Previsioni stagionali e teleconnessioni: un connubio in via di sperimentazione

[andrea.corigliano]

La complessità del motore atmosferico ci ha sempre invitato alla prudenza ogni qual volta un modello numerico di previsione si appresta a descrivere uno scenario evolutivo ad una distanza temporale superiore ai 5-7 giorni, specie se il grado di affidabilità evidenziato dalle ENS diminuisce all’aumentare della divergenza dei vari scenari possibili che vengono descritti. Sebbene ci si avvii, dopo un certo step temporale, verso una bassa predicibilità dell’evoluzione atmosferica, i modelli mantengono pur sempre una visione globale “continua” (passatemi questo termine errato… vedrete in seguito perché) di ciò che avviene a tutte le quote nel senso che, deciso un particolare passo di griglia, ogni passo costituisce una tappa forzata a cui bisogna fermarsi per osservare qual è la situazione osservata o quale sarà la previsione futura in quel punto. Anche se possiamo provare ad addentrarci ancora di più nello specifico aumentando il numero di tappe forzate in cui è obbligatorio fermarci (sto parlando di un modello LAM), il dominio sul quale i modelli numerici elaborano i dati rimane sempre discretizzato e, anche spingendoci al limite per ottenere la risoluzione migliore tenendo presente tutte le complicanze del caso, ci sarà sempre un fenomeno di sottogriglia di cui non potremo mai conoscere a fondo la fisica se non abbozzando una parametrizzazione che lo descriva. Un fenomeno che, all’interno del motore atmosferico, potrà proprio costituire quel “battito d’ali di una farfalla” che sfugge al controllo del modello stesso e che può arrivare a perturbare notevolmente la stabilità di una previsione. Imbrigliare l’atmosfera all’interno di una rete appare quindi un metodo efficace per predire il comportamento delle masse d’aria a patto che si tengano sempre in mente tutti i possibili disturbi che possono portare, dopo un certo tempo, ad amplificare notevolmente quel rumore di fondo in cui sarà immersa l’evoluzione dell’atmosfera che più si avvicinerà poi alla realtà. Siamo quindi alle prese con osservazioni, con equazioni, con parametrizzazioni e con soluzioni numeriche che disegnano tutti i possibili scenari a cui l’atmosfera può andare incontro.

Le previsioni basate sulle teleconnessioni poggiano su questi stessi principi? Non esattamente. Per certi aspetti ci avviciniamo molto, mentre per altri il metodo e l’approccio utilizzati si allontanano dall’affrontare il tema seguendo un criterio prettamente fisico-matematico. Partiamo innanzitutto dalle osservazioni, cioè dalle condizioni iniziali che individuano lo stato di partenza del sistema. Così come in atmosfera rileviamo temperatura, umidità, pressione ecc…, allo stesso modo conosciamo quali sono i segni delle SSTA, della NAO, dell’ENSO e di tutti i restanti indici. Ma a differenza di quanto avviene in atmosfera in cui, seguendo un preciso passo di griglia, si conoscono tutti i valori dei parametri in tutti i punti del passo di griglia, l’analisi “sinottica” degli indici teleconnettivi appare un’analisi “a compartimenti stagni” e sicuramente ben più discontinua rispetto a quanto avviene per l’atmosfera (ecco perché prima parlavo di una visione globale “continua”). È logico e naturale che ci siano dei legami tra oceano e atmosfera, ma in questo caso ci troviamo di fronte a dover tener presente un tipo di interazione tra due ambienti differenti che è regolato, per ben due volte, dalla teoria del caos: in primo luogo perché, ad esempio, è impossibile conoscere esattamente la perfetta interazione tra una massa d’acqua calda e lo strato atmosferico a stretto contatto con essa e, in secondo luogo, è impossibile conoscere di preciso l’evoluzione di questa interazione all’interno dell’involucro atmosferico, né come questa interazione potrà influire su tutte le componenti che costituiscono questa evoluzione.

Tenendo presente quanto detto, è proprio impossibile riuscire allora a inquadrare uno scenario evolutivo di una stagione basandoci sulle teleconnessioni? Se dovessimo rispondere irrigidendo la nostra mente e limitandoci a pure conclusioni basate sui principi fisico-matematici diremmo seccamente che una previsione stagionale di questo tipo non ha alcun valore. Ma un simile comportamento non è tipico di chi vuole sperimentare e vuole fare scienza. Parlare di previsioni stagionali facendo considerazioni su indici teleconnettivi non vuol dire essere degli alchimisti, piuttosto significa cercare di fare chiarezza su un’interazione tra oceano e atmosfera che certamente esiste ma che è ancora difficile da inquadrare dal punto di vista prettamente matematico. E se i modelli numerici ancora difettano su questo, non è detto che alcune lacune possano essere colmate attraverso l’uso di un modello mentale, cioè un modello sperimentale che analizzi il quadro cercando di soppesare nel modo più corretto possibile i risultati che potrebbero portare un’interdipendenza a cascata di un congruo numero di indici. È un compito assai difficile che può essere svolto solo se si ha una visione globale corretta della situazione iniziale e se si ha la consapevolezza che l’interdipendenza tra i vari parametri connettivi non è affatto lineare. Se poi la previsione risulterà sbagliata, l’errore non dovrà davvero essere ricercato nel metodo e nell’approccio utilizzato, perché il modello mentale partorito dal cervello umano ha certamente i suoi limiti. Semplicemente, mancando in questo tipo di previsione teleconnettiva l’aspetto prettamente matematico, ovvero le equazioni dell’evoluzione del sistema nonché come sono legati fra di loro i vari parametri, è impossibile che il modello mentale possa inquadrare anche dal punto di vista numerico ciò che è visto come una previsione frutto del risultato di un ragionamento logico che ha pur sempre solide fondamenta.

Porte spalancate, quindi, a questo tipo di previsione, tenendo sempre presente che si tratta pur sempre di un approccio sperimentale che, per ovvie ragioni, si limita a inquadrare un’evoluzione tralasciando tutti quei disturbi che possono perturbare un’evoluzione che è stata prevista con la sola forza della ragione. Il risultato è che se il pattern complessivo descritto è di natura stabile un impulso perturbativo non intaccherà tale evoluzione e viceversa. Vi invito quindi ad apprezzare quanto verrà scritto o è stato scritto a tal proposito dai ragazzi del CS e del CPS, tenendo bene a mente quali sono i punti di forza e i limiti di questo tipo di previsioni stagionali. Solo così eviteremo in seguito di dover dare spiegazioni sul metodo adottato, perché su questo non ci sarà proprio nulla da dire: è sperimentale.

[4ecast]

Faccio mio questo intervento di Andrea.

Spesso nei td che vengono aperti sulle analisi stagionali viene detto esplicitamente che sono analisi allo stato sperimentale. Dopo questo ottimo intervento, esso risulterà implicito.

[mat69]

Una grandissima ed esaustiva esplicazione circa le modalità di approccio, di lettura e di valutazione degli outlooks e dei fondamenti che ne stanno alla base.Complimenti per la tua chiarezza Andrea.

[Tormenta]

Chiarissimo ed esaustivo intervento Andrea. Si mettono così i presupposti per riuscire ad apprezzare i vari lavori sulle teleconnessioni sviluppati in questo forum.

[mmg1]

Perfetta sintonia con quanto detto Andrea, e infatti il lavoro sulle teleconnessioni va interpretato come un work in progress.
Questo per due semplici motivi: il primo resta relativo a quella dose di "irrazionalità" e "complessità" che contraddistingue la fisica dell'atmosfera per cui anche lo sbattere delle ali diventa un'incognita previsionale.
Il secondo perchè restano ancora infinite possibilità nello studio di parametri ancora misconosciuti che vanno al di la' delle semplici interazioni dirette e si spingono verso feedbacks di difficile interpretazione e quindi difficilmente imbrigliabili.
Il nostro viaggio nelle teleconnessioni perciò sara lungo e insidioso ma la nostra speranza resta quella di capire sempre meglio questo affascinante settore per poter avere idee sempre più chiare.
Saluti.

[montel-NA]

Condivido appieno il tuo inappuntabile intervento caro Andrea, e non a caso qualche giorno fa in risposta ad un quesito dell'amico Alessandro Foiano ho espresso queste brevi considerazioni:

http://forum.meteonetwork.it/showthr...t=61245&page=4

La Scienza deve progredire e vivaddio lo sta facendo, ma senza dimenticare mai che chi va piano va sano e va lontano.

[steph]

Piena condivisione su quanto dice Andrea.

Non solo il connubio è ancora molto sperimentale: io credo che forse non potrà mai fare a meno di esserlo (anche se probabilmente in futuro lo sarà un po' meno).

Si tratta in effetti di un ambito molto euristico, nel senso che, a differenza dell'ambito algoritmico (che garantisce una risposta ottimale ad una domanda), permette di rispondere ad una domanda (ad es. la domanda sulla tendenza climatica della prossima stagione) senza tuttavia offrire garanzie di farlo. Perché il metodo e le ipotesi da cui dipende questo ambito scientifico non è fisso e standardizzato.

Infatti l’approccio alle previsioni stagionali (ma meglio sarebbe chiamarle proiezioni) è per sua stessa natura di tipo empirico. Permette di quantificare le aspettative basate sull’esperienza accumulata (data dalla conoscenza basata su osservazioni passate e sulla loro analisi statistica e fenomenologica) e provvede a fornire stime sull’incertezza del tipo di previsione.
Questo tipo di approccio è ideale in virtù della natura complessa del sistema oceano/atmosfera, perché in generale riesce a rappresentare abbastanza bene e in modo realistico questo grado di complessità fisica. E questo nonostante si appoggi parecchio pure sulla statistica (ad es. nella presunta possibilità di “scorgere” in anticipo lo stato del sistema appoggiandosi su analogie con anni passati che presentavano indici teleconnettivi simili).

A differenza delle previsioni meteorologiche convenzionali, che usano soprattutto operazioni numeriche su set di dati, le stagionali si appoggiano maggiormente su procedure simboliche, con tutti i vantaggi che questo aspetto può comportare. A condizione, naturalmente, di saper interpretare nel giusto modo questo tipo di informazione.
La natura simbolica di questo tipo di previsione permette di rappresentare configurazioni ambientali complesse attraverso cosiddetti modelli configurativi.
Un semplice esempio di modello configurativo in area euro-atlantica può essere rappresentato dalle specifiche caratteristiche della depressione semipermanente islandese: forza (per es. anomalie bariche positive o negative) e posizione geografica (per es. molto più a nord o a sud della media) rappresentano un’informazione integrata sull’attività delle perturbazioni e sulla forza dei venti occidentali fra Nordatlantico ed Europa occidentale.
E l’attività delle perturbazioni così come la forza dei venti occidentali hanno ovviamente delle conseguenze diverse sul comparto euro-atlantico, a seconda che siano per es. più o meno forti rispetto ad una media climatologia di riferimento.
Esistono poi specifici pattern “codificati”(alcuni più importanti di altri per determinate aree come ad es. quella euro-atlantica) che possono fornire un’informazione integrata proprio su una tipologia di caratteristica come quella spiegata sopra: nell’esempio citato della depressione islandese, ovviamente, il pattern di riferimento più importante è la NAO.

In generale, i modelli configurativi sono come una tecnica di concentrazione informativa che trasforma set di dati multipli in una singola rappresentazione compatta, semplificando numerosi passaggi intermedi per evidenziare le caratteristiche essenziali: ad es., per tornare al caso di prima, la previsione di una NAO molto positiva, già ci fornisce una serie di elementi che, in sé, accludono specifiche caratteristiche climatiche su un comparto relativamente vasto come quello euro-atlantico.
Queste ultime, unitamente a molti altri modelli configurativi, permettono quindi di delineare una proiezione climatica a lunga scadenza, idealmente da fornire come una tendenza probabilistica che pochi importanti elementi climatici (tipicamente: temperatura dell’aria e precipitazioni) si collochino sopra, sotto o nella media di riferimento.

E qui, chiaramente, emerge uno dei grossi limiti di questo tipo di proiezioni: l’impossibilità (evidente!) che le si possa effettuare al di sotto di una soglia spaziale critica. Solo su scala a griglia larga è possibile effettuarle, ad es. l’Europa occidentale o meridionale o (al limite) l’area alpina.

D’altronde, nonostante le possibilità sempre date di migliorarne l’efficacia, non è nemmeno nello scopo e nella natura di questo genere di previsioni quello di fornire un’informazione dettagliata e precisa sia dal punto di vista temporale (del tipo: nevicherà a Natale quest’anno?) che spaziale (del tipo: nevicherà a Milano quest’inverno?).
Lo scopo, come spiegato sopra, è altro.
E nemmeno la natura di questo tipo di previsioni può ovviamente essere la precisione spazio-temporale, vista la complessità del sistema (e visto quanto brillantemente postato da Andrea).
Il principio di incompatibilità ci ricorda che, ad un’accresciuta complessità di un sistema, corrisponde una riduzione della nostra abilità di effettuare precise e significative asserzioni circa il comportamento del sistema stesso.
Per questo, quindi, ci può venire in aiuto una tipologia di previsioni come le proiezioni stagionali o a lungo termine.

[andrea.corigliano]

Ottimo contributo Stefano, che aiuta a capire quanto sia complesso questo tipo di approccio utilizzato per le proiezioni stagionali. In particolare, quoto questa frase che secondo me è veramente densa di significato:

...Non solo il connubio è ancora molto sperimentale: io credo che forse non potrà mai fare a meno di esserlo (anche se probabilmente in futuro lo sarà un po' meno)...

Di solito, se utilizzando il metodo sperimentale vogliamo osservare un fenomeno, dovremmo arrivare dopo un certo numero di esprimenti a capire qual è il comportamento di questo fenomeno in modo tale da ipotizzare una legge fisica che inquadra, attraverso una formula, quali sono le variabili che, ben soppesate, descrivono il suo evolvere. Nel campo dell’interazione oceano-atmosfera, invece, ci troviamo di fronte ad una situazione quasi paradossale perché sebbene gli esperimenti (cioè l’esperienza) ci dicono che, ad esempio, esiste una correlazione tra SSTA e situazioni di blocco, vediamo poi quanto sia impossibile dare a questa correlazione un aspetto quantitativo che ci dia la sicurezza che, entro certo valore di soglia, il comportamento futuro dell’atmosfera sia questo o quello. Si tratta quindi di un metodo sperimentale per certi versi impotente perché, sebbene provi l’esistenza di determinate correlazioni tra diversi indici teleconnettivi, non riesce ad andare oltre ed a spingersi più a fondo per comprendere meglio questa interdipendenza. Non perché questa legge complessa non esista, ma perché la ragione umana è limitata di fronte agli infiniti e caotici modi di interazione possibili in cui può esplicarsi tale legame.

Io credo che questo sia il limite estremo fino al quale la scienza può spingersi, perché quando arrivi a prendere visione che esiste qualitativamente una relazione ben precisa tra il comportamento dell’oceano e quello atmosferico ma non riesci a dare un volto preciso a quanto hai dinnanzi, vuol dire che hai capito il funzionamento del meccanismo ma è ancora impossibile analizzare i suoi ingranaggi. La meraviglia di tutto questo è che, con questo tipo di approccio, si ha come l’impressione di voler giocare una partita con molti dadi, in cui noi conosciamo il numero di quasi tutte le facce (ovvero gli indici TLC noti), conosciamo quali sono i tipi di combinazioni che portano ad un certo tipo di stagione, ma ogni volta siamo alle prese con una combinazione nuova che rende quell’inverno unico e irripetibile. E non può essere altrimenti, visto che è il caos che tiene le redini del gioco.

[Forever1929]

molto bello questo pezzo.

Apre veramente le menti:

in conclusione i modelli stagionali valgono ben poco ma non possiamo/vogliamo sottrarci questo intrigante fascino del sapere, proprio perchè i modelli stagionali sono l'"esasperazione" dei GM e delle teleconnessioni, cioè di quello su cui ci basiamo per fare previsioni a breve termine.

buonanotte

[andrea.corigliano]

...in conclusione i modelli stagionali valgono ben poco ma non possiamo/vogliamo sottrarci questo intrigante fascino del sapere, proprio perchè i modelli stagionali sono l'"esasperazione" dei GM e delle teleconnessioni, cioè di quello su cui ci basiamo per fare previsioni a breve termine...

Un attimo… caro For, distinguiamo bene la cosa.

Le proiezioni fornite dai modelli stagionali sono una cosa, mentre quelle che derivano dall’analisi degli indici teleconnettivi sono ben altra cosa. Il modello stagionale vero e proprio emette un responso che deriva dalle soluzioni delle equazioni, cioè è una previsione numerica. Le proiezioni che invece derivano dall’analisi delle teleconnessioni si basano esclusivamente sull’analisi d’insieme degli indici teleconnettivi e, valutando quali sono state le combinazioni negli anni passati che hanno portato magari ad uno scenario freddo, si valuta se grosso modo ci sono i presupposti perché questo stesso scenario può ripetersi, ovvero se siamo di fronte ad una combinazione simile (ma non uguale) degli stessi indici. Si tratta quindi di una previsione su base statistica e non su base numerica.

Come dicevo all’inizio, questo approccio può tentare di colmare le lacune che ancora intaccano la previsione di un modello numerico, tanto è vero che non è raro imbattersi in una visione completamente opposta tra ciò che emette un modello numerico e ciò che presupporrebbe l’analisi teleconnettiva. Ad esempio, il MetOffice prevedrebbe un inverno caldo mentre, allo stato attuale, dall’attenta analisi fatta da Luigi (mmg1) emerge che quest’anno si presterebbe a incursioni meridiane e a SW.

Al momento, i modelli stagionali non godono di ottima reputazione, per il semplice motivo che sono in fase di perfezionamento. L’alternativa è quindi quella di costruirci noi un modello mentale e, basandoci appunto sulla statistica degli ultimi decenni, provare a comporre un puzzle mettendo insieme quanto si sa sui valori di tali indici e su come questi possono incastrarsi fra di loro, tenendo però a mente che magari molte interdipendenze sono sconosciute, così come non conosciamo quali sono i pesi di ogni singolo indice nel plasmare il nuovo scenario invernale. In questo modo, non si fa altro che esplorare una nuova branchia della meteorologia dal punto di vista qualitativo: un approccio certamente scientifico perché sperimentalmente è provato che il segno di una QBO, di una NAO, di una SSTA o di uno SCAND portano a favorire alcune circolazioni piuttosto che altre.

Quindi ripeto: i modelli climatici su base numerica non sono paragonabili ai modelli mentali su base statistica: questi ultimi aiutano a capire quali potrebbero essere le dinamiche atmosferiche più probabili rispetto alle altre, ma non possono spingersi a dire, ad esempio, dove e quando nevicherà.