow water HYdrodynamic Finite Element Model (SHYFEM) sviluppato dall'ISMAR-CNR di Venezia e permettendo anche la possibilità 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 già utilizzata dall'ISPRA (sezione di Venezia) 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 finalità istituzionali dell’ISPRA 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 del Sistema Nazionale a rete per la Protezione dell'Ambiente (SNPA), le Regioni e le Province autonome, e con le omologhe strutture europee, i prodotti del SIMM sono impiegati anche in ambito di ricerca in collaborazioni con le comunità 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 nonché 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, è da ricordare che l'ISPRA 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, è 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 attività 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.gov.it

 

 

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