Modello Meteorologico ad Area Limitata (MM5)
Un esempio di modello meteorologico ad area limitata allo stato dell'arte è MM5: si tratta di un modello prognostico a punti di griglia, che può essere utilizzato sia in modalità idrostatica sia non-idrostatica.
Viene sviluppato in collaborazione dall'UCAR (University Corporation for Atmospheric Research) e dalla Penn State University (USA), con la logica del "modello di comunità": il codice sorgente, le documentazioni e i programmi di appoggio sono disponibili gratuitamente per qualsiasi utilizzo, e gli utenti possono contribuire allo sviluppo. Questa forma di gestione, unita alla grande flessibilità dello strumento, ha favorito la formazione di una vasta comunità di utilizzatori, e l'implementazione all'interno del modello di un gran numero di algoritmi alternativi.
Nei paragrafi seguenti vengono brevemente descritte le caratteristiche principali di MM5; per maggiori dettagli, si rimanda alla documentazione del modello, disponibile sul sito web assieme alla bibliografia e ai codici dei programmi.
Dati di input:
La preparazione dell'input di un modello meteorologico ad area limitata è piuttosto laboriosa: al modello devono essere forniti:
orografia, rugosità, uso del suolo ecc.
una descrizione dello stato dell'atmosfera all'istante iniziale della simulazione. E' necessario specificare il valore di tutti i parametri atmosferici sul grigliato tridimensionale del modello, oltre a un insieme di campi superficiali.
valore dei parametri atmosferici sui bordi del domino, per tutta la durata della simulazione. Se il modello viene usato per fare previsioni, devono essere usati i dati previsti da un modello a scala più grande (o anche da una corsa dello steso modello su un'area più ampia)
L'utente deve inoltre specificare gli estremi e la risoluzione spaziale del dominio d'interesse (senza particolari vincoli; sono comunemente usate risoluzioni tra 1 e 10 km), la durata della simulazione e scegliere quali tra le opzioni di calcolo devono essere attivate.
Si noti che le condizioni iniziali e al contorno devono essere calcolate in modo consistente, rispettando gli equilibri presenti nelle equazioni del modello: occorre quindi prestare particolare cura al modo in cui le osservazioni sono interpolate e introdotte nel modello.
Assieme a MM5, viene fornito un insieme di programmi per preparare tutti questi dati nel formato richiesto dall'input del modello, a partire da alcuni formati meteorologici standard.
Output:
Tutti i parametri atmosferici, in quota e alla superficie, con la risoluzione temporale specificata dall'utente. I valori previsti hanno, in genere, significato di media areale sulle celle del grigliato del modello, e possono risentire di errori sistematici legati, per esempio, alla differenza tra l'orografia reale e quella del modello.
Descrizione degli algoritmi di calcolo
Numerica:
equazioni primitive complete; il modello usa schemi numerici differenti a seconda che venga usata o no l'approssimazione idrostatica.
risoluzione ed estensione del domino sono liberamente definiti dall'utente; coordinata verticale ibrida σ-p; gestiti diversi tipi di proiezione geografica.
a una o due vie; domini mobili; il numero di domini può variare durante la simulazione.
sono implementati 5 schemi per la loro applicazione: fisse, con rilassamento, dipendenti dal tempo, dipendenti dal tempo e dal flusso, sponge.
Parametrizzazioni fisiche:
Per ciascuna classe di fenomeni da parametrizzare, l'utente può scegliere tra un certo numero di schemi di diversa complessità, a seconda dello specifico problema e delle risorse di calcolo disponibili. E' anche possibile escludere del tutto i singoli schemi.
raffreddamento semplice, Dudhia, CCM2
sono implementati tutti gli schemi più noti: Anthes-Kuo, Grell, Kain-Fritsch, Kain-Fritsch con shallow convection, Betts-Miller, Arakawa-Shubert. Implementato uno schema per la gestione indipendente della shallow convection (nubi convettive non precipitanti).
"Bulk formulation", Blackadar, Burk-Thompson, Janijc, Hong e Pan, Ganyo.- Suolo: Zhang-Anthes (bilancio di energia, singolo strato), oppure tre diversi modelli di suolo: Dudhia (modello a 5 strati), Osum, Pleim-Xiu.
sette schemi di complessità crescente, che consentono di scegliere quali parametri devono essere previsti in modo esplicito: solo vapore acqueo (rimozione della sovrasaturazione), fase liquida (Hsie-Anthes), fase ghiacciata semplice (Dudhia), vapore soprassaturo (Reisner), graupel (Reisner, oppure Schultz), grandine (Tao e Simpson).
Altre caratteristiche:
a una o due vie; domini mobili; il numero di domini può variare durante la simulazione.
predisposto per l'assimilazione tramite nudging di analisi su grigliato e osservazioni sparse.
MM5 può essere installato su tutte le principali piattaforme Unix-Linux; è predisposto per l'elaborazione parallela.
Campo di applicazione
Il modello MM5 è uno strumento molto flessibile: può essere utilizzato per simulare una grande varietà di fenomeni atmosferici, su scale variabili dalla scala sinottica a quella delle singole nubi. E' strutturato principalmente per l'utilizzo a scopo di ricerca (da cui il grande numero di schemi alternativi implementati), ma viene anche usato per previsioni meteorologiche operative. Nello studio della qualità dell'aria, può fornire l'input meteorologico a qualsiasi modello diffusivo e fotochimico.
Limiti e note
La qualità dei risultati dipende in modo critico, oltre che dall'accuratezza delle condizioni iniziali e al contorno, dalla scelta degli algoritmi da utilizzare. Il modello nasce per previsioni a breve termine, e non è molto adatto a simulazioni di lungo periodo.
Il codice è piuttosto pesante, e richiede risorse di calcolo notevoli (preferibilmente supercalcolatori); il tempo di calcolo effettivo dipende fortemente dalle dimensioni del domino e degli algoritmi scelti.