Spread (non spritz), deviazione standard ed amenità varie....

[W.iscoming]

Buonasera a tutto il forum, considerato l'interesse (ed anche un certa polemica) scaturita dall'argomento di questa discussione, interesse che è anche il mio, provo a dire come la penso sull'argomento, sperando di suscitare un dibattito costruttivo e fondato su argomentazioni per quanto possibile scientifiche, con l'avvertenza di aver ben presente le seguenti premesse.

1) apro la discussione in questa sezione del forum per la sua attinenza con la consultazione dei modelli, ma come già suggerito da uno dei moderatori, chiedo di spostarla nella sezione ritenuta più consona , magari dopo che la stessa si sia avviata;

2) l'argomento richiede solide basi di conoscenze scientifiche in campo di modellazione dell'atmosfera e dei relativi strumenti ancillari statistici, conoscenze che non sono proprie del mio know how, essendo la mia formazione giuridico-economico-manageriale, per cui le uniche intersezioni con tali discipline (e comunque in un altro campo di studi) sono state quelle dell'esame di statistica e statistica economica ;

3) proprio per queste mie carenze, proverò prima a descrivere con le mie poche elementari conoscenze ciò che ho capito di questi strumenti, sperando che a seguire i "ferrati" in materia (e so che ce no sono tanti) approfondiscano il discorso per chiarire le problematiche interpretative emerse nel forum sul loro utilizzo nell'ambito della consultazione dei GM.

Per mia comodità farò riferimento all'emissione 00Z del modello ECMWF del 19/12/2020, focalizzando la mia attenzione su due punti della mappa dello spread a 168 ore, uno poco a sud della Groenlandia (croce rossa), uno in centro Italia (croce blu) - tutte le ENS successive saranno riferite a quei punti, ovviamente con la dovuta approssimazione-.

Cattura.PNG

Con riferimento al segnaposto rosso a seguire ENS dell'altezza geopotenziale a 500 hpa ed ENS della temperatura a 850 hpa, dove sono evidenziati i valori estrapolati per il timing di riferimento (00z 26/12/2020) e calcolata (approssimativamente) la relativa deviazione standard σ.

500 1.png
850 1.png

Stesse ENS per il segnaposto blu con indicazione dei parametri di interesse.

500 2.png

850 2.png

Passiamo ora alle definizioni (by wikipedia):

<Lo scarto quadratico medio (o deviazione standard, o scarto tipo, o scostamento quadratico medio) è un indice di dispersionestatistico, vale a dire una stima della variabilità di una popolazione di dati o di una variabile casuale.È uno dei modi per esprimere la dispersione dei dati intorno ad un indice di posizione, quale può essere, ad esempio, la media aritmetica o una sua stima. Ha pertanto la stessa unità di misura dei valori osservati (al contrario della varianza che ha come unità di misura il quadrato dell'unità di misura dei valori di riferimento). In statistica la precisione si può esprimere come lo scarto quadratico medio.>

omissis

<In fisica, è un ottimo indice dell'errore casuale della misurazione di una grandezza fisica>

Quindi, tornando a noi, i punti fermi che mia avviso vanno fissati quando osserviamo le mappe degli spread sono:

- sono misure della variabilità statistica della grandezza osservata, o meglio, nel nostro caso, un indice dell'errore nella misurazione della grandezza fisica stimata dal modello;
- sono riferite alle medie aritmetiche delle variabili metereologiche e quindi nulla hanno a che vedere con la rappresentazione delle corse c.d. ufficiali;
- sono quindi indicative della precisione/accuratezza della stima della variabile da parte del modello in quel preciso punto ed in quel determinato momento.

Sperando quindi di non aver detto sopra troppe corbellerie (invito ovviamente a correggere integrare i più esperti), vorrei successivamente porre le domande, che sono quelle centrali ed anche dibattute nel forum, sul perché tali dati vengono corredati ai modelli:

1) sono utili per poter fare una previsione della previsione del modello per una determinata area geografica (scusatemi il gioco di parole), integrativa e forse anche correttiva dello stesso, cioè in soldoni considerare gli elevati spread di un'area come indice di ulteriore variabilità del parametro di un'altra area per cui il modello prevede nella corsa uno spread ridotto?
2) sono solo dati che ci danno informazioni sulla variabilità ed accuratezza della stima di alcune variabili calcolate dal modello in precisi punti dello spazio e del tempo, in altre parole quanto possa essere ritenuta affidabile l'elaborazione modellistica per una zona addentrandosi nell'intervallo previsionale?

Io le mie idee le ho, ed anche ulteriori spunti di riflessione, ma lascio lo spazio alle vostre, se vi interessa e vi fa piacere......

[burian br]

Buonasera a tutto il forum, considerato l'interesse (ed anche un certa polemica) scaturita dall'argomento di questa discussione, interesse che è anche il mio, provo a dire come la penso sull'argomento, sperando di suscitare un dibattito costruttivo e fondato su argomentazioni per quanto possibile scientifiche, con l'avvertenza di aver ben presente le seguenti premesse.

1) apro la discussione in questa sezione del forum per la sua attinenza con la consultazione dei modelli, ma come già suggerito da uno dei moderatori, chiedo di spostarla nella sezione ritenuta più consona , magari dopo che la stessa si sia avviata;

2) l'argomento richiede solide basi di conoscenze scientifiche in campo di modellazione dell'atmosfera e dei relativi strumenti ancillari statistici, conoscenze che non sono proprie del mio know how, essendo la mia formazione giuridico-economico-manageriale, per cui le uniche intersezioni con tali discipline (e comunque in un altro campo di studi) sono state quelle dell'esame di statistica e statistica economica ;

3) proprio per queste mie carenze, proverò prima a descrivere con le mie poche elementari conoscenze ciò che ho capito di questi strumenti, sperando che a seguire i "ferrati" in materia (e so che ce no sono tanti) approfondiscano il discorso per chiarire le problematiche interpretative emerse nel forum sul loro utilizzo nell'ambito della consultazione dei GM.

Per mia comodità farò riferimento all'emissione 00Z del modello ECMWF del 19/12/2020, focalizzando la mia attenzione su due punti della mappa dello spread a 168 ore, uno poco a sud della Groenlandia (croce rossa), uno in centro Italia (croce blu) - tutte le ENS successive saranno riferite a quei punti, ovviamente con la dovuta approssimazione-.

Cattura.PNG

Con riferimento al segnaposto rosso a seguire ENS dell'altezza geopotenziale a 500 hpa ed ENS della temperatura a 850 hpa, dove sono evidenziati i valori estrapolati per il timing di riferimento (00z 26/12/2020) e calcolata (approssimativamente) la relativa deviazione standard σ.

500 1.png
850 1.png

Stesse ENS per il segnaposto blu con indicazione dei parametri di interesse.

500 2.png

850 2.png

Passiamo ora alle definizioni (by wikipedia):

<Lo scarto quadratico medio (o deviazione standard, o scarto tipo, o scostamento quadratico medio) è un indice di dispersionestatistico, vale a dire una stima della variabilità di una popolazione di dati o di una variabile casuale.È uno dei modi per esprimere la dispersione dei dati intorno ad un indice di posizione, quale può essere, ad esempio, la media aritmetica o una sua stima. Ha pertanto la stessa unità di misura dei valori osservati (al contrario della varianza che ha come unità di misura il quadrato dell'unità di misura dei valori di riferimento). In statistica la precisione si può esprimere come lo scarto quadratico medio.>

omissis

<In fisica, è un ottimo indice dell'errore casuale della misurazione di una grandezza fisica>

Quindi, tornando a noi, i punti fermi che mia avviso vanno fissati quando osserviamo le mappe degli spread sono:

- sono misure della variabilità statistica della grandezza osservata, o meglio, nel nostro caso, un indice dell'errore nella misurazione della grandezza fisica stimata dal modello;
- sono riferite alle medie aritmetiche delle variabili metereologiche e quindi nulla hanno a che vedere con la rappresentazione delle corse c.d. ufficiali;
- sono quindi indicative della precisione/accuratezza della stima della variabile da parte del modello in quel preciso punto ed in quel determinato momento.

Sperando quindi di non aver detto sopra troppe corbellerie (invito ovviamente a correggere integrare i più esperti), vorrei successivamente porre le domande, che sono quelle centrali ed anche dibattute nel forum, sul perché tali dati vengono corredati ai modelli:

1) sono utili per poter fare una previsione della previsione del modello per una determinata area geografica (scusatemi il gioco di parole), integrativa e forse anche correttiva dello stesso, cioè in soldoni considerare gli elevati spread di un'area come indice di ulteriore variabilità del parametro di un'altra area per cui il modello prevede nella corsa uno spread ridotto?
2) sono solo dati che ci danno informazioni sulla variabilità ed accuratezza della stima di alcune variabili calcolate dal modello in precisi punti dello spazio e del tempo, in altre parole quanto possa essere ritenuta affidabile l'elaborazione modellistica per una zona addentrandosi nell'intervallo previsionale?

Io le mie idee le ho, ed anche ulteriori spunti di riflessione, ma lascio lo spazio alle vostre, se vi interessa e vi fa piacere......

Premetto che sono tutt'altro che esperto, e che di spread fino a un anno e mezzo fa ne avevo sentito parlare solo ai TG, e non è quello di cui parliamo qui

Lo spread è una misura dell'incertezza della variabile considerata. Lo sintetizzerei in questo modo.

Nella mappa che hai postato, viene analizzato ad esempio il parametro "Z500" cioè i gpt dei 500 hPa.
Uno spread elevato in una data area sta a indicare una incertezza notevole nella corsa del modello. Attenzione: se anche lo spread in quella corsa non fosse molto alto, ciò non significa automaticamente che nelle prossime corse non possa essere rivisto al rialzo! Lo spread vale solo e soltanto per la corsa (o run che dir si voglia) cui si riferisce.

Possiamo interpretare quella carta, pertanto, nel seguente modo: considerando il run 00Z di ECMWF del 19/12/2020, lo spread previsto per le 168 h (00Z del 26/12/2020) relativamente ai gpt a 500 hPa, è molto alto tra Groenlandia e Islanda, e relativamente alto sulla Francia.
Tale spread ci suggerisce che l'incertezza della previsione di questo run è abbastanza alta per le aree sopra indicate, e che la situazione è lungi dall'essere chiara (sempre per quelle aree).
Probabilmente, possiamo ipotizzare (ma non possiamo dedurlo dal run, è una nostra ipotesi, una nostra interpretazione) che nei prossimi run assisteremo a possibili cambiamenti per quell'area geografica, che modificheranno isoterme e gpt anche in altre aree del globo in conseguenza, ma come ciò succederà non possiamo saperlo. Potrebbe anche non cambiare lo scenario attuale, e riconfermarsi.

[Copernicus64]

Su questo punto non so quanti qui nel forum siano in grado di darti delle risposte...

"2) l'argomento richiede solide basi di conoscenze scientifiche in campo di modellazione dell'atmosfera e dei relativi strumenti ancillari statistici"

La maggior parte di noi interpretano intuitivamente i modelli in base alle poche conoscenze di base. Tutto quel che posso dire è che lo spread è soprattutto una misura dell'affidabilità della previsione. Semmai ci sarebbero da fare ipotesi interessanti sul perchè a volte lo spread sia così ampio e a volte meno...io per esempio sostengo che l'incertezza è tale che il miglioramento nella risoluzione della griglia o nel potenziamento del sistema di equazioni sia poco utile perchè non c'è una conoscenza adeguata su come risponda il sistema atmosferico a certi meccanismi ancora poco ben capiti, come per esempio il suo stato elettrico, il livello di ionizzazione, la chimica dell'alta atmosfera, le gravity waves ecc...ecc...

Lo spread e gli spaghi sono interessanti perchè ci dicono come cambiando un parametro anche di pochissimo possa alterarsi totalmente lo scenario già dopo una decina di giorni...fenomeno puramente random? io non sarei così sicuro...

In effetti sarebbe interessante sapere come vengono cambiate le inizializzazioni dei modelli nei vari spaghi, quali sono i parametri fisici che vengono alterati e in che misura...

[TreborSnow]

Sono 20 anni che osservo le carte, da quando gfs non era gfs e si chiamava avn.
Ma ho visto postare per la prima volta qualche carta sullo spread l'inverno scorso, forse due anni fa.
E l'impressione che ho avuto è stata subito di un uso errato. Un alto spread equivale a grande incertezza nel punto o nella zona in cui è calcolato, non ovunque.
Invece il messaggio che spesso è passato è stato alto spread in una zona, può succedere di tutto a 3000km.
E non mi pare sia proprio così. Perché se a 3000km lo spread è basso c'è da stare tranquilli che non ci saranno grosse variazioni.
Variazioni intese ESCLUSIVAMENTE sul parametro considerato, perché su quelle si calcola lo spread.
Ovvero che se lo calcolo a 500hPa ed ho spread basso con media a 540 resto attorno a quel valore senza sapere nulla su tutto il resto, venti direzione temperatura, etc etc.
Inoltre allo stesso modo zone che hanno uno spread basso con piccole variazioni possono provocare stravolgimenti a grosse distanze.
È straovvio.
Ho poi voluto mettere in evidenza un aspetto non esclusivo ma concomitante.
Ovvero che uno spread elevato può derivare sia da singoli spaghi che seguono dinamiche differenti, sia da spaghi con dinamiche molto simili ma traslate nel tempo. Quante volte si commenta un modello dicendo è in ritardo rispetto a quell'altro?
Ieri gfs vedeva la prossima discesa fredda centrata a natale, ecmwf 18 24 ore dopo. Fossero stati due spaghi di uno stesso modello avrebbero provocato un innalzamento dello spread.
Ed ho postato gli spaghi sui geopotenziali di ecmwf che vedevano esattamente una traslazione nel tempo del transito di "bombolo" su UK.
Ribadisco: è straovvio che un ritardo può comportare dinamiche completamente differenti, ma a volte succede che un ritardo invece provochi solo un ritardo.
Ritengo dunque lo spread un parametro poco significativo per i nostri interessi. Perché non da alcun tipo di informazione. "Può succedere di tutto" non è una informazione utile.
D'altra parte lo spread è calcolato su due parametri normalmente. È roba per modellisti, un parametro sintetico per avere una idea sulla bontà di un run e per le zone difficoltose. Niente di più.
Anche e soprattutto perché ciò che produce lo spread è arcinoto, ovvero ogni singolo spago che lo ha generato.

[burian br]

Sono 20 anni che osservo le carte, da quando gfs non era gfs e si chiamava avn.
Ma ho visto postare per la prima volta qualche carta sullo spread l'inverno scorso, forse due anni fa.
E l'impressione che ho avuto è stata subito di un uso errato. Un alto spread equivale a grande incertezza nel punto o nella zona in cui è calcolato, non ovunque.
Invece il messaggio che spesso è passato è stato alto spread in una zona, può succedere di tutto a 3000km.
E non mi pare sia proprio così. Perché se a 3000km lo spread è basso c'è da stare tranquilli che non ci saranno grosse variazioni.
Variazioni intese ESCLUSIVAMENTE sul parametro considerato, perché su quelle si calcola lo spread.
Ovvero che se lo calcolo a 500hPa ed ho spread basso con media a 540 resto attorno a quel valore senza sapere nulla su tutto il resto, venti direzione temperatura, etc etc.
Inoltre allo stesso modo zone che hanno uno spread basso con piccole variazioni possono provocare stravolgimenti a grosse distanze.
È straovvio.
Ho poi voluto mettere in evidenza un aspetto non esclusivo ma concomitante.
Ovvero che uno spread elevato può derivare sia da singoli spaghi che seguono dinamiche differenti, sia da spaghi con dinamiche molto simili ma traslate nel tempo. Quante volte si commenta un modello dicendo è in ritardo rispetto a quell'altro?
Ieri gfs vedeva la prossima discesa fredda centrata a natale, ecmwf 18 24 ore dopo. Fossero stati due spaghi di uno stesso modello avrebbero provocato un innalzamento dello spread.
Ed ho postato gli spaghi sui geopotenziali di ecmwf che vedevano esattamente una traslazione nel tempo del transito di "bombolo" su UK.
Ribadisco: è straovvio che un ritardo può comportare dinamiche completamente differenti, ma a volte succede che un ritardo invece provochi solo un ritardo.
Ritengo dunque lo spread un parametro poco significativo per i nostri interessi. Perché non da alcun tipo di informazione. "Può succedere di tutto" non è una informazione utile.
D'altra parte lo spread è calcolato su due parametri normalmente. È roba per modellisti, un parametro sintetico per avere una idea sulla bontà di un run e per le zone difficoltose. Niente di più.
Anche e soprattutto perché ciò che produce lo spread è arcinoto, ovvero ogni singolo spago che lo ha generato.

Sono d'accordo ma a metà.
Prendi il caso di oggi: uno spread alto in Atlantico significa appunto come dici che la previsione su quell'area è incerta. Se un domani lo scenario dovesse cambiare drasticamente in quell'area, è possibile che cambi (ma meno drasticamente) anche da noi.

[TreborSnow]

Sono d'accordo ma a metà.
Prendi il caso di oggi: uno spread alto in Atlantico significa appunto come dici che la previsione su quell'area è incerta. Se un domani lo scenario dovesse cambiare drasticamente in quell'area, è possibile che cambi (ma meno drasticamente) anche da noi.

Il punto che non capisco in questa a quanto pare opinione diffusa è proprio qui.
In primo luogo perchè il cambio che può avvenire da noi, e drastico quanto ti pare, può avvenire anche senza spread elevati da altre parti. Questo semplice fatto implica necessariamente che non c'è correlazione diretta tra un spread alto in una zona (tra l'altro a migliaia di km) e un cambio drastico da noi. Perchè il cambio drastico da noi può dipendere da molteplici altre variabili.
In secondo luogo perchè lo spread elevato è legato esclusivamente a quella corsa e agli spaghi relativi.
Se un domani dovesse cambiare drasticamente lo scenario su quella zona il run esaminato è da cestinare tutto.
Semplicemente perchè vuol dire che quello scenario non appartiene a nessuno spago relativo a quel run che ha generato quello spread.
Se invece uno scenario anche estremo appartiene ad un qualche spago, io già so cosa potrebbe avvenire perche quello spago l'ho visto tutto.

Sembra invece che da uno spread elevato si possa prendere qualche spago che "ti piace", ci si lavora un po' dicendo "se mofifico un po' qui e un po li" e vedi che arriva l'85.
Io essenzialmente leggo le carte ma non mi interessa fantasticare sulla "fuffa". E' molto più interessante lavorare sulle teleconnessioni a quel punto e lascio agli esperti la parola.

Tra l'altro ti faccio notare che postare una mappa con lo spread senza la media attorno alla quale ruota quello spread non ha alcun senso.
Prendiamo ecmwf, i cui spaghi non li vedi



Che informazioni hai senza mettere la media?
Inoltre come spieghi il fatto che lo spread in area groenlandese ha effetto nullo sulle azzorre che sono ad un terzo di distanza rispetto alla nostra?
Eppure sono nettamente più vicine.
E' per questo che ho scritto che se uno vuol proprio commentare una mappa dello spread partisse almeno dalle zone che danno garanzie.
Infine: lo spread elevato in certe zone è elevato semplicemente perchè quelle zone hanno un range di geopotenziali ampio. Hai mai visto uno spread del genere su di noi? E' fisicamente impossibile, perchè da noi certi geopotenziali bassi non arrivano mai.

[AbeteBianco]

Provo a dare la mia interpretazione delle mappe degli spread avendo qualche conoscenza statistica, ma non fisica.

Io penso che quelle che troviamo su Meteociel come queste: Meteociel - Modèle Numérique ECMWF CEP, altro non indicano che la deviazione standard (1 sigma) delle ENS di un dato momento.
Si tratta a mio avviso quindi di un interpretazione unicamente matematica che non può dare indicazioni predittive su come si potrà evolvere una dinamica, la vedrei solo come un istantanea di cosa dicono gli spaghi in quel dato momento e data zona.
Non indicano l'apertura completa degli spaghi, ma la precisione, ovvero 1 sigma, quindi secondo la gaussiana il 68% delle soluzioni degli spaghi calcolati in quel run sarebbero comprese tra +sigma e -sigma. Si presuppone che gli spaghi presentino errori casuali (già filtrati di sistematici e grossolani, ovvio) e quindi una distribuzione normale gaussiana, approccio molto usato per definire la precisione delle misure in vari ambiti anche extra-meteorologici.

Esempio:
EEM1-168.gif
L'area di maggiore incertezza lo mettono con uno scarto tipo di 23 dam.

EDM1-168.gif
Vedendo la media assoluta si nota che in quella zona il valore assoluto non è ben definito ed è perché dipende da come piega la dinamica.

L'incertezza li è logica perché non saprei nemmeno io che valore assoluto leggere dalle Ens, provo con il celeste e dico 544 dam.
Lo spread di 23 dam indicherebbe quindi che il 68% delle soluzioni calcolate (a 1 sigma) sarebbe compreso tra +23 (567 dam) e -23 dam (521 dam) da quella media.

Questa è la mia interpretazione, presumo che le mappe siano impostate per indicare questo, ma in ogni caso è un approccio diffuso in metrologia, concetti di statistica e qualità quanto ho detto.

[TreborSnow]

Provo a dare la mia interpretazione delle mappe degli spread avendo qualche conoscenza statistica, ma non fisica.

Io penso che quelle che troviamo su Meteociel come queste: Meteociel - Modèle Numérique ECMWF CEP, altro non indicano che la deviazione standard (1 sigma) delle ENS di un dato momento.
Si tratta a mio avviso quindi di un interpretazione unicamente matematica che non può dare indicazioni predittive su come si potrà evolvere una dinamica, la vedrei solo come un istantanea di cosa dicono gli spaghi in quel dato momento e data zona. Non indicano l'apertura completa degli spaghi, ma la precisione, ovvero 1 sigma, quindi secondo la gaussiana il 68% delle soluzioni degli spaghi calcolati in quel run sarebbero comprese tra +sigma e -sigma.

Esempio:
EEM1-168.gif
L'area di maggiore incertezza lo mettono con uno scarto tipo di 23 dam.

EDM1-168.gif
Vedendo la media assoluta si nota che in quella zona il valore assoluto non è ben definito ed è perché dipende da come piega la dinamica.

L'incertezza li è logica perché non saprei nemmeno io che valore assoluto leggere dalle Ens, provo con il celeste e dico 544 dam.
Lo spread di 23 dam indicherebbe quindi che il 68% delle soluzioni calcolate (a 1 sigma) sarebbe compreso tra +23 (567 dam) e -23 dam (521 dam) da quella media.

Occhio a parlare di momento, il tempo non è contemplato in questa discussione.

[TreborSnow]

Aggiungo tra le tante difficoltà che ci sono nell'interpretare lo spread quello che succedeva nel run 00 di reading ieri.

216



240



Crollo spread in area groenlandese a maggior distanza temporale.
Se qualcuno ha una spiegazione valida si facesse avanti.

[AbeteBianco]

Aggiungo tra le tante difficoltà che ci sono nell'interpretare lo spread quello che succedeva nel run 00 di reading ieri.

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Immagine


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Crollo spread in area groenlandese a maggior distanza temporale.
Se qualcuno ha una spiegazione valida si facesse avanti.

Secondo me c'è da scindere quanto mostra una mappa di spread e la previsione. Quest'ultima è solo una nostra interpretazione successiva. Piuttosto la mappa è una naturale conseguenza degli spaghi e semplicemente fornisce un indicazione dell'ampiezza degli spaghi in un dato run. Ma sappiamo bene che possono cambiare di run in run, la previsione dipende piuttosto da cosa ci sta a monte negli spaghi. Aree senza spread possono benissimo diventare più incerte al run seguente, assolutamente non è vincolante.

Pretendere di prevedere guardando quelle mappe sarebbe come provare a prevedere guardando gli spaghi grafici.