ECMWF IFS

Da Reading nel 1975 al ciclo 50r1

L'ECMWF nacque da una convenzione europea firmata nel 1973 ed entrata in vigore il 1º novembre 1975: invece di costruire ciascuno per conto proprio un supercalcolatore e un modello globale, gli Stati membri li misero in comune in un unico centro dedicato alle previsioni a più giorni, il «medio termine». Il centro si stabilì a Reading, in Inghilterra, produsse le prime previsioni in tempo reale nel giugno 1979 e la prima previsione operativa a medio termine il 1º agosto 1979, sul suo primo supercalcolatore Cray. Oggi è un'organizzazione intergovernativa di 23 Stati membri, tra cui la Francia, e 12 Stati cooperanti.

Il modello del 1979 era un modello a punti di griglia dell'atmosfera globale con 15 livelli verticali. Nell'aprile 1983 lasciò il posto a un modello spettrale, che descrive i campi come somme di onde sulla sfera, e il 24 novembre 1992 l'ECMWF emise le sue prime previsioni d'ensemble, lo stesso anno dell'NCEP americano. Nel marzo 1994 subentrò l'Integrated Forecasting System, l'IFS: un codice avviato nel 1987 insieme a Météo-France, che ne utilizza una propria versione con il nome ARPEGE. «Integrated» significa che il trattamento delle osservazioni, l'assimilazione dei dati, il modello e il post-trattamento condividono un unico codice.

Il 25 novembre 1997 l'ECMWF mise in funzione il 4D-Var, un modo di costruire lo stato iniziale che le sezioni seguenti spiegano; Météo-France seguì nel 2000, e furono gli unici due sistemi 4D-Var operativi del XX secolo. La risoluzione continuò a salire: nel marzo 2016 il ciclo 41r2 portò la griglia da circa 16 a 9 km con una nuova griglia «ottaedrica cubica», e nel giugno 2023 il ciclo 48r1 portò l'ensemble agli stessi 9 km. Il 18 ottobre 2022 la produzione si trasferì da Reading a un nuovo data center a Bologna, in Italia.

Il ciclo attuale, 50r1, è entrato in servizio il 12 maggio 2026 a partire dall'emissione delle 06 UTC. Chiude una lunga transizione: la vecchia previsione ad alta risoluzione, HRES, e il membro «di controllo» non perturbato dell'ensemble erano stati resi identici nel ciclo 49r1, e l'ECMWF ora ne esegue uno solo, chiamato controllo ENS. È questa emissione a essere ancora distribuita come unica previsione ad alta risoluzione, e che molte app, compresa questa, chiamano ancora HRES. Dal 2025 l'ECMWF esegue anche un modello di machine learning, l'AIFS, che ha una sua pagina.

Un modello spettrale su una griglia ottaedrica a 9 km

L'IFS risolve le equazioni primitive di un'atmosfera idrostatica: presuppone che le accelerazioni verticali siano piccole rispetto alla gravità, un'approssimazione che l'ECMWF mantiene ancora in operativo perché è stabile e poco costosa, mentre i modelli ad area limitata come AROME la abbandonano per risolvere la convezione. Vento, temperatura, pressione e umidità sono rappresentati sia come coefficienti spettrali, onde sulla sfera in cui le derivate orizzontali sono esatte, sia come valori su una griglia, dove si calcola la fisica; le trasformate spettrali passano dall'una all'altra rappresentazione a ogni passo temporale.

Dal ciclo 41r2 (2016) la griglia è «ottaedrica cubica», indicata come TCo1279: il troncamento spettrale conserva le onde fino al numero 1279, e la griglia, chiamata O1280, ha 2.560 cerchi di latitudine da polo a polo, con meno punti lungo ciascun cerchio verso i poli, così che la spaziatura resti vicina a 9 km ovunque. «Cubica» significa che l'onda più corta rappresentata dal modello si estende su quattro punti di griglia anziché due, il che è più preciso e richiede meno smussamento artificiale. In verticale, 137 livelli seguono il terreno vicino alla superficie e diventano superfici di pressione più in alto; i quattro più bassi si trovano a circa 10, 31, 54 e 79 m, e il più alto a 0,01 hPa, nella mesosfera.

L'integrazione nel tempo è semi-lagrangiana e semi-implicita: invece di calcolare ciò che attraversa celle di griglia fisse, il modello segue a ritroso ogni particella d'aria lungo il suo percorso per un passo, il che consente passi lunghi senza che il calcolo diventi instabile. Ciò che la griglia non può risolvere è parametrizzato, cioè rappresentato dal suo effetto medio: la convezione da uno schema a flusso di massa derivato da quello di Tiedtke (1989), la turbolenza dello strato limite, le nubi e le precipitazioni con proprie variabili prognostiche, la radiazione dallo schema ecRad e l'attrito dei rilievi sotto la scala di griglia. La superficie terrestre è il modello HTESSEL, con un modello dei laghi.

L'atmosfera non viene calcolata da sola: dal 2018 lo stesso sistema accoppiato gira a tutte le scadenze, con il modello oceanico NEMO e il suo modello di ghiaccio marino SI3 (NEMO4-SI3, pienamente accoppiato, dal 50r1), e il modello d'onda ecWAM, che restituisce al vento la rugosità del mare. Per un velista il limite principale è la scala: l'onda più corta su una griglia a 9 km è lunga circa 36 km, e un fenomeno deve essere ancora più grande per essere ben rappresentato, quindi una brezza di mare, l'incanalamento tra due isole o l'accelerazione al largo di un capo sono solo abbozzati, e un groppo non è risolto affatto, solo il suo effetto medio.

Da 60 milioni di osservazioni a una previsione a 15 giorni

Ogni giorno l'ECMWF riceve circa 800 milioni di osservazioni e, dopo il controllo di qualità, ne conserva circa 60 milioni per l'IFS, la maggior parte da circa 90 strumenti satellitari. I satelliti misurano radianze che dipendono dalla temperatura e dall'umidità dell'aria, venti ricavati dal moto delle nubi e venti sul mare dedotti dalla rugosità della sua superficie; a questi si aggiungono radiosondaggi, aerei, navi, boe e stazioni a terra.

Queste osservazioni vengono combinate con la previsione precedente dal 4D-Var, l'assimilazione variazionale quadridimensionale: su una finestra di 12 ore, il modello viene integrato in avanti, e il suo aggiunto all'indietro, per trovare lo stato iniziale la cui previsione si accorda meglio con ogni osservazione nel momento in cui è stata fatta, nel rispetto della fisica del modello. Un ensemble più piccolo di assimilazioni, l'EDA, gira in parallelo per stimare giorno per giorno quanto sia incerta la prima stima. Il ciclo 50r1 ha ridotto le fasce orarie delle osservazioni da 30 a 15 minuti e ammette più osservazioni di temperatura a 2 m nello strato limite.

La previsione vera e propria gira su quattro cluster Atos BullSequana XH2000, più di un milione di core di processore in tutto, nel data center dell'ECMWF a Bologna, che ha preso in carico la produzione operativa il 18 ottobre 2022. Le emissioni partono alle 00, 06, 12 e 18 UTC: quelle delle 00 e delle 12 UTC arrivano a 15 giorni (360 ore), quelle delle 06 e delle 18 UTC a 6 giorni (144 ore). La stessa emissione è il controllo dell'ensemble, ENS, i cui altri 50 membri partono da stati leggermente perturbati e usano una fisica perturbata per campionare l'incertezza.

Nel dicembre 2020 il Consiglio dell'ECMWF ha deciso di passare ai dati aperti. Il sottoinsieme aperto gratuito è arrivato a 0,25°, circa 28 km, nel marzo 2024; il 1º ottobre 2025 l'intero catalogo in tempo reale è passato sotto la licenza Creative Commons CC BY 4.0 senza costi per l'informazione, anche se la fornitura di grandi volumi resta a pagamento. Dal 20 ottobre 2026 il portale dei dati aperti pubblica anche la stessa previsione a 9 km su una griglia a 0,1°, circa due ore dopo i file a 0,25°. Entrambe sono interpolazioni della griglia ottaedrica nativa su griglie regolari latitudine-longitudine, non emissioni separate.

Leggerlo in mare

L'IFS è il riferimento abituale per il medio termine: la posizione e la profondità delle depressioni, l'estensione di un anticiclone, la tempistica di un fronte a diversi giorni di distanza. Per una traversata oceanica o un lungo tratto d'altura, è il modello con cui conviene confrontare per primo la configurazione generale oltre i tre o quattro giorni. Il suo ensemble associato distingue una previsione affidabile da una fragile: quando i 50 membri si disperdono, l'emissione deterministica merita meno fiducia.

I suoi punti deboli sono quelli di un modello globale a 9 km, che la griglia a 0,1° dei dati aperti, circa 11 km, rende appena più grossolano. Gli effetti costieri sono smussati: brezze di mare, venti catabatici lungo le valli, l'accelerazione del vento intorno ai promontori e tra le isole. L'ECMWF stesso elenca problemi noti che interessano i velisti: le raffiche estreme sono sottorappresentate in presenza di convezione vigorosa, le raffiche forti possono essere sottostimate appena al largo, sottovento alla terra, e i venti sui rilievi sono spesso troppo deboli.

Ai tropici l'IFS è molto usato per prevedere le traiettorie dei cicloni tropicali, ma a 9 km ne sottostima i venti massimi rispetto ai centri di allerta, e gli errori sulla pressione centrale dei sistemi piccoli possono superare i 50 hPa nei casi estremi: vicino a un ciclone, segua i bollettini ufficiali piuttosto che il campo grezzo. Possono comparire linee di groppo e anelli convettivi spuri, un problema che secondo l'ECMWF persiste nel 50r1.

Accanto agli altri: lungo le coste della Francia e dell'Europa, i più fini AROME, ARPEGE Europe, ICON-EU e ICON-D2 vedono ciò che l'IFS smussa, e meritano più peso nei primi due giorni. Più in là, confrontare la rotta ECMWF con quelle di GFS, ICON e AIFS dà un'idea della dispersione: dove le rotte concordano, la previsione è probabilmente solida; dove ECMWF si discosta dagli altri, la decisione resta aperta.

In Saily WR

Saily WR prende i dati aperti dell'ECMWF sulla loro griglia più fine, a 0,1°: il vento a 10 m, nelle sue componenti est-ovest e nord-sud, da ciascuna delle quattro emissioni giornaliere delle 00, 06, 12 e 18 UTC, scaricate non appena vengono pubblicate. Le scadenze sono ogni 3 ore fino a 144 ore, poi ogni 6 ore fino a 360 ore, 15 giorni; alla fonte, le emissioni delle 06 e delle 18 UTC si fermano a 144 ore, e oltre una rotta prosegue nell'emissione precedente delle 00 o delle 12 UTC, che il server conserva.

Il modello è globale, quindi una rotta ECMWF viene calcolata qualunque siano la partenza e l'arrivo. La barca naviga, con la sua polare, in questo vento interpolato nello spazio tra i punti di griglia e nel tempo tra le scadenze; con scadenze di 3 e poi di 6 ore, un rapido salto di vento tra due scadenze risulta smussato. La rotta ECMWF è disegnata accanto a quelle degli altri modelli, con una corrente SMOC o RTOFS se ne sceglie una, e tenuta lontana da terra dalla linea di costa OpenStreetMap e, se lo chiede, da una profondità minima. La pagina Dati mostra in tempo reale su quale emissione ECMWF si trova l'app, il suo orizzonte e la sua copertura.