ICON

Da GME a ICON

Il Deutscher Wetterdienst (DWD), il servizio meteorologico nazionale tedesco con sede a Offenbach, fa girare un modello globale su una griglia icosaedrica dal dicembre 1999. Quel modello, GME, fu il primo modello meteorologico operativo a suddividere il globo in celle costruite a partire da un icosaedro, un solido di 20 facce triangolari, anziché in caselle di latitudine e longitudine che si addensano ai poli. Le sue celle erano esagoni, la sua griglia di circa 20 km e le sue equazioni idrostatiche, il che significa che le accelerazioni verticali venivano trascurate: una semplificazione accettabile a quella scala, ma che preclude le maglie fini.

ICON, da ICOsahedral Nonhydrostatic, è stato sviluppato congiuntamente dal DWD e dall'Istituto Max Planck per la meteorologia di Amburgo come un unico sistema di modellazione per il tempo e per il clima. I suoi progettisti volevano la conservazione esatta della massa, la possibilità di affinare la griglia su una regione ed equazioni valide fino alla scala del chilometro e al di sotto. ICON è diventato il modello globale operativo del DWD il 20 gennaio 2015, al posto di GME, con una griglia di 13 km e 90 livelli. Una regione affinata sull'Europa, ICON-EU, è stata aggiunta nell'estate del 2015 e gira regolarmente dal 21 luglio 2015, subentrando al modello regionale COSMO-EU.

Da allora il sistema è cresciuto passo dopo passo. Nel gennaio 2016 l'analisi è passata dal 3D-Var a uno schema ibrido ensemble-variazionale; nel gennaio 2018 è entrato in servizio l'ensemble globale a 40 membri ICON-EPS; il 10 febbraio 2021 ICON-D2, una versione ad area limitata a circa 2 km sulla Germania e sui paesi vicini, ha sostituito COSMO-D2, così che l'intera catena di previsione del DWD poggia ora su ICON. Nel novembre 2022 il modello globale è passato da 90 a 120 livelli e il dominio annidato europeo da 60 a 74, con la maggior parte dei nuovi livelli collocata nella stratosfera, mentre la risoluzione dell'ensemble è stata portata da circa 40 a circa 26 km.

Oggi ICON è sviluppato dal DWD, dall'Istituto Max Planck per la meteorologia, dal Centro tedesco di calcolo per il clima (DKRZ), da MeteoSvizzera e dall'Istituto di tecnologia di Karlsruhe. Anche MeteoSvizzera lo usa per le sue previsioni, e l'Istituto Max Planck ne fa il nucleo del proprio modello climatico. Il suo codice sorgente è pubblicato con una licenza open source dal 31 gennaio 2024.

Triangoli, un nucleo non idrostatico e 120 livelli

La griglia di ICON parte da un icosaedro proiettato sulla sfera. Ogni spigolo dei suoi 20 triangoli viene prima diviso in n parti uguali (la divisione «radice», Rn), poi i triangoli ottenuti vengono tagliati in quattro k volte unendo i punti medi dei loro lati (le bisezioni, Bk). La griglia globale, R3B07, conta 2.949.120 triangoli di dimensione media 13,2 km, misurata come il lato di un quadrato della stessa area. Non c'è alcun polo dove le maglie si accumulano, e la risoluzione è quasi la stessa ovunque sulla Terra.

Il nucleo dinamico, la parte che risolve le equazioni del moto, usa le equazioni non idrostatiche completamente comprimibili: le accelerazioni verticali vengono calcolate, non supposte nulle, ed è questo che permette allo stesso codice di girare a 13 km come a qualche centinaio di metri. Le sue variabili prognostiche sono il vento normale a ciascun lato dei triangoli, il vento verticale, la densità dell'aria e la temperatura potenziale virtuale. Le grandezze scalari si trovano al centro di ciascun triangolo e i venti normali a metà di ciascun lato, una disposizione chiamata griglia C. L'integrazione temporale usa uno schema predittore-correttore a due livelli temporali, esplicito in orizzontale e implicito in verticale per le onde sonore, e lo schema conserva esattamente la massa.

In verticale, il modello globale ha 120 livelli dalla superficie fino a 75 km, in piena mesosfera, il che aiuta ad assimilare i dati satellitari. I livelli seguono il rilievo vicino al suolo e si appiattiscono gradualmente con la quota, secondo una coordinata regolare chiamata SLEVE, fino a diventare perfettamente piatti sopra i 16 km. Sul mare lo strato più basso è spesso circa 20 m, quindi il primo livello del modello si trova vicino all'altezza a cui viene fornito il vento a 10 m. Il dominio annidato europeo ha 74 livelli fino a 22,8 km, gli stessi dei 74 livelli più bassi della griglia globale.

I processi più piccoli di una maglia sono parametrizzati, cioè rappresentati attraverso il loro effetto medio. Rovesci e temporali sono trattati da uno schema di convezione a flusso di massa, una variante dello schema Tiedtke-Bechtold dell'IFS dell'ECMWF, perché a 13 km e anche a 6,5 km una cella convettiva è molto più piccola di un triangolo. La turbolenza nello strato limite è governata da uno schema prognostico dell'energia cinetica turbolenta ereditato da COSMO; nubi e pioggia da uno schema di microfisica a un momento; l'attrito dei rilievi non risolti dallo schema di Lott e Miller; le superfici terrestri dal modello di suolo TERRA, i laghi da FLake e il ghiaccio marino da un semplice modello di ghiaccio.

L'oceano non è modellato. La temperatura della superficie del mare viene analizzata una volta al giorno e poi mantenuta costante per tutta la previsione, quindi ICON non vede una tempesta raffreddare il mare dietro di sé né una risalita di acque fredde (upwelling) svilupparsi nel corso dell'emissione. Neanche le onde vengono calcolate: il DWD fa girare a parte i suoi modelli di moto ondoso, forzati dai venti di ICON.

Come viene calcolata un'emissione

L'analisi di ICON, la migliore stima dello stato attuale dell'atmosfera da cui parte una previsione, viene rinnovata ogni 3 ore, alle 00, alle 03, alle 06 e così via fino alle 21 UTC. Ogni analisi combina una previsione a 3 ore partita dalla precedente, detta prima stima (first guess), con le osservazioni di una finestra di 3 ore centrata sull'ora dell'analisi: stazioni di superficie, navi, boe, radiosondaggi, aerei e satelliti. Il peso dato a ciascuna dipende dall'errore che ci si aspetta da ciascuna.

Dal 20 gennaio 2016 questo compito è svolto da un sistema ibrido ensemble-variazionale, EnVar. Un'analisi variazionale cerca lo stato atmosferico che si accorda meglio sia con la prima stima sia con le osservazioni, alla piena risoluzione di 13 km; «ibrido» significa che gli errori attesi della prima stima provengono in parte da statistiche fisse e in parte dalla dispersione di un ensemble di 40 previsioni a 3 ore, così da seguire il tempo del giorno. Quell'ensemble è a sua volta aggiornato da un Localized Ensemble Transform Kalman Filter (LETKF), che corregge ciascun membro usando solo le osservazioni vicine, e fornisce gli stati iniziali dell'ensemble ICON-EPS.

Per non scuotere il modello con onde spurie, le correzioni non vengono aggiunte tutte insieme ma introdotte gradualmente nell'arco di 3 ore centrate sull'ora dell'analisi, un metodo chiamato incremental analysis update: il modello parte in realtà 90 minuti prima dell'ora nominale. Analisi separate aggiornano la temperatura della superficie del mare e l'umidità del suolo una volta al giorno, e la copertura nevosa ogni 3 ore.

Da queste analisi partono quattro previsioni al giorno, alle 00, 06, 12 e 18 UTC. Quelle delle 00 e delle 12 UTC arrivano a 180 ore (7,5 giorni), quelle delle 06 e delle 18 UTC a 120 ore, con uscite orarie fino a 78 ore e triorarie oltre. Il dominio annidato europeo gira all'interno del modello globale con un accoppiamento bidirezionale: il modello globale ne alimenta i bordi a ogni passo temporale, e il dominio annidato restituisce alla griglia globale la sua soluzione più fine. Il dominio annidato fa girare anche quattro previsioni più brevi, alle 03, 09, 15 e 21 UTC, fino a 51 ore.

Da quando, il 25 luglio 2017, è entrata in vigore una modifica della legge sul DWD, il DWD pubblica gratuitamente i risultati dei suoi modelli sul suo server di dati aperti, opendata.dwd.de, in formato GRIB2, riutilizzabili con la licenza CC BY 4.0 a condizione di citare il DWD. Il modello globale è offerto sui suoi triangoli nativi, ICON-EU e ICON-D2 su griglie regolari latitudine-longitudine di 0,0625° e 0,02°. Secondo il DWD, più di 30 servizi meteorologici nazionali alimentano i propri modelli regionali con i dati di ICON.

In mare

Per un velista, il valore principale di ICON è che si tratta di un parere indipendente. Proviene da un centro diverso da quelli dell'IFS dell'ECMWF o del GFS della NOAA, con la sua griglia, la sua fisica e la sua assimilazione, quindi i suoi errori non sono quelli degli altri. Quando ICON, IFS e GFS collocano una depressione o un fronte nello stesso punto, la previsione merita più fiducia; quando non sono d'accordo, il disaccordo stesso dice che la situazione è incerta e che una rotta che dipende da una finestra stretta è rischiosa.

A 13 km il modello globale disegna bene depressioni, fronti, alisei e i grandi coni d'ombra del vento dietro le isole, ma non il vento lungo una costa precisa: un capo, uno stretto o una baia larghi pochi chilometri occupano solo una manciata di triangoli. Sull'Europa il dominio annidato a 6,5 km rende meglio i venti modellati dal rilievo, come il Mistral e la Tramontana nel Golfo del Leone, la Bora in Adriatico, il Meltemi tra le Cicladi o il Levante nello Stretto di Gibilterra, ma una brezza di mare che si spinge solo pochi chilometri al largo resta fuori dalla sua portata. Vicino alla costa, un modello a scala chilometrica come AROME è una guida migliore.

La convezione è parametrizzata nel modello globale e in ICON-EU, quindi una linea di groppo o il fronte di raffica di un temporale vi compaiono come una zona di rovesci smussata e non come il salto di vento che un equipaggio incontra davvero; ICON-D2 calcola invece da sé rovesci e temporali, anche se il loro momento e la loro posizione restano incerti. Il vento a 10 m è un vento medio su una maglia e nel tempo: le raffiche, che possono essere molto più forti sotto una nube o in un'accelerazione improvvisa, non vi sono comprese. La parete dell'occhio di un ciclone tropicale è più stretta di pochi triangoli di 13 km, quindi i suoi venti massimi sono di solito sottostimati; per un ciclone vengono prima i bollettini ufficiali dei centri di allerta.

Poiché la temperatura del mare resta congelata al suo valore del giorno dell'analisi, il modello può restare indietro quando è la temperatura del mare a governare il vento, per esempio in un'irruzione di aria fredda sopra una corrente calda o sopra un mare raffreddato da una tempesta precedente. Sulle lunghe traversate, l'orizzonte di 7,5 giorni delle emissioni delle 00 e delle 12 UTC è più corto di quello dell'IFS o del GFS, e come per ogni previsione deterministica gli ultimi giorni vanno letti come una tendenza, non come un vento preciso.

In Saily WR

Saily WR usa ICON tre volte, come tre modelli distinti: ICON globale, ICON-EU europeo e ICON-D2 sulla Germania e i suoi mari. Ciascuno calcola la propria rotta ogni volta che la sua area copre sia la partenza sia l'arrivo, e quella rotta viene percorsa nel vento a 10 m del modello, interpolato nello spazio e nel tempo, poi mostrata accanto alle rotte degli altri modelli per poterle confrontare.

Per il modello globale, l'applicazione scarica i dati aperti del DWD sui triangoli nativi e li colloca da sé su una griglia regolare di 0,25°, prendendo per ogni punto il valore del triangolo più vicino. Nulla viene smussato, ma con un punto ogni 0,25°, circa 28 km in latitudine, si perde parte del dettaglio della griglia di 13 km. L'applicazione prende le quattro emissioni del giorno, orarie fino a 78 ore, poi triorarie fino a 180 ore per le emissioni delle 00 e delle 12 UTC o fino a 120 ore per quelle delle 06 e delle 18 UTC; oltre un'emissione delle 06 o delle 18 UTC, una rotta prosegue nell'emissione precedente delle 00 o delle 12 UTC.

Per ICON-EU, l'applicazione usa la griglia di 0,0625° del DWD (circa 6,5 km) così come viene pubblicata, su 29,5–70,5°N e 23,5°W–45°E. Prende le otto emissioni del giorno: quelle delle 00, 06, 12 e 18 UTC fino a 120 ore, orarie fino a 78 ore poi triorarie, e quelle intermedie fino a 51 ore, oltre le quali una rotta prosegue nell'emissione principale precedente.

Per ICON-D2, l'applicazione usa la griglia di 0,02° del DWD così come viene pubblicata, su 43,18–58,08°N e 3,94°W–20,34°E, e prende le sue otto emissioni del giorno, orarie fino a 48 ore. Quel rettangolo è più ampio del dominio del modello: i punti che ne restano fuori non hanno alcun valore nei file del DWD, quindi l'applicazione ricava da essi il vero contorno del dominio, e calcola una rotta ICON-D2 solo quando la partenza e l'arrivo vi si trovano entrambi. Un server scarica ogni nuova emissione non appena il DWD la pubblica, e la pagina Dati mostra in tempo reale su quale emissione si trova ciascuno dei tre modelli, fin dove arriva e l'area che copre.