AROME

Un modello per i temporali, per la Francia e poi per i tropici

All'inizio degli anni 2000, i modelli operativi di Météo-France indovinavano ancora i temporali invece di calcolarli: con celle di griglia di una decina di chilometri, un cumulonembo era molto più piccolo di una cella e doveva essere rappresentato da una parametrizzazione, una ricetta che ne stima l'effetto medio. Il progetto AROME, condotto dal 2003 al 2008, si proponeva di costruire un modello abbastanza fine da calcolare da sé queste nubi, per prevedere temporali, piogge intense, nebbie e venti dovuti al rilievo. Il nome sta per «Application of Research to Operations at Mesoscale» (applicazione della ricerca all'operatività a mesoscala).

Invece di partire da zero, il progetto mise insieme due componenti esistenti. Il nucleo dinamico, la parte che risolve le equazioni del moto dell'aria, veniva da ALADIN-NH, la versione non idrostatica del modello ad area limitata che Météo-France condivide con il consorzio ALADIN di servizi meteorologici europei e nordafricani. La fisica, che tratta nubi, turbolenza e radiazione, veniva da Meso-NH, un modello di ricerca della comunità francese della ricerca atmosferica (laboratori del CNRM e del CNRS). La superficie veniva da SURFEX, la piattaforma per le superfici terrestri e marine nata dalla stessa ricerca. AROME-France divenne operativo nel dicembre 2008, dopo circa sei anni di sviluppo e validazione.

Le prime versioni giravano a 2,5 km, con una nuova analisi ogni tre ore; poco prima del 2015 il modello aveva 60 livelli. Nell'aprile 2015 arrivarono insieme due passi importanti: la maglia passò a 1,3 km e 90 livelli, e il ciclo di analisi da tre ore a una. Lo stesso anno entrò in servizio AROME-PI, una versione di nowcasting eseguita ogni ora, e una versione d'ensemble, PE-AROME, divenne operativa nel dicembre 2016. Nell'ottobre 2024 l'analisi oraria è passata a uno schema basato su un ensemble, il 3DEnVar, e nel marzo 2026 Météo-France ha annunciato una nuova catena di previsione che triplica le osservazioni che entrano nel modello sulla Francia, da 1,4 a 4,2 milioni al giorno, e porta l'ensemble da 76 a 108 scenari al giorno.

Poi vennero i territori d'oltremare. Fino alla metà degli anni 2010 si affidavano ai modelli globali e, per la Riunione, i Caraibi e la Guyana francese, a versioni a 8 km del modello idrostatico ALADIN; nel febbraio 2016 Météo-France mise in servizio AROME-OM («AROME Outre-Mer», AROME d'oltremare), cinque domini a 2,5 km sui Caraibi, la Guyana francese, l'Oceano Indiano sud-occidentale, la Nuova Caledonia e la Polinesia francese. I cicloni tropicali erano uno dei motivi principali: dal 1993 il centro di Météo-France alla Riunione è il Centro meteorologico regionale specializzato dell'Organizzazione meteorologica mondiale per i cicloni tropicali dell'Oceano Indiano sud-occidentale. Uno strato rimescolato oceanico accoppiato fu aggiunto nel dicembre 2017, l'orizzonte fu esteso a 78 ore durante le allerte cicloniche intorno al 2018-2019, dal 2020 gira un ensemble sperimentale AROME-OM e nel 2026 il dominio dell'Oceano Indiano è stato allungato di circa il 20 % verso nord per seguire meglio i cicloni che minacciano Mayotte.

La scienza: calcolare le nubi invece di indovinarle

AROME risolve le equazioni dell'atmosfera nella loro forma completamente comprimibile e non idrostatica. «Non idrostatico» significa che le accelerazioni verticali vengono calcolate invece di essere considerate trascurabili: i modelli globali come ARPEGE assumono che il peso dell'aria bilanci la pressione in ogni punto, il che vale per i grandi sistemi meteorologici ma non regge dentro la corrente ascendente di un temporale o in un'onda orografica. Oltre a vento, temperatura, umidità e pressione al suolo, il modello porta con sé la velocità verticale, uno scarto di pressione non idrostatico, l'energia cinetica turbolenta e cinque tipi di acqua: goccioline di nube, cristalli di ghiaccio, pioggia, neve e neve tonda (graupel).

Come ARPEGE e l'IFS dell'ECMWF, con cui condivide il codice, AROME è un modello spettrale: i campi sono rappresentati come somme di onde, il che permette di calcolare con grande precisione le derivate orizzontali. L'integrazione nel tempo è semi-lagrangiana e semi-implicita, una combinazione che segue le particelle d'aria lungo le loro traiettorie e tratta in modo implicito le onde più rapide, così che il modello possa fare passi di circa 50 s a 1,3 km senza diventare instabile. Sulla Francia la griglia è una proiezione conforme di Lambert con maglia di 1,3 km, oltremare la maglia è di 2,5 km. I 90 livelli seguono il terreno vicino al suolo e la pressione in quota (una coordinata ibrida); sono molto ravvicinati negli strati più bassi, il primo a circa 5 m dalla superficie, e la sommità si trova a 10 hPa.

La fisica viene da Meso-NH. La convezione profonda non è affatto parametrizzata: i temporali crescono sulla griglia, con nubi e precipitazioni trattate dallo schema di microfisica ICE3, che segue le cinque specie d'acqua e i processi fra di esse. La turbolenza nello strato limite è calcolata da uno schema che prevede l'energia cinetica turbolenta, e la convezione poco profonda e non precipitante, come i cumuli di bel tempo, da uno schema eddy-diffusivity mass-flux. Nel 2017 la radiazione usava lo schema RRTM nell'infrarosso e lo schema di Fouquart-Morcrette nello spettro solare. Suolo e mare sono trattati da SURFEX, che divide ogni cella in suolo e vegetazione, mare, laghi e città, con il rilievo preso dalla banca dati altimetrica globale GMTED.

Una griglia non calcola nulla di più piccolo di qualche sua cella: a 1,3 km, AROME disegna bene un fronte di brezza di mare, l'accelerazione a un promontorio o una linea di groppi, ma non la singola raffica sotto una nube o la termica sopra una spiaggia. E poiché i temporali vengono calcolati anziché mediati, il loro luogo e la loro ora esatti dipendono da piccoli dettagli dello stato iniziale: AROME dice dove e quando possono svilupparsi delle celle più che quale baia colpirà esattamente una data cella. Oltremare, la superficie del mare sotto il modello non è fissa: uno strato rimescolato oceanico unidimensionale lascia raffreddare l'acqua quando un ciclone la rimescola, il che cambia l'energia che la tempesta riceve.

Come si calcola un'emissione

Sulla Francia, AROME parte per ogni previsione dalla propria analisi, una stima ottimale dell'atmosfera attuale a 1,3 km. Assimila tutto ciò che usa il modello globale ARPEGE, stazioni al suolo, navi, boe, radiosondaggi, aerei, radianze da satellite e segnali GNSS, più osservazioni proprie delle scale fini: riflettività dei radar meteorologici, trasformate in profili di umidità, venti radiali Doppler dei radar di tutta Europa e dati al suolo e da aerei più fitti. Dall'aggiornamento del 2026, ogni giorno entrano nel modello circa 4,2 milioni di osservazioni.

L'analisi viene rinnovata ogni ora. Da ottobre 2024 usa uno schema 3DEnVar: un'analisi variazionale, che trova lo stato dell'atmosfera che meglio si accorda sia con la previsione precedente a un'ora sia con le nuove osservazioni, pesate secondo i loro errori attesi, in cui la forma degli errori di previsione è presa da un ensemble di 50 assimilazioni parallele eseguite a 3,2 km ogni tre ore. Le correzioni seguono così il tempo del giorno, allungate lungo un fronte o concentrate intorno a un temporale, invece delle forme medie fisse del 3D-Var usato dal 2008 al 2024. Nella valutazione pubblicata, il nuovo schema ha battuto nettamente il 3D-Var su tempeste invernali, nebbie ed episodi di pioggia intensa.

Le previsioni lunghe vengono lanciate otto volte al giorno, ogni tre ore. Ai bordi del suo dominio AROME prende le condizioni al contorno dall'ultima emissione di ARPEGE, la cui griglia globale stirata arriva a 5 km sulla Francia, e ogni previsione viene richiamata durante la sua prima ora verso l'analisi oraria successiva (incremental analysis update) per includere le osservazioni più recenti. Le emissioni sono calcolate a Tolosa su Belenos e Taranis, due supercalcolatori Atos BullSequana XH2000 in servizio dal 2021, ciascuno con una potenza di picco di 10,74 petaflop; Météo-France ha avviato la gara d'appalto per i loro successori.

AROME-OM funziona diversamente: non ha un'assimilazione propria, perché i tropici hanno troppo poche osservazioni dense, come i radar, per alimentarne una. Ogni emissione parte dall'analisi dell'IFS globale dell'ECMWF, combinata con la previsione a sei ore della precedente emissione di AROME-OM perché non vadano perse le strutture a scala fine del modello, e prende le condizioni al contorno dall'IFS ogni ora; ARPEGE fornisce lo stato della superficie e il modello oceanico globale di Mercator Ocean lo stato iniziale dello strato rimescolato oceanico. I cinque domini girano quattro volte al giorno, alle 00, 06, 12 e 18 UTC, fino a 48 ore, e fino a 78 ore su richiesta durante le allerte per cicloni tropicali. Secondo i ricercatori di Météo-France, questo adattamento dinamico dell'IFS ha dato nei tropici risultati migliori di un'assimilazione 3D-Var.

Dal 1º gennaio 2024 tutti i dati pubblici di Météo-France sono gratuiti. I campi di AROME sono pubblicati su griglie regolari latitudine-longitudine, a 0,01° sulla Francia e a 0,025° sulla Francia e sull'oltremare, in formato GRIB2, tramite il portale meteo.data.gouv.fr e l'API pubblica di Météo-France, con la Licence Ouverte 2.0 (Etalab), che consente il riutilizzo citando la fonte.

In mare: la costa nel dettaglio, per due giorni

Il punto di forza di AROME è il vento generato dalla costa e dal rilievo. A 1,3 km vede promontori, baie e valli: disegna l'instaurarsi e la rotazione della brezza di mare lungo una costa, l'accelerazione al largo di Capo Corso o nelle Bocche di Bonifacio, il Mistral e la Tramontana incanalati dalla valle del Rodano e dal varco tra i Pirenei e il Massiccio Centrale, la calma sottovento a un'isola. Sono proprio i particolari che un modello globale a 10-25 km leviga, e spesso decidono un passaggio costiero.

Poiché calcola esplicitamente i temporali, AROME è il modello da guardare quando minacciano groppi e temporali, in un autunno mediterraneo o in un pomeriggio d'estate sulla terraferma. Mostra dove possono crescere le celle, i loro fronti di raffica e i salti di vento che portano, ma la cella esatta è incerta: legga un temporale in AROME come un rischio su un'area e in una finestra temporale, non come un appuntamento, e consulti l'ensemble PE-AROME o il radar quando conta. Il vento che l'app usa è il vento medio a 10 m, non le raffiche, che sotto un groppo possono essere molto più forti.

I suoi limiti sono l'orizzonte e la scala. AROME guarda avanti solo di circa due giorni, e i grandi sistemi, una depressione, un fronte, una dorsale, entrano dai suoi bordi provenendo da ARPEGE o dall'IFS: quando un fronte arriva in anticipo o in ritardo nel modello globale, arriva in anticipo o in ritardo anche in AROME. Lontano dalla costa, in mare aperto, aggiunge poco a un buon modello globale. Una lettura utile è prendere la tempistica dei grandi sistemi dai modelli globali e dai loro ensemble, e la forma locale del vento vicino alla costa da AROME; quando AROME e i modelli globali sono in disaccordo sotto costa, AROME è di solito più vicino a ciò che fa il rilievo.

Oltremare, AROME-OM disegna l'aliseo intorno alle isole: le accelerazioni lungo le coste e tra le isole, la calma e le inversioni del vento sottovento alle isole alte, i rovesci pomeridiani sulla terraferma. La verifica di Météo-France sul 2018-2019 ha trovato il suo vento a 10 m più vicino alle osservazioni di quello dell'IFS dell'ECMWF su tutti e cinque i domini, e le sue piogge intense meglio individuate. In un ciclone tropicale, però, parte dall'analisi della tempesta fatta dall'IFS, senza osservazioni proprie: la sua traiettoria e la sua intensità sono una previsione da confrontare, mai un sostituto dei bollettini ufficiali dei centri ciclonici regionali.

In Saily WR

L'app legge AROME tramite l'API pubblica di Météo-France e tiene solo il vento a 10 m, nelle sue due componenti (verso est e verso nord). Sulla Francia prende la griglia a 0,01°, circa 1,3 km, tra 37,5N e 55,4N e tra 12W e 16E, che copre la Francia e i paesi vicini; scarica le otto emissioni del giorno, alle 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18 e 21 UTC, con passi orari da H+1 a H+51. Per i cinque domini d'oltremare prende la griglia a 0,025°, circa 2,5 km, quattro emissioni al giorno alle 00, 06, 12 e 18 UTC, ogni ora da H0 a H+48.

Ogni dominio AROME conta come un modello. Quando la partenza e l'arrivo della sua rotta si trovano entrambi dentro un dominio, l'app calcola una rotta a isocrone con la polare della sua barca nel vento di quel dominio, interpolato nello spazio tra i punti di griglia e nel tempo tra le ore, e la mostra accanto alle rotte degli altri modelli che coprono le stesse acque. Con il suo orizzonte di due giorni, AROME è il modello per le uscite giornaliere e i passaggi costieri, e quello da confrontare con i modelli globali quando la rotta costeggia una costa o passa tra le isole.

Un server scarica ogni nuova emissione non appena Météo-France la pubblica, e la pagina Dati mostra in tempo reale su quale emissione si trova ciascun dominio AROME, fin dove arriva e l'area che copre. La corrente (SMOC, RTOFS o nessuna) e l'aggiramento della terraferma, con la linea di costa di OpenStreetMap e una profondità minima facoltativa, si applicano alla rotta di AROME allo stesso modo che a quella di ogni altro modello.