Meteo

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A cura del dott. Alessio Canessa, meteorologo

 

Il ruolo della matematica nella meteorologia

 

Lo sviluppo dei modelli matematici per le previsioni del tempo è stato uno dei grandi trionfi della scienza nel XX secolo. Senza l’uso di sofisticate tecniche matematiche non sarebbe possibile ottenere in modo deterministico previsioni meteorologiche oggettive fatte dal computer.

Principalmente i modelli matematici sono costituiti da un complesso sistema di equazioni differenziali alle derivate parziali, dette primitive, che includono anche le note equazioni non lineari di Navier-Stokes. Queste ultime descrivono il comportamento di un fluido, come è anche l’aria che ci circonda. La ricerca della loro soluzione analitica rappresenta attualmente uno dei sette problemi irrisolti del millennio, posti dall’Istituto matematico Clay, che mette in palio un milione di dollari per chi lo risolverà per primo. La matematica gioca un ruolo indispensabile nel trovare la soluzione approssimata del sistema di equazioni suddetto. Per fare questo si usano i metodi dell’analisi numerica, come i metodi di discretizzazione, che considerano l'atmosfera suddivisa in un certo numero di volumi di dimensione finita, e gli schemi numerici semi-impliciti e semi-Lagrangiani, ma anche i metodi dell’analisi armonica, come per esempio le trasformate di Fourier e di Legendre.

La matematica è indispensabile anche nella fondamentale fase iniziale del modello, ovvero nell’assimilazione dei dati (chiamata “Data Assimilation”), che si occupa di trovare il migliore stato iniziale possibile dell’atmosfera (analisi) combinando i dati osservati (le misure) e i dati prodotti dal modello a breve termine. Assimilare i dati (dal latino "assimilare = rendere simile") significa appunto, in questo contesto, rendere quanto più simile possibile i dati osservati con quelli forniti dal modello di simulazione. Per risolvere questo problema inverso, si usano degli algoritmi statistico-numerici, come l’Ensemble Kalman Filter (EnKF), o i metodi variazionali come per esempio la 4D-VAR, “analisi variazionale quadri-dimensionale”, che è un metodo matematico ottimale per interfacciare gli output del modello con tutte le osservazioni possibili in una certa finestra temporale, ma computazionalmente enormemente più oneroso rispetto ai EnKF a causa del calcolo dell’operatore aggiunto del modello linearizzato (linear tangent model). 

L’atmosfera, che matematicamente si può descrivere come un sistema dinamico, deterministico e caotico, nella sua evoluzione descrive una successione di stati, di “tipi di tempo” tra loro simili, ma che non si ripetono mai identicamente: una successione avente struttura di tipo frattale. Questa proprietà di somiglianza è quella sfruttata dalla previsione meteo con metodi sinottici, basati sull'esistenza di analogie tra diversi stati del sistema. L’insieme di tutti i “tipi di tempo” ha le caratteristiche  di un cosiddetto “attrattore strano”, in questo caso non determinabile nella sua interezza, che costituisce tuttavia un piccolissimo sottoinsieme degli stati teoricamente possibili secondo le equazioni del moto.

I limiti di predicibilità sono la conseguenza del famoso “effetto farfalla”, tecnicamente chiamato “dipendenza sensibile dalle condizioni iniziali”. Gli errori ineliminabili  nell’assimilazione dei dati, nelle osservazioni meteo, ma anche nella formulazione del modello stesso, rappresentano i “battiti d’ala della farfalla”, responsabili dell’amplificazione nel tempo dell’errore nelle previsioni meteo numeriche. Per aggirare questo problema nei primi anni ‘90 si è introdotto un nuovo e rivoluzionario approccio alle previsioni numeriche, che, ancora grazie alla matematica, riesce a mettere un po’ di ordine nel caos. L’idea di base è quella di non produrre una sola previsione, ma un insieme sufficientemente grande di previsioni (ensemble forecasts), partendo da condizioni iniziali leggermente differenti. In pratica si fa come nella probabilità statistica (o a posteriori), che fa un certo numero di esperimenti (prove empiriche) e poi calcola la probabilità di un evento contando quante volte si verifica diviso per il numero di prove. Gli esperimenti si fanno al variare, sia di piccole e opportune perturbazioni dello stato iniziale, sia di variazioni stocastiche della parametrizzazione dei processi fisici del modello. L’approccio può essere quello del metodo di Monte Carlo, tramite l’EnKF, oppure si segue un campionamento limitato delle principali sorgenti di errore nelle previsioni. In questo ultimo caso le perturbazioni sono scelte in modo da selezionare quelle che crescono più velocemente e contribuiscono maggiormente alla generazione dell’errore nella previsione, e vengono generate principalmente con due metodi matematici distinti: il primo è basato sui così detti Bred Vectors, una generalizzazione dei vettori di Lyapunov, mentre il secondo sui Singular Vectors (calcolo degli autovalori tramite il metodo di Lanczos). 

 

La meteorologia in Italia

 

Prima di analizzare gli sbocchi professionali del settore, bisogna fare una doverosa premessa sulla particolare situazione della meteorologia italiana. Il servizio meteo pubblico non può essere individuato in quanto a competenze e responsabilità in un unico ente, ma piuttosto in un misto tra stato, alcune regioni e province autonome. In particolare la componente statale è distribuita tra:

  • il Ministero della Difesa con il Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare, in piccola parte anche con la Marina Militare tramite l’Istituto Idrografico e l’Arma dei Carabinieri insieme all’Esercito (Comando delle Truppe Alpine) con il Meteomont (il Servizio Nazionale di Prevenzione Neve e Valanghe);
  • la Presidenza del Consiglio dei Ministri con il Centro funzionale centrale presso il Dipartimento della Protezione Civile, che coordina la rete dei Centri funzionali, ed emette avvisi idro-meteo ai fini di protezione civile;
  • il Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca con il CNR;
  • il Ministero della Salute con il Dipartimento di Epidemiologia del SSR Regione Lazio per i bollettini nazionali sulle ondate di calore; 
  • il Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare con l’ISPRA;
  • il Ministero delle Politiche Agricole Alimentari e Forestali per quanto riguarda la meteorologia e la climatologia applicate all’agricoltura.

 

Invece la componente regionale è costituita da dodici Servizi Meteo (la Regione Trentino-Alto Adige ne ha due) inclusi nelle ARPA, ovvero alcune regioni del Centro, più tutte quelle del Nord, in cui si distinguono l'Emilia-Romagna e, soprattutto a seguito delle Olimpiadi di Torino 2006, il Piemonte. Queste ultime due regioni infatti svolgono anche il ruolo importante di centri di competenza per il Dipartimento della Protezione Civile con attività di previsioni meteorologiche anche sull’intero territorio nazionale. Esiste infine il Servizio Meteo dell’E.N.A.V. S.p.A. (Ente Nazionale Assistenza al Volo), sottoposto alla vigilanza dal Ministero delle Infrastrutture e Trasporti. 

Una sinergia tra numerosi dicasteri e regioni, che però, non essendo coordinata da alcun organo centrale, può creare duplicazioni e mancanza di ottimizzazione delle risorse. Anche la situazione nella climatologia è molto simile e non va meglio. La soluzione a questo problema potrebbe venire dalla nascita dell’Agenzia nazionale per la meteorologia e climatologia, chiamata ItaliaMeteo, con sede a Bologna, prevista dalla Legge di Bilancio 2018 (DDL 2960). 

 

Tipo di impiego offerto

 

Diversamente da quanto si potrebbe credere, un meteorologo non ha come sua unica o principale occupazione quella di fare ed esporre le previsioni per esempio in televisione o alla radio. Le previsioni del tempo rappresentano solo la punta dell’iceberg, una delle tante specializzazioni della meteorologia. Meteorologo non è sinonimo di previsore del tempo, ma è molto di più. Per capire come avvengono i fenomeni atmosferici, per comprendere come lavorano i modelli e come sfruttarli al meglio nelle previsioni meteo, il meteorologo deve conoscere una matematica avanzata (fisica matematica, statistica, teoria delle probabilità, calcolo numerico, teoria del caos, teoria dei sistemi, analisi funzionale, informatica, etc.), che è oggetto di studio degli ultimi anni dei corsi di laurea in matematica, fisica, ingegneria, scienze nautiche, astronomia e, se esistesse, meteorologia.

In Italia per i neolaureati in matematica gli sbocchi occupazionali in questo settore si presentano limitati, sia nel pubblico che nel privato. Essi possono essere impiegati nelle previsioni del tempo, nella modellistica, nella climatologia, nello studio dei cambiamenti climatici, nella ricerca e in minima parte nella didattica. Il matematico, preferibilmente dopo essersi specializzato in meteorologia o dopo aver fatto temporanee esperienze lavorative o di ricerca sfruttando per esempio delle borse di studio, può cercare impiego nel settore pubblico, presso amministrazioni statali o regionali, come per esempio:

  • l’Aeronautica Militare;
  • il settore meteo del Dipartimento della Protezione Civile, struttura della Presidenza del Consiglio dei Ministri; 
  • i servizi meteorologici regionali;
  • la Fondazione CIMA, Centro Internazionale in Monitoraggio Ambientale, o gli istituti di ricerca del CNR, come per esempio l’ISAC (Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima) o l’IBIMET (Istituto di Biometeorologia).

Per l’Aeronautica Militare matematici e fisici sono equivalenti e a loro vengono offerte pari opportunità di accesso. L’A.M. arruola annualmente tramite concorso pubblico circa tre laureati, a cui non è richiesto di avere conoscenze meteorologiche, perché essi vengono in seguito specializzati in meteorologia in piena aderenza agli standard dell’Organizzazione Meteorologica Mondiale. La quasi totalità di essi viene impiegata nelle sedi di lavoro di Roma e di Pratica di Mare (Pomezia), una piccola parte viene impiegata a Poggio Renatico (FE), al CAMM - Centro Aeronautica Militare di Montagna sul Monte Cimone (MO) a 2165 metri e al CTM - Centro Tecnico per la Meteorologia con sede a Vigna di Valle (RM).

In Italia, anche a causa del fatto che non esiste una laurea magistrale in meteorologia, non è ancora stato stabilito ufficialmente se il meteorologo debba essere laureato o meno, anche se per esempio tutti i servizi meteo regionali hanno assunto fino a oggi come meteorologi solo laureati in materie tecnico-scientifiche e con lauree prevalentemente di durata quadriennale.

Inoltre, nonostante la matematica sia stata battezzata da Gauss la regina delle scienze, i matematici vengono inspiegabilmente “dimenticati” nei bandi dei concorsi pubblici per posti da meteorologo, dove invece vengono preferiti i laureati in fisica, che la fanno da padrone, o altre lauree ad esempio quelle del settore ambiente, ultimamente molto di moda. Dico inspiegabilmente perché una laurea magistrale in matematica, con un curriculum per es. di modellistica o di matematica applicata alla fisica, è sicuramente più adatta alla professione di meteorologo rispetto a una laurea magistrale in fisica con curriculum per esempio in fisica della materia o fisica nucleare. A conferma di quanto sopra esposto, di seguito si elencano alcuni degli ultimi concorsi per meteorologi in cui nei requisiti di ammissione non era presente la laurea in matematica:

  • 2015 - Provincia Autonoma di Trento - Meteotrentino. Prevista prova scritta su conoscenze di meteorologia. Richiesto il diploma di laurea solamente in fisica e di durata quadriennale. Riconosciuto che i requisiti di ammissibilità erano troppo selettivi, il bando è stato riaperto a tutte le lauree tecnico-scientifiche e pertanto anche alla laurea in matematica;
  • 2015 - Regione Liguria - A.R.P.A.L. Richiesto solo il diploma di laurea specialistica/magistrale o vecchio ordinamento in fisica, ingegneria ambientale e meteorologia; richiesta formazione universitaria (minimo 1 esame o 10 CFU) o post-universitaria o tesi di laurea/dottorato inerente la meteorologia o la fisica dell’atmosfera ovvero svolgimento di almeno sei mesi di attività lavorativa certificata con compiti di meteorologia operativa;
  • 2013 - Provincia Autonoma di Bolzano (Avviso di concorso pubblico n. 9588 del 02.04.2013 - per due posti nel servizio meteo e prevenzione valanghe). Richieste solo lauree quadriennali nelle discipline: scienze geologiche, scienze agrarie e forestali, scienze ambientali, geografia, fisica, ingegneria per l’ambiente ed il territorio. Prevista prova scritta su conoscenze di meteorologia e valanghe. In seguito a una richiesta di spiegazioni sulle motivazioni dell’esclusione della laurea in matematica, il concorso fu annullato e bandito nuovamente anche per i matematici.
  • 2008 - A.R.P.A. Friuli Venezia Giulia - Richiesto solo il diploma di laurea in fisica;
  • 2007 - Regione Veneto - A.R.P.A.V. Richieste le seguenti lauree: fisica, astronomia, ingegneria per l’ambiente e il territorio, ingegneria civile, scienze ambientali, scienze naturali, scienze geologiche, geografia, scienze dell’universo.

Nel settore privato, invece, è da considerare per esempio:

  • il Centro Epson Meteo; 
  • le numerose società di consulenza italiane ed estere, alcune solo online, che offrono previsioni meteo su misura o servizi/prodotti meteo;
  • la società Meteosolutions S.r.l. di Bergamo, con il sito web 3Bmeteo.com; nel 2017 cercava laureati anche in matematica con esperienza nel trattamento dei dati di modelli fisico-matematici, sia atmosferici che chimici (per inquinanti), e nella creazione e mantenimento di una catena modellistica. Conoscenza di linguaggi di programmazione: preferenziale Fortran, php; ambienti informatici Linux. Età preferenziale: 30-40 anni;
  • l’ENAV S.p.A. offre la possibilità di lavorare come previsori meteo aeronautici nei Centri di Milano e Roma. 

Non sono da sottovalutare le possibilità d’inserimento nei prestigiosi centri di cooperazione internazionale nel settore della meteorologia. Ne cito tre tra i più  famosi: l’ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) con sede a Reading (UK), uno dei centri più importanti al mondo, la WMO (World Meteorological Organisation) con sede a Ginevra e l’EUMETSAT (l’Agenzia europea per i satelliti meteorologici) con sede a Darmstadt in Germania.

Verso la fine del 2016 finalmente in Italia è nato uno strumento che permette di certificare la competenza degli esperti e professionisti del mondo della meteorologia. Dopo un lungo percorso, che nasce all'indomani della promulgazione della legge 4/2013 sulle professioni non organizzate in ordini e collegi, lo schema certificativo sulla professione di meteorologo, conforme alle raccomandazioni internazionali in materia, vede finalmente la luce ad opera dell'organismo di certificazione internazionale DEKRA. E’ stato quindi compiuto un primo importante passo per il riconoscimento della figura del meteorologo. Il candidato meteorologo, anche non in possesso di laurea, dovrà dimostrare di aver acquisito le adeguate conoscenze in matematica e fisica attraverso il proprio percorso accademico. È bene precisare che non si tratta di una certificazione cogente, bensì di uno schema di certificazione volontario nato dall'esigenza di regolamentare il settore della meteorologia, dove purtroppo abbondano esperti che tali non sono, mostrando al contrario, scarsa preparazione in materia di previsioni meteo. L’auspicio è che un’opportuna modifica dell’attuale certificazione possa consentire in futuro di:

  • impedire possibili esclusioni dei matematici dai concorsi pubblici per meteorologi, mettendo sullo stesso piano per esempio matematici e fisici;
  • distinguere tra le persone certificate, coloro che possiedono un diploma di laurea da coloro che non lo possiedono.

Un altro fattore importante nel prossimo futuro è che entro il 2019 il data center del Centro europeo per le previsioni meteorologiche, l’ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts), leader mondiale nel settore delle previsioni numeriche, cambierà sede e si trasferirà in Italia. Infatti i futuri supercomputer dell’ECMWF verranno ospitati nella città di Bologna, mentre la sede centrale resterà nel Regno Unito a Reading. 

Sono prevedibili ottime ricadute per il nostro tessuto universitario, economico e scientifico. Sarà un volano per tutto il settore della meteorologia e della ricerca italiana, perché offrirà rilevanti opportunità di sinergie tecnico-scientifiche, che si potranno realizzare tra l’ECMWF e i numerosi centri di ricerca nazionali.

Bologna diventerà tra le prime località al mondo per capacità di calcolo e in seguito all’istituzione dell’agenzia nazionale ItaliaMeteo, la capitale italiana della meteorologia. Essa è già il principale hub italiano di ricerca e conoscenza in materia di meteo e cambiamento climatico: infatti i principali istituti di ricerca e le più importanti agenzie nel settore meteorologico e climatico si trovano proprio a Bologna (CMCC, CNR, ENEA), come anche la più rilevante comunità europea per la ricerca e l’innovazione nella sfida ai cambiamenti climatici (Istituto europeo di tecnologia - Climate-KIC), che ha aperto da poco una sede nella città felsinea. 

 

Offerta ed adeguatezza di una formazione specifica

 

Il disinteressamento della politica verso la meteorologia e l’inadeguatezza della formazione nella meteorologia ha radici lontane, che potrebbero risalire alla legge Casati del 1859 e alla riforma Gentile del 1912 (in vigore fino al 31 dicembre 1962) secondo la quale solo i diplomati del liceo classico avrebbero potuto frequentare tutte le facoltà universitarie. Ancora oggi scontiamo le conseguenze dell’impostazione tipicamente italiana nel considerare la cultura umanistica superiore a quella scientifica.

Inoltre, mi trovo d’accordo con quanto scritto dal Prof. S. Tibaldi in Ecoscienza 4/2014, ovvero, in sintesi, che il sistema accademico scientifico stesso è sempre stato disinteressato alla meteorologia, che viene tutt’ora ospitata come supercenerentola di altre discipline, in prevalenza della fisica, esattamente come trenta anni fa. Inoltre egli afferma che con le poche risorse disponibili l’università italiana è sempre stata impegnata nelle sue guerre interne per la supremazia, o la sopravvivenza, delle varie discipline, e che essa non ha mai voluto accollarsi l’investimento, il quale risulterebbe a carico delle altre discipline, necessario per la nascita di una decente meteorologia accademica.

Nel corso degli ultimi 15 anni quei pochi atenei, che hanno attivato dei corsi di laurea triennali in meteorologia o dei master di I livello, non hanno avuto purtroppo seguito; tra questi le Università di Ferrara, Firenze, Roma “La Sapienza”, L’Aquila, Napoli e Torino. Recentemente, nel 2012, anche l’Università di Bologna ha soppresso la laurea in fisica dell'atmosfera e meteorologia, e dal primo novembre 2015, l’Università degli Studi di Roma “Tor Vergata” ha declassato il corso di laurea in fisica dell’atmosfera e meteorologia a un curriculum del corso di laurea triennale in fisica.

Due nuovi tentativi verranno fatti nei prossimi due anni, quando si avrà l’istituzione dei seguenti nuovi corsi:

  • nell’anno accademico 2017/2018 presso l’Università del Salento a Lecce in collaborazione con l’Università di Napoli Parthenope, è attivo il master di II livello in “Meteorologia e Oceanografia Fisica”. Il percorso di studi, che ha ricevuto l’approvazione dell’Aeronautica Militare, è valido ai fini del rilascio dell’attestazione di formazione base di “meteorologist” ai sensi dell’Organizzazione Meteorologica Mondiale (OMM/WMO). È un’opportunità unica in Italia e colma una lacuna nel sistema universitario. Questo master costituisce un percorso formativo vicino alle esigenze del mercato del lavoro e il titolo rilasciato sarà facilmente spendibile nel contesto lavorativo. Il master è rivolto ai laureati anche in possesso della laurea magistrale in matematica LM-40, anche se, per una banale dimenticanza, non compare nei requisiti di accesso del bando. Tassa d’iscrizione €2.250.

(http://master.meteorologiaeoceanografiafisica.unisalento.it/index.php)

  • a partire dall’anno accademico 2018/2019 a Trento dovrebbe partire un nuovo corso di laurea magistrale in meteorologia, il primo assoluto in Italia, all'interno del Dipartimento di ingegneria civile, ambientale e meccanica, in stretta relazione con fisica dell'atmosfera. Verrebbe organizzato in collaborazione con l'Università di Innsbruck, dove la facoltà di meteorologia esiste da circa 125 anni. 

Un’altra iniziativa positiva riguarda l’Università di Trento, che dal 2015 organizza annualmente anche il “Festival della Meteorologia” a Rovereto (TN), preziosa occasione di incontro, di conoscenza e interazione tra le diverse realtà della meteorologia italiana.

La grande carenza nella formazione accademica  nel campo della meteorologia è per assurdo tutta a vantaggio del matematico, che può sfruttarla facendo le scelte opportune, anche mantenendo la propria identità di matematico. Per chi intende lavorare in questo settore è fondamentale inserire all'interno del proprio piano di studi esami d’informatica, per avere conoscenze per es. di UNIX, Fortran, C e Phyton, ed esami di matematica applicata, come analisi numerica, statistica e fisica-matematica (in particolare fluidodinamica). È sicuramente utile una formazione in modellizzazione, simulazione numerica e fisica computazionale.

Una scelta utile sarebbe quella di aderire al progetto Erasmus+, se qualche ateneo offrisse la possibilità di seguire corsi relativi alla meteorologia nei paesi leader di questo settore, come Francia, Germania e Inghilterra. Inoltre è consigliabile elaborare una tesi con argomento applicabile alla meteorologia e in seguito approfondire la propria preparazione, in Italia o all’estero, frequentando un master in meteorologia, seguendo conferenze, seminari e work-shop nel campo della meteorologia. Si suggerisce di integrare gli studi frequentando i corsi sui modelli numerici presso l’ECMWF. 

È chiaro che, per chi volesse limitarsi a fare il previsore del tempo, è indispensabile possedere una spiccata capacità comunicativa sia scritta sia orale nell’esporre le previsioni in televisione, alla radio o per giornali, siti web e social media.

Infine, nel 2016 è nata AISAM, l’Associazione Italiana di Scienze dell'Atmosfera e Meteorologia (www.aisam.eu), che intende promuovere:

  • lo sviluppo in Italia delle scienze dell’atmosfera e della meteorologia;
  • l’insegnamento delle scienze dell’atmosfera e della meteorologia nelle università, nelle scuole e in tutte le iniziative di formazione, e il mantenimento di elevati livelli di qualità;
  • le professioni connesse alle scienze dell’atmosfera e alla meteorologia.