NOAA GFS

Settant'anni di previsione numerica americana

Il GFS discende dalle primissime previsioni numeriche operative. Nel 1954 il Weather Bureau, l'Aeronautica e la Marina degli Stati Uniti fondarono la Joint Numerical Weather Prediction Unit; questa installò un IBM 701 nel marzo 1955 e scelse il modello di Princeton a tre livelli di Jule Charney, ma solo dal 1958, con un modello più semplice su un IBM 704 più potente, le sue previsioni divennero utili. Nel gennaio 1958 si fuse con il National Weather Analysis Center per formare il National Meteorological Center, divenuto nell'ottobre 1995 i National Centers for Environmental Prediction (NCEP).

L'antenato diretto del modello odierno è il modello spettrale globale entrato in servizio nell'agosto 1980, con una risoluzione di circa 375 km e 12 livelli; spettrale significa che i campi erano descritti come somme di onde attorno al globo anziché come valori su una griglia. Per due decenni girò sotto due nomi: l'AVN, eseguito quattro volte al giorno fino a circa cinque giorni, e l'MRF, la previsione a medio termine eseguita una volta al giorno fino a circa due settimane. Nel 2002 il nome Global Forecast System sostituì entrambi, per quella che era diventata un'unica emissione quattro volte al giorno fino a 16 giorni.

Il GFS spettrale si affinò passo dopo passo, da circa 55 km nel 2002 a una versione semi-lagrangiana a T1534, circa 13 km, nel gennaio 2015; nel 2007 la sua analisi passò al codice GSI, ancora in uso oggi. Nel luglio 2016 la NOAA scelse un nuovo nucleo dinamico, il cuore del modello che calcola vento e pressione: FV3, sviluppato dal suo Geophysical Fluid Dynamics Laboratory di Princeton, mantenendo il nome GFS. Il GFS v15, la prima versione FV3, divenne operativo il 12 giugno 2019: il primo cambio del nucleo dinamico del modello in quasi 40 anni.

Il GFS v16, operativo dal 22 marzo 2021, ha raddoppiato il numero di strati verticali da 64 a 127, alzato la sommità del modello da 54 a 80 km, rinnovato lo schema di turbolenza e portato il modello globale delle onde all'interno del GFS. Nell'ottobre 2026 è ancora la versione operativa, con le versioni di manutenzione 16.3.x. Il suo successore, il GFS v17, è stato proposto nell'aprile 2026 per l'ottobre 2026: circa 9 km, accoppiato con un modello di oceano, uno di ghiaccio marino e uno di onde, con una nuova assimilazione basata sul framework JEDI; al 22 ottobre 2026 la NOAA non aveva ancora annunciato la data della sua entrata in servizio.

Il modello: FV3 su una sfera cubica

FV3 sta per finite-volume cubed-sphere, volumi finiti su sfera cubica. Immagini un cubo gonfiato finché le sue facce non ricoprono il globo: ognuna delle sei facce è suddivisa in una griglia, e nella griglia C768 del GFS ogni faccia misura 768 celle per 768, distanti circa 13 km. Si evita così l'addensarsi dei meridiani ai poli che affligge le griglie latitudine-longitudine. Volumi finiti significa che il modello segue quanta aria, calore e umidità attraversano le pareti di ogni cella, in modo che la massa si conservi esattamente.

Il nucleo è non idrostatico: non presume che il moto verticale sia trascurabile, il che conta nella convezione intensa. In verticale usa 127 strati dalla superficie fino a circa 80 km, più fitti vicino al suolo, dove prende forma il vento che sente un velista. Poiché il GFS è globale, non ha confini laterali: ciò che esce da un lato della griglia rientra semplicemente su un'altra faccia.

Tutto ciò che è più piccolo di una cella è parametrizzato, cioè rappresentato da regole semplificate alimentate dai campi risolti. Rovesci e temporali provengono da uno schema di convezione a flusso di massa della famiglia Arakawa-Schubert; nubi e pioggia dalla microfisica GFDL, che tratta diversi tipi di acqua e di ghiaccio nelle nubi; la turbolenza vicino alla superficie da uno schema sensibile alla scala, basato sull'energia cinetica turbolenta e sul flusso di massa a diffusività turbolenta, introdotto con la v16. La radiazione usa il codice RRTMG, la terraferma il modello di superficie Noah, e uno schema della temperatura appena sotto la superficie del mare lascia che lo strato superiore dell'oceano si scaldi di giorno e si raffreddi di notte.

A 13 km il GFS risolve fronti, depressioni e le grandi strutture degli alisei e dei monsoni, ma non i singoli groppi, le brezze di mare nelle baie strette né l'incanalamento del vento tra le isole e negli stretti. I rilievi sono smussati alla scala della griglia, così una cresta di 2.000 m su una piccola isola può apparire come una bassa gobba. Il modello di onde WAVEWATCH III gira all'interno del GFS, forzato dai suoi venti senza retroagire sull'atmosfera.

Dalle osservazioni ai file GRIB

Ogni emissione parte da un'analisi prodotta dal Global Data Assimilation System (GDAS), che fonde una breve previsione del GFS con le osservazioni di satelliti, radiosonde, aerei, navi, boe e stazioni a terra. Il suo metodo, chiamato 4D-EnVar ibrido, cerca lo stato dell'atmosfera che si accorda meglio sia con le osservazioni, distribuite su una finestra temporale, sia con la previsione di base; gli errori che si attende da quella previsione provengono in parte da una statistica fissa e soprattutto da un ensemble di 80 brevi previsioni a circa 25 km. Il calcolo è svolto dal codice Gridpoint Statistical Interpolation dell'NCEP, il GSI.

Rapidità e completezza tirano in direzioni opposte, perciò l'NCEP esegue due analisi per ciclo. La previsione del GFS parte da un'analisi anticipata, fatta poco dopo l'ora del ciclo perché la previsione raggiunga presto gli utenti; il GDAS attende più a lungo le osservazioni tardive e la sua analisi, più completa, prepara il ciclo successivo. Dalla v16 l'incremento di analisi è distribuito gradualmente sulle prime ore della previsione anziché aggiunto tutto in una volta, il che evita uno shock all'avvio.

Le emissioni delle 00, 06, 12 e 18 UTC sono calcolate su WCOSS2, i supercomputer gemelli HPE Cray Cactus e Dogwood della NOAA, a Phoenix, in Arizona, e a Manassas, in Virginia, operativi dal giugno 2022 con 12,1 petaflop ciascuno; uno esegue la produzione mentre l'altro resta di riserva. Ogni emissione prevede 16 giorni, scritti ogni ora fino a 120 ore e ogni 3 ore oltre. Nel luglio 2026 la NOAA ha annunciato che trasferirà queste operazioni, GFS compreso, su Google Cloud dall'inizio del 2027, con il trasferimento da completare entro dicembre 2027.

I risultati sono pubblicati in GRIB2 su griglie regolari, la più fine a 0,25°, su NOMADS, il NOAA Operational Model Archive and Distribution System, che permette anche di ritagliare una regione e poche variabili. In quanto informazione prodotta dal governo degli Stati Uniti, sono di pubblico dominio: gratuiti, per qualunque scopo lecito, anche commerciale, a condizione di non presentarli come materiale ufficiale della NOAA una volta modificati.

Il GFS in mare

Gratuito e senza restrizioni da decenni, il GFS è diventato il GRIB predefinito di molti velisti d'altura, spesso il primo file scaricato su un collegamento satellitare. I suoi passi orari fino a cinque giorni e la sua portata di 16 giorni coprono un'intera traversata oceanica, e per il quadro d'insieme, la posizione dell'anticiclone delle Azzorre, la traiettoria di una depressione attraverso l'Atlantico, l'estensione degli alisei, è un riferimento solido.

I suoi limiti sono quelli di un modello globale a 13 km. Vicino alla costa non coglie le brezze di mare, l'accelerazione del vento attorno ai promontori e il suo incanalamento negli stretti, né la calma sottovento a un'isola alta; i groppi sotto una linea di nubi tropicale sono mediati in un vento costante. In un ciclone tropicale dà una traiettoria utile, ma una griglia di 13 km non può contenere il nucleo stretto di un uragano intenso, quindi il vento massimo è di solito troppo basso.

La valutazione della v15 condotta dallo stesso NCEP rilevò che tendeva a spostare i sistemi meteorologici troppo in fretta ed era meno abile sulle traiettorie dei cicloni tropicali intensi, due difetti ridotti dalla v16. Poiché il GFS parte dalla propria analisi, fatta con metodi diversi da quelli dell'ECMWF, i suoi errori sono in gran parte indipendenti da quelli dell'IFS e dell'AIFS, che condividono un'analisi. Questo ne fa il primo confronto naturale: quando il GFS e l'IFS concordano su una rotta, la previsione è probabilmente solida; quando divergono, la tempistica di un fronte o la posizione di una depressione sono incerte, e la scelta della rotta dovrebbe lasciare spazio a entrambe le ipotesi.

Il GFS in Saily WR

Saily WR scarica ogni nuova emissione del GFS da NOMADS appena è pubblicata, quattro volte al giorno, sulla griglia a 0,25°: il vento a 10 m, nelle sue componenti est-ovest e nord-sud, ogni ora fino a 120 ore e poi ogni 3 ore fino a 384 ore, 16 giorni avanti. Insieme al NOAA AIGFS, è il modello con l'orizzonte più lungo dell'app e, essendo globale, ogni rotta ne ha una versione GFS.

La rotta per isocrone è navigata secondo la polare della sua barca in quel vento, interpolato nello spazio tra i punti di griglia e nel tempo tra i passi, ed è mostrata accanto alle rotte di tutti gli altri modelli che coprono sia la sua partenza sia la sua destinazione. La corrente e l'aggiramento della terraferma che sceglie si applicano esattamente come alle altre. La pagina Dati mostra in tempo reale su quale emissione del GFS si trova l'app e fin dove arriva.

Oltre i dieci giorni circa, una rotta GFS dice più sullo schema generale che sulla traiettoria esatta. Legga gli ultimi giorni come un abbozzo, li confronti con le rotte IFS e AIFS, che si fermano a 15 giorni, e ricalcoli all'arrivo di nuove emissioni.