RRFS

Dal RUC al RRFS

La previsione aggiornata ogni ora ha una lunga storia negli Stati Uniti. Il Rapid Update Cycle (RUC), sviluppato nel laboratorio della NOAA a Boulder, entrò in servizio ai National Centers for Environmental Prediction (NCEP) nel 1994 con una griglia di 60 km e una nuova analisi ogni 3 ore; passò ad aggiornamenti orari a 40 km nel 1998, a 20 km nel 2002 e a 13 km nel 2005, quando divenne il primo modello dell'NCEP ad assimilare osservazioni delle nubi. Il 1º maggio 2012 il Rapid Refresh (RAP) lo sostituì sul Nord America, e il 30 settembre 2014 lo High-Resolution Rapid Refresh (HRRR) portò previsioni orarie a 3 km sugli Stati Uniti contigui.

Accanto a questi, l'NCEP faceva girare un mosaico di altri sistemi regionali basati su codici diversi: il North American Mesoscale model (NAM), un modello a 12 km con domini annidati a 3 km sugli Stati Uniti contigui, l'Alaska, le Hawaii e Porto Rico, le emissioni High-Resolution Window (HiresW) e gli ensemble SREF e HREF. Nel luglio 2016 la NOAA scelse FV3, il nucleo dinamico a volumi finiti del suo Geophysical Fluid Dynamics Laboratory di Princeton, per il suo futuro modello globale, e costruì intorno a esso lo Unified Forecast System (UFS), un unico sistema di modellazione pensato per servire dalla scala globale a quella regionale. Il RRFS è l'applicazione regionale a convezione esplicita dell'UFS, sviluppata dall'Environmental Modeling Center dell'NCEP e dal Global Systems Laboratory con molti partner.

La strada non è stata semplice. Nella stagione calda del 2023 il RRFS produceva temporali troppo intensi e troppo piovosi, e nell'agosto di quell'anno fu aggiunto uno schema di convezione profonda per attenuarli; poi, durante lo Hazardous Weather Testbed 2024 della NOAA, mancò o indebolì diversi episodi di maltempo violento, e nel luglio 2024 il gruppo annunciò che la versione 1 sarebbe stata rinviata. Uno studio richiesto dai vertici della NOAA attribuì parte del problema al modo in cui FV3 dispone le sue variabili sulla griglia e raccomandò che la versione 2 passasse a MPAS, il nucleo dinamico sviluppato all'NCAR. La versione 1 è stata comunque completata su FV3.

Nel maggio 2026 il National Weather Service ha annunciato l'entrata in servizio del RRFS v1.0 per il 31 agosto 2026; la data è poi slittata al 6 ottobre, al 14 ottobre e, nell'avviso aggiornato il 15 ottobre 2026, al 3 novembre 2026. Un flusso parallelo in tempo reale è pubblico dal 12 agosto 2026. Il giorno in cui il RRFS diventa operativo, l'NCEP ritira il NAM, le emissioni HiresW (tranne su Guam), gli ensemble HREF e SREF e le statistiche basate sul NAM. RAP e HRRR non fanno parte di questo ritiro: lo HRRR fornisce anzi due membri ai nuovi prodotti d'ensemble del RRFS.

Un unico modello a 3 km per un continente

FV3, da Finite-Volume Cubed-Sphere, è stato progettato al Geophysical Fluid Dynamics Laboratory della NOAA: risolve le equazioni non idrostatiche dell'atmosfera con i volumi finiti, che tengono il conto di ciò che entra in ogni cella e ne esce. Nel RRFS gira come modello ad area limitata su un unico dominio di calcolo a 3 km che copre tutto il Nord America, al posto dei modelli regionali separati del passato. A questa spaziatura il modello si dice a convezione esplicita: i grandi temporali e le linee di groppo cominciano a essere disegnati esplicitamente, anche se una singola cella o un fronte di raffica è largo solo pochi punti di griglia.

L'atmosfera è suddivisa in 65 livelli, il più basso a circa 8 m dalla superficie e la sommità a 2 hPa, contro 50 livelli e una sommità a 20 hPa per lo HRRR. FV3 memorizza i venti sui lati delle celle secondo una disposizione detta griglia D, che lo studio citato sopra ha ritenuto responsabile di pozze d'aria fredda e di temporali che si allargano troppo; è il motivo principale per cui la prossima versione è prevista su MPAS.

La fisica proviene in gran parte dalla linea del RAP e dello HRRR. Nubi e precipitazioni seguono la microfisica Thompson-Eidhammer, che tiene conto degli aerosol; lo strato limite, dove si forma il vento che si sente in mare, è trattato dallo schema MYNN a diffusività turbolenta e flusso di massa, che tratta anche i cumuli poco profondi, sopra uno strato superficiale MYNN; la convezione profonda dallo schema Grell-Freitas; la radiazione da RRTMG; le terre emerse dal modello di superficie RUC. I Grandi Laghi sono rappresentati dal modello lacustre FVCOM e i laghi più piccoli dal modello lacustre CLM, e il fumo e la polvere degli incendi sono previsti a partire dalle emissioni degli incendi rilevate dai satelliti.

Come viene calcolata un'emissione

Il RRFS rinnova la sua analisi ogni ora, combinando una previsione a 1 ora con le osservazioni più recenti: stazioni di superficie, reti mesoscala (mesonet), boe, stazioni costiere e navi, radiosondaggi, aerei, i radar meteorologici NEXRAD (riflettività, vento radiale e i profili di vento che se ne ricavano), i fulmini visti dai satelliti GOES, i prodotti di nubi e di vento di GOES e le radianze dei sondatori in orbita polare AMSU-A, MHS, ATMS, CrIS, IASI e SSMIS. Nel 2025 le radianze satellitari erano usate solo in cielo sereno.

Il metodo è un 3D-EnVar ibrido eseguito con il software GSI della NOAA. Un'analisi variazionale cerca lo stato atmosferico che si accorda meglio sia con la prima stima (first guess) sia con le osservazioni; «ibrido» ed «En» significano che gli errori attesi della prima stima provengono in parte da statistiche fisse e in parte da un ensemble di 30 membri a 3 km, a sua volta aggiornato ogni ora da un filtro di Kalman d'ensemble (EnKF), così da riflettere il tempo di quell'ora. La riflettività radar è assimilata direttamente in questo schema, il che permette al modello di partire con i rovesci e i temporali già presenti sul radar invece di doverli far crescere.

Un modello regionale fatto ciclare ora dopo ora su se stesso può allontanarsi dalla circolazione a grande scala. Due volte al giorno, alle 03 e alle 15 UTC, il RRFS fa quindi ripartire la sua atmosfera dall'analisi globale della NOAA e la fa ciclare ogni ora per diverse ore finché non si ricongiunge al ciclo principale, mentre lo stato del suolo continua a ciclare senza interruzione; anche le informazioni dell'ensemble globale vengono incorporate nell'ensemble regionale due volte al giorno. Ai bordi, il dominio riceve le condizioni al contorno dal modello globale GFS.

Una previsione parte ogni ora: arriva a 18 ore, tranne alle 00, 06, 12 e 18 UTC, quando arriva a 84 ore. A quelle quattro ore girano anche, fino a 60 ore, cinque membri d'ensemble con stati iniziali, bordi e fisica diversi, e il REFS li combina, insieme all'emissione deterministica, con quelli del ciclo di 6 ore prima, più due membri HRRR sugli Stati Uniti contigui e l'Alaska, in medie, dispersioni e probabilità. L'uscita è suddivisa in griglie regionali: 3 km sugli Stati Uniti contigui (proiezione conica conforme di Lambert) e sull'Alaska, 2,5 km su Hawaii e Porto Rico (Mercatore) e 13 km sul Nord America, con campi ogni 15 minuti per alcune variabili.

I file sono pubblicati in GRIB2 sul server NOMADS della NOAA e in parte diffusi su NOAAPORT. Sono di libero utilizzo: sul registro di dati aperti di Amazon, che ospitava il prototipo di sviluppo, la NOAA dichiara che non ci sono restrizioni all'uso dei dati RRFS e chiede solo di citarne la fonte e di non lasciar intendere alcun avallo da parte della NOAA. Fino al passaggio in operativo, il flusso parallelo non è un prodotto operativo e può arrivare in ritardo o interrompersi.

In mare

La sua griglia di 3 km, il suo ciclo orario e i suoi dati radar fanno del RRFS una delle visioni più nitide disponibili delle acque costiere nordamericane. Sa disegnare le brezze di mare che si alzano nel pomeriggio lungo le coste della Florida e del Golfo o nella baia di Chesapeake, il vento incanalato negli stretti e nelle baie, le brezze di lago e gli effetti dell'acqua fredda dei Grandi Laghi, che rappresenta con un modello lacustre, e i forti venti da nord che d'estate soffiano a ridosso della costa della California. Ogni nuova emissione parte dai temporali e dai fronti come sono realmente un'ora prima.

Alcuni dei suoi punti di forza sono anche i suoi limiti. La convezione è stata il suo punto debole durante lo sviluppo, con temporali troppo intensi nel 2023 e temporali mancati nel 2024, quindi un groppo disegnato dal RRFS, o la sua assenza, merita una certa cautela; il vento a 10 m che fornisce è un vento medio, e le raffiche sotto un temporale possono essere molto più forti. Dove la parete nord della Corrente del Golfo separa acque calde e fredde, vento e mare possono cambiare bruscamente nel giro di poche miglia; un modello a 3 km rende quel contrasto solo nella misura in cui lo contiene la temperatura del mare che gli viene fornita.

Un modello regionale dipende anche da ciò che entra dai suoi bordi: una depressione in arrivo dal Pacifico o dall'Atlantico è buona nel RRFS solo quanto lo era nel GFS che lo guida. Oltre un giorno o due è quindi prudente confrontare il RRFS con modelli globali indipendenti come l'IFS dell'ECMWF o ICON del DWD. Per una tempesta tropicale o un uragano, il RRFS non è un modello per uragani: vengono prima i bollettini del National Hurricane Center.

In Saily WR

Saily WR usa il RRFS come tre modelli distinti, uno per griglia di uscita: gli Stati Uniti contigui, Porto Rico e le Hawaii. Ciascuno calcola la propria rotta ogni volta che la sua area copre sia la partenza sia l'arrivo, percorsa nel vento a 10 m del modello interpolato nello spazio e nel tempo, e mostrata accanto alle rotte degli altri modelli per poterle confrontare.

L'applicazione prende le quattro emissioni lunghe del giorno, alle 00, 06, 12 e 18 UTC, ora per ora dall'inizio dell'emissione fino a 84 ore. Riporta la griglia Lambert a 3 km degli Stati Uniti contigui su una griglia regolare di 0,03°, e le griglie Mercatore a 2,5 km di Porto Rico e delle Hawaii su griglie di 0,025°. Finché il RRFS non diventa operativo, cosa prevista per il 3 novembre 2026, l'applicazione legge il flusso parallelo della NOAA; un server scarica ogni nuova emissione non appena viene pubblicata, e la pagina Dati mostra in tempo reale su quale emissione si trova ciascuno dei tre, fin dove arriva e l'area che copre.