ARPEGE

Un modello globale con uno zoom sulla Francia

Nel 1987 Philippe Courtier e Mats Hamrud iniziarono a scrivere, all'ECMWF, il codice di un nuovo modello globale condiviso dall'ECMWF e da Météo-France; la riunione di avvio del progetto comune si tenne nell'ottobre 1988. L'ECMWF chiama il risultato IFS, Météo-France lo chiama ARPEGE, da Action de Recherche Petite Echelle Grande Echelle, «azione di ricerca piccola scala grande scala». Il motivo principale era l'assimilazione variazionale dei dati, che richiede un modello scritto insieme alle sue versioni tangente lineare e aggiunta, e Météo-France voleva altre due cose: un codice spettrale semi-lagrangiano e una griglia globale che si potesse stirare sulla Francia.

ARPEGE sostituì il precedente modello spettrale globale di Météo-France, EMERAUDE, nel settembre 1992, alla stessa risoluzione T79 e senza stiramento. Nell'ottobre 1993 divenne operativa la versione stirata, con un fattore di stiramento di 3,5, che sostituì anche PERIDOT, il modello ad area limitata che copriva la Francia: da allora un solo modello globale svolse entrambi i compiti. Divenne semi-lagrangiano nell'ottobre 1995 e passò al 4D-Var nel giugno 2000, dopo l'ECMWF nel 1997; furono gli unici due sistemi 4D-Var operativi prima della fine del XX secolo.

La risoluzione è cresciuta con ogni supercalcolatore: TL358 con lo stiramento ridotto a 2,4 nel 2003, poi nel 2015 TL1198 stirato di 2,2 su 105 livelli, 7,5 km sulla Francia e 36 km nel Pacifico sud-occidentale, e da luglio 2019 TL1798, circa 5 km sulla Francia. Il ciclo 46t1 è entrato in servizio nel giugno 2022, e nel novembre 2024 Météo-France ha messo in opera una nuova versione di tutta la sua catena di previsione. Il codice continua a evolvere con l'ECMWF e il consorzio ACCORD dei servizi meteorologici europei, e il codice comune IFS/ARPEGE ha raggiunto un «ciclo 50» nel 2025.

ARPEGE svolge diversi compiti a Météo-France: la previsione a breve termine sulla Francia e l'Europa fino a circa quattro giorni, il quadro globale per i territori d'oltremare e l'oceano aperto, le condizioni al contorno del modello a maglia fine AROME sulla Francia e, eseguito come ensemble, PEARP. Nel 2025 e nel 2026 Météo-France sta inoltre sperimentando un ibrido con l'intelligenza artificiale, in cui le grandi scale di ARPEGE vengono richiamate verso quelle dell'AIFS dell'ECMWF mentre ARPEGE conserva le proprie scale fini.

Una griglia spettrale stirata

ARPEGE risolve le equazioni primitive idrostatiche con lo stesso metodo spettrale dell'IFS: i campi sono rappresentati sia come onde sulla sfera sia come valori su una griglia gaussiana ridotta, dove si calcola la fisica. L'integrazione nel tempo è semi-lagrangiana e semi-implicita a due livelli temporali: il modello segue a ritroso le particelle d'aria lungo il loro percorso, il che permette passi lunghi (360 s nel 2017). In verticale usa una coordinata ibrida che segue il suolo vicino alla superficie e diventa pressione più in alto, discretizzata a elementi finiti su 105 livelli, da 10 m dal suolo fino a 0,1 hPa.

Il suo tratto distintivo è la griglia stirata. Una trasformazione dovuta a Schmidt sposta il polo della griglia di calcolo sulla Francia centrale, vicino a 46,5°N 2,6°E, e vi attira i punti di griglia: con un troncamento nominale T e un fattore di stiramento C, il modello ha la risoluzione locale di un troncamento T×C sulla Francia e di T/C agli antipodi. Con TL1798 e C = 2,2, ciò dà circa 5 km sulla Francia e circa 25 km vicino alla Nuova Zelanda, con una variazione graduale nel mezzo. Il golfo di Biscaglia, la Manica e il Mediterraneo occidentale sono visti con una maglia vicina a quella più fine, i Caraibi o l'Oceano Indiano in modo molto più grossolano.

ARPEGE ha una fisica propria, costruita per la previsione a breve termine, distinta da quella dell'ECMWF. Come descritto nel 2017, la turbolenza usa uno schema che porta l'energia cinetica turbolenta come variabile, la convezione poco profonda uno schema a flusso di massa, la convezione profonda uno schema a flusso di massa derivato da quello di Bougeault (1985), nubi e precipitazioni una microfisica prognostica e la radiazione infrarossa lo schema RRTM. La superficie è trattata da SURFEX, che divide ogni cella in suolo e vegetazione, mare e ghiaccio marino, laghi e città; da allora questi schemi si sono evoluti.

A 5 km, ARPEGE vede sulla Francia e sulle sue coste i principali effetti del rilievo: il Mistral e la Tramontana incanalati dalla valle del Rodano e dal varco tra i Pirenei e il Massiccio Centrale, la deviazione del vento da parte dei grandi promontori, una brezza di mare ben formata nelle sue linee generali. Non risolve la convezione, che uno schema rappresenta in media, quindi una linea di groppi o il fronte di raffica di un temporale sono collocati nello spazio e nel tempo solo in modo approssimativo. Lontano dalla Francia, la maglia più grossolana tratta gli effetti costieri come qualsiasi modello globale.

Dalle osservazioni a un'emissione

ARPEGE assimila un'ampia gamma di osservazioni: stazioni a terra, navi e boe, radiosonde e dropsonde, rapporti degli aerei, venti ricavati dal moto delle nubi dai satelliti geostazionari, venti sul mare dagli scatterometri, sondatori a microonde e infrarossi come IASI e CrIS, e segnali GPS. I nuovi strumenti entrano man mano che arrivano: i sondatori di Metop-C e NOAA-20 nell'ottobre 2019 e, da giugno 2020, i profili di vento del satellite lidar Aeolus durante la sua missione.

L'analisi è un 4D-Var a ciclo di 6 ore: lo scarto tra le osservazioni e la previsione precedente è calcolato a piena risoluzione, ma le correzioni sono calcolate su griglie meno fini e non stirate in due cicli successivi (TL224 poi TL499 nel 2021), nell'ipotesi che le piccole scale seguano le grandi scale corrette. Un ensemble di 50 assimilazioni 4D-Var a risoluzione più bassa fornisce le statistiche d'errore giorno per giorno. Nel 2017 la temperatura della superficie del mare era analizzata dai rapporti di navi e boe e dalle analisi NCEP e OSTIA.

Quattro emissioni al giorno partono alle 00, 06, 12 e 18 UTC e arrivano tra 102 e 114 ore (nel 2026). Girano a Tolosa sui due supercalcolatori di Météo-France, Belenos e Taranis, macchine Atos BullSequana XH2000 in servizio dal 2021; il contratto con Atos, ora Eviden, dura fino al 2028 ed è in corso la gara d'appalto per il loro successore. Nel suo benchmark del 2025 per la prossima macchina, Météo-France chiede una previsione ARPEGE a 102 ore in 30 minuti.

Dopo l'emissione, i campi della griglia stirata vengono interpolati su griglie regolari latitudine-longitudine: una griglia globale a 0,25° e una griglia a 0,1° sull'Europa e l'Atlantico settentrionale. Météo-France li pubblica come open data con la Licence Ouverte, la licenza aperta del governo francese, che consente il riutilizzo citando la fonte.

Leggere ARPEGE in mare

ARPEGE è anzitutto un modello per la Francia e i paesi vicini. Sulla costa atlantica, nella Manica e nel Mediterraneo occidentale, la sua maglia di 5 km vede il rinforzo del Mistral e della Tramontana, il passaggio dei fronti e la rotazione del vento intorno ai principali promontori con più dettaglio di un modello globale a griglia uniforme. Per una traversata di due-quattro giorni in queste acque è un riferimento solido, e AROME, che ne prende le condizioni al contorno, aggiunge il dettaglio della costa per i primi due giorni.

Il suo orizzonte è breve, circa quattro giorni, contro i 15 dell'ECMWF o i 16 del GFS, quindi non dice nulla sulla fine di una traversata oceanica. Lontano dalla Francia, nei Caraibi, nell'Oceano Indiano o nel Pacifico, la sua maglia non è più fine di quella degli altri modelli globali, e i cicloni tropicali sono trattati a quella risoluzione con uno schema di convezione: lì preferisca i modelli regionali e i bollettini ufficiali.

Come ogni modello idrostatico con convezione parametrizzata, ARPEGE non risolve i groppi né le raffiche sotto i cumulonembi: un cielo instabile può portare molto più del vento a 10 m che mostra. Confronti la sua rotta con AROME vicino alla costa e con ECMWF, ICON-EU e GFS al largo; quando ARPEGE ed ECMWF concordano sulla tempistica di un fronte, la fiducia è maggiore.

In Saily WR

Saily WR usa ARPEGE due volte, attraverso i suoi due prodotti aperti: il prodotto globale sulla griglia a 0,25°, che copre tutto il pianeta, e il prodotto Europa sulla griglia a 0,1°, che copre da 20 a 72°N e da 32°W a 42°E. Da ciascuno l'app prende il vento a 10 m, nelle sue componenti est-ovest e nord-sud, dalle quattro emissioni giornaliere, scaricate non appena vengono pubblicate.

Il prodotto globale arriva ogni ora da H+1 a H+48, poi ogni 3 ore fino a H+102; il prodotto Europa ogni ora da H0 a H+102. L'emissione delle 12 UTC arriva, su entrambi, fino a H+114. Si calcola una rotta per ogni modello la cui area copre sia la partenza sia l'arrivo, quindi dentro il dominio Europa ottiene due rotte ARPEGE affiancate, dallo stesso modello, che differiscono per la griglia e per i passi temporali.

La barca naviga, con la sua polare, in questo vento interpolato nello spazio e nel tempo, con una corrente SMOC o RTOFS se ne sceglie una, tenuta lontana dalla terraferma dalla linea di costa di OpenStreetMap e, se lo chiede, da una profondità minima. La pagina Dati mostra in tempo reale su quale emissione si trova ciascun prodotto ARPEGE, il suo orizzonte e la sua copertura.