SMOC

Dal progetto Mercator a Copernicus Marine

Nel 1995 un gruppo di una trentina di scienziati francesi lanciò il progetto Mercator, dal nome del cartografo fiammingo del XVI secolo, per descrivere e prevedere l'oceano come i servizi meteorologici prevedono l'atmosfera. Lo sostenevano cinque istituzioni francesi attive in mare: CNRS, Ifremer, IRD, Météo-France e SHOM, il servizio idrografico e oceanografico della marina francese. Dopo sei anni di prototipi uscì nel 2001 il primo bollettino Mercator, che cartografava correnti, temperatura e salinità sull'Atlantico settentrionale ed equatoriale.

Mercator Ocean guidò i progetti europei MyOcean dal 2009, e l'11 novembre 2014 l'Unione europea gli affidò il Copernicus Marine Environment Monitoring Service, aperto come servizio operativo nel maggio 2015. Una configurazione globale a 1/12° girava in tempo reale dal 2011; la sua versione PSY4V3, poi rinominata GLO12v3, subentrò il 19 ottobre 2016, e l'attuale GLO12v4 è in servizio da novembre 2022. L'organizzazione sta ora diventando intergovernativa: nel giugno 2025, alla Conferenza delle Nazioni Unite sull'oceano a Nizza, dodici paesi europei hanno sostenuto la creazione del Mercator International Centre for the Ocean.

SMOC, per Surface and Merged Ocean Currents, si è aggiunto al prodotto globale nel gennaio 2019. È stato concepito per la deriva: ciò che sposta un oggetto galleggiante non è solo la circolazione a grande scala ma l'intera velocità percepita in superficie, marea e onde comprese. La sua previsione è stata estesa a 10 giorni nel maggio 2021, lo stesso orizzonte del modello oceanico su cui si basa.

Un modello oceanico, un modello di marea e un modello d'onda

SMOC non è un modello ma la somma di tre. La sua prima e principale componente, la circolazione oceanica, proviene da GLO12v4, basato su NEMO 3.6 (Nucleus for European Modelling of the Ocean). NEMO risolve le equazioni primitive di un oceano idrostatico nell'approssimazione di Boussinesq, che trascura le variazioni di densità salvo dove fanno salire o scendere l'acqua. È accoppiato con il modello di ghiaccio marino LIM3 e le sue 11 categorie di ghiaccio.

Il modello gira su ORCA12, una griglia tripolare i cui poli settentrionali sono spostati sulla terraferma, così che nessun punto del Mar Glaciale Artico sia una singolarità. La sua maglia è di 9 km all'equatore, 7 km alle medie latitudini (al largo di Capo Hatteras) e scende a 2 km vicino all'Antartide; le uscite sono interpolate su una griglia regolare a 1/12° di 4320 × 2041 punti. In verticale ha 50 livelli a profondità fisse, da 1 m di spessore in superficie a 450 m sul fondo, 22 dei quali nei primi 100 m, con celle parziali per seguire il fondale.

A 1/12° il modello si dice eddy-resolving, cioè risolve i vortici: i vortici dell'oceano e i meandri delle grandi correnti di bordo, la Corrente del Golfo, il Kuroshio o la corrente delle Agulhas, sono calcolati anziché smussati in una media. Il rimescolamento verticale proviene da uno schema di turbolenza a due equazioni (k-epsilon), e il modello non ha una propria marea. L'atmosfera lo forza tramite le previsioni IFS dell'ECMWF a 1/10° e orarie, trasformate in sforzo del vento e flussi di calore e d'acqua da formule bulk che tengono conto della corrente superficiale stessa; il manuale del 2026 aggiunge un forzante d'onda da MFWAM, e un centinaio di grandi fiumi più la fusione di Groenlandia e Antartide lo alimentano di acqua dolce.

La marea proviene da FES2014, un modello di marea agli elementi finiti costruito da LEGOS, NOVELTIS e CLS per il CNES, che risolve le equazioni di marea per l'intera colonna d'acqua e assimila anni di altimetria (Topex/Poseidon, Jason-1 e 2, ERS-1 e 2, Envisat) e di mareografi, su 34 componenti di marea. SMOC ne ricava, ogni ora sulla sua griglia a 1/12°, la corrente di marea barotropica, cioè quella mediata sulla profondità. Le onde provengono da MFWAM, il modello d'onda di Météo-France per Copernicus Marine, basato sul codice ECWAM dell'ECMWF e forzato dai venti IFS: la sua deriva di Stokes, il piccolo moto netto in avanti dell'acqua al passaggio delle onde, è interpolata dalla sua griglia a 1/10° a quella a 1/12°.

Le tre componenti vengono semplicemente sommate: corrente totale = circolazione + deriva di Stokes + marea. Le interazioni tra loro, onde su una corrente o marea sulla circolazione, non sono quindi rappresentate, come sottolineano i produttori. E la circolazione è la corrente del modello a 0,5 m sotto la superficie, non estrapolata alla superficie stessa.

Un'analisi settimanale, una previsione giornaliera

Il modello oceanico è ancorato a osservazioni dallo spazio e dal mare: le anomalie del livello del mare lungo la traccia di tutti i satelliti altimetrici raccolte da Copernicus Marine, la temperatura superficiale del mare da satellite (ODYSSEA), la concentrazione del ghiaccio marino (OSI SAF) e i profili in situ di temperatura e salinità della banca dati Coriolis, dove confluiscono i profili dei galleggianti Argo. Il livello del mare da altimetria è letto rispetto a una topografia dinamica media (CNES-CLS18), il rilievo medio della superficie del mare modellato dalle correnti stazionarie. Prima dell'uso, le osservazioni che cadono in una stessa cella del modello sono fuse in un'unica super-osservazione, per filtrare le scale che il modello non può risolvere.

Lo schema di assimilazione, SAM2, è un filtro di Kalman a ordine ridotto derivato da SEEK (Singular Evolutive Extended Kalman). Invece di una mappa completa di come gli errori di previsione sono legati tra loro, li descrive con qualche centinaio di stati oceanici tratti dalla rianalisi GLORYS12, e pesa di conseguenza ogni osservazione rispetto al modello. Lavora su una finestra di 7 giorni, con un'estensione 4D che tiene conto del momento in cui è stata fatta ogni osservazione, e le sue correzioni vengono introdotte nel modello gradualmente nel corso della settimana (Incremental Analysis Update) per non sottoporlo a shock. Uno schema 3D-Var sull'ultimo mese aggiunge una correzione dei bias lenti e a grande scala di temperatura e salinità.

L'analisi è settimanale, la previsione giornaliera. Ogni giorno il sistema aggiunge un giorno di simulazione forzata dall'atmosfera analizzata, poi lancia una nuova previsione a 10 giorni dalle 00 UTC, consegnata tra le 08 e le 12 UTC. Ogni settimana le simulazioni passate sono sostituite da analisi, e due settimane dopo dalle migliori analisi definitive: per questo l'archivio del prodotto continua a migliorare a posteriori.

SMOC viene poi assemblato ora per ora: la corrente superficiale oraria di GLO12, la deriva di Stokes della previsione globale delle onde e la corrente di marea calcolata da FES2014, ciascuna fornita separatamente e sommata in una corrente totale. Tutto è pubblicato sul Copernicus Marine Data Store con un archivio mobile di due anni, gratuito per gli utenti registrati.

In mare

Un nodo di corrente fa guadagnare o perdere un miglio ogni ora, e in oceano aperto SMOC mostra dove scorrono le grandi correnti: la Corrente del Golfo, il cui nucleo superficiale raggiunge circa 9 km/h (quasi 5 nodi) secondo la NOAA, il Kuroshio, la corrente delle Agulhas, le correnti equatoriali e la Corrente circumpolare antartica. L'altimetria mantiene i suoi vortici più o meno dove li vedono i satelliti, e le particelle seguite nel modello riproducono bene i percorsi a grande scala delle vere boe derivanti.

Tende anche a sottostimarle. Rispetto alle boe derivanti, i produttori trovano le correnti superficiali delle medie latitudini troppo deboli di circa il 20% nelle correnti forti e fino al 60% in quelle deboli, mentre le forti correnti di bordo occidentale sono le meglio rese. Un vortice un po' spostato rispetto alla sua vera posizione, tra due passaggi di satellite, può trasformare una corrente a favore in una contraria: la corrente prevista è un quadro probabile, non una certezza.

La sua marea è un punto di forza sulle piattaforme continentali aperte, come gli accessi alla Manica o il Mar Celtico, dove le ampie correnti di marea ruotano con le ore. È anche il suo limite vicino alla costa: una marea mediata sulla profondità su una maglia di 9 km non può disegnare la corrente violenta al largo di un promontorio, il vortice dietro un'isola o la corrente in un passaggio stretto. Nei test dei produttori, aggiungere marea e onde riduce lo scarto tra derivanti modellati e reali su tre giorni a livello mondiale, da 42,7 a 39,9 km, ma lo aumenta leggermente sui mari di piattaforma, da 36,4 a 38,5 km; vicino a terra, gli atlanti delle correnti di marea e i portolani restano il riferimento.

La deriva di Stokes va soprattutto nel senso delle onde, quindi sottovento quando soffia forte, e si attenua rapidamente con la profondità: SMOC è stato pensato per ciò che galleggia proprio in superficie, mentre una chiglia scende più in basso. Accanto a RTOFS, la corrente della NOAA, SMOC è un secondo parere da un sistema indipendente, con un altro modello, un'altra assimilazione e altri venti: dove entrambi concordano su una corrente, merita fiducia; dove collocano un vortice in modo diverso, la corrente lì è incerta; vicino alla costa la maggior parte della loro differenza è la marea, che RTOFS non include.

SMOC in Saily WR

Saily WR prende la corrente superficiale totale di SMOC, la somma di circolazione oceanica, marea e deriva di Stokes delle onde distribuita da Copernicus Marine, ora per ora sulla sua griglia a 1/12° (circa 9 km) su tutto il globo, dall'emissione di ogni giorno e sui suoi 10 giorni. Quando il velista sceglie SMOC come corrente, anziché RTOFS o nessuna corrente, essa viene sommata alla velocità della barca in ogni punto e a ogni ora della rotta, sulla rotta di ogni modello di vento, così che restino confrontabili fianco a fianco.

Un server scarica ogni nuova emissione non appena viene pubblicata, e la pagina Dati mostra in tempo reale su quale emissione si trova SMOC, il suo orizzonte e la sua copertura. Calcolare la stessa traversata con SMOC, poi con RTOFS o senza corrente, mostra quanta parte del guadagno di una rotta viene dalla corrente, e se dipende da una finestra di marea o da un vortice.

Come richiede la licenza Copernicus Marine, i dati sono citati ovunque vengano mostrati: «E.U. Copernicus Marine Service Information (CMEMS)». Questa licenza è gratuita e consente a chiunque di creare e condividere prodotti derivati dai dati, per qualsiasi scopo, a quest'unica condizione.