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I temporali estivi nella regione alpina e la loro previsione: limiti e potenziali
MeteoSwiss - EUMETSAT
Luca Nisi
Contributi: M. Gaia, I. Giunta, P. Ambrosetti, L. Panziera
Incontro Amici della meteorologia, Bellinzona 20.09.2011
Federal Department of Home Affairs FDHAFederal Office of Meteorology and Climatology MeteoSwiss
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Sommario
• Introduzione
• I temporali: caratteristiche e classificazione
• Fenomeni convettivi nella regione alpina
• La previsione dei temporali• Motivazione• Challenges• Nowcasting a MeteoSvizzera
• Sistemi Nowcasting del presente e del futuro• Integrazione dei dati• L’approccio di COALITION• Outlook e conclusioni
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Il temporale …• è uno dei fenomeni meteorologici
più intensi delle nostre regioni
• si sviluppa in situazioni di instabilità atmosferica
• è accompagnato da:
- fulmini- raffiche di vento associate a forti correnti ascensionali e discendenti(→ turbolenze)- rovesci, grandine
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Condizioni indispensabili per lo sviluppo di un temporale
• Instabilità atmosferica
• Sufficiente umidità atmosferica
• Meccanismo di innesco (triggering)
Prodotto satellitare “Severe Convection”, Meteosat Second Generation
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27.01.95 – VIS
Triggering sinottico(convergenza frontale o pre-frontale)
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Triggering termico
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Triggering orografico
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Triggering orografico
mm/h
~ 10
0 km
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Temporali tipici in Svizzera
• Frontali: organizzati, non seguono il ciclo diurno, possibili anche fuori dal periodo estivo
• Termici: localizzati (convergenze al suolo), seguono il ciclo diurno ma possono estendersi anche nella notte, solo nel semestre estivo (aprile / ottobre)
• Da instabilità in quota: non sempre organizzati,non seguono il ciclo diurno
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Passaggio frontale – fronte freddo
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15.00 UTC 16.00 UTC 17.00 UTC 18.00 UTC
19.00 UTC 20.00 UTC 21.00 UTC 22.00 UTC
Immagini Meteosat IR, 08.05.2003Temperature al suolo fino a 30 °C, punto di rugiada fino a 15 °C, a 500 hPa –19°C
Temporali termici ( spesso isolati)
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Tropopausa
Goccia fredda
Instabilità in quota
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Esempi
Temporali termici + instabilità in quota
Temporali frontali
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Fasi dei temporali
t
Altitudine
Alta
Media
Bassa
aria chiara “convectioninitiation”
“deepconvection”
fase “matura”
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0 °C
-40 °C
Cu humilis
gocce acqua T> 0°C
LC
Fasi di sviluppo
LC: livello di condensazione
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0 °C
-40 °C
Cu humilis Cu mediocris
gocce acqua T> 0°C
gocce acqua T< 0°C (sopraffuse)
LC
Fasi di sviluppo
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0 °C
-40 °C
Cu humilis Cu mediocris Cu congestus
gocce acqua T> 0°C
gocce acqua T< 0°C (sopraffuse)
LC
Fasi di sviluppo
![Page 18: I temporali estivi nella regione alpina e la loro previsione: limiti e … · 2015-11-01 · cristalli di ghiaccio / graupel / grandine T = 25 °C T = 15 °C Temporale stazionario](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042922/5f6ee1e563c5bb01431c1038/html5/thumbnails/18.jpg)
0 °C
-40 °C
Cu congestus
gocce acqua T> 0°C
gocce acqua T< 0°C (sopraffuse)
LC
Cb calvus
cristalli di ghiaccio / graupel / grandine
Fasi di sviluppo Fase matura
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Cu nimbus
cristalli di ghiaccio/ graupel / grandine
Fase di dissipazione
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gocce acqua T> 0°C
gocce acqua T< 0°C (sopraffuse)
cristalli di ghiaccio / graupel / grandine
T = 25 °CT = 15 °C
Temporale stazionarioTemporale da caloreDeboli venti in quotaDurata tipica: ca. 30 min – 1 h
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T = 25 °CT = 15 °C
Temporale (frontale) in movimentoVenti in quota moderatiDurata: anche diverse ore
Direzione di movimento
Vento
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T = 25 °CT = 15 °C
Temporale tipo supercellaVenti in quotamoderatiDurata: anche diverse ore
Vento
Mammatus
Hail - tower
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Sommario
• Introduzione
• I temporali: caratteristiche e classificazione
• Fenomeni convettivi nella regione alpina
• La previsione dei temporali• Motivazione• Challenges• Nowcasting a Meteosvizzera
• Sistemi Nowcasting del presente e del futuro• Integrazione dei dati• L’approccio di COALITION• Outlook e conclusioni
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Numero di giornate temporalescheall‘anno
Tratto da Hack / Flugwetter 2
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Climatologia fulminazione 2000-2008
( fulmini nuvola-terreno / km^2 / anno )
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Regioni di sviluppo delle celle (durata > 30 min)
Intensità:
debolemoderataforte
Criterio intensità: reflettività massima (radar)
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Esempio 17 luglio 2009
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Sezione verticale 17 luglio 2009
A
B
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Sezione verticale 17 luglio 2009
A B
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Sommario
• Introduzione
• I temporali: caratteristiche e classificazione
• Fenomeni convettivi nella regione alpina
• La previsione dei temporali• Motivazione• Challenges• Nowcasting a Meteosvizzera
• Sistemi Nowcasting del presente e del futuro• Integrazione dei dati• L’approccio di COALITION• Outlook e conclusioni
![Page 31: I temporali estivi nella regione alpina e la loro previsione: limiti e … · 2015-11-01 · cristalli di ghiaccio / graupel / grandine T = 25 °C T = 15 °C Temporale stazionario](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042922/5f6ee1e563c5bb01431c1038/html5/thumbnails/31.jpg)
Motivazione
• 12 luglio 2011 > 100 Milioni CHF in poche ore
• 23 luglio 2009 ~200 Milioni CHF solamente alle costruzioni
• Gran parte dei danni dovuti al maltempo sono causati dai temporali (50-80% di tutto l’ammontare dei danni)
• 3 cause principali: flash floods, grandine e forti raffiche di vento
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Challenges nel nowcasting della convezione
• La convezione può iniziare e svilupparsi:- durante notte e giorno- in aria chiara o sotto uno strato nuvoloso- con forcing sinottico o meno- triggering e rinforzo dovuto all’orografia o meno
• I metodi per assistere il meteorologo nel processo decisionale devono essere migliorati, in particolare:- identificazione prematura dei fenomeni convettivi- nowcasting della fase della convezione- nowcasting della rigenerazione delle celle
→ tutto questo dovrebbe avvenire in tempo utile!
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Convezione nei modelli numerici
• Spesso i forti temporali sono previsti al posto sbagliato (20-40 km di distanza), anche nei modelli ad alta risoluzione
→ gli effetti dei flash floods possono variare molto, specialmente nelle regioni con orografia complessa
• Previsione dei temporali con NWP:• risoluzione migliore (orizzontale, verticale e temporale)• assimilazione di nuovi dati• modello fisico migliorato→ futuro (prossimo)?
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Fenomeni convettivi intensi implicano forti gradienti
Esempio: 12.07.2011
~ 250 km
Precipitazioni cumulate:
Probabilità di grandine (POH): Diametro massimo della grandine (MESH):
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Cascata Piumogna, Faido 13.07.2011
Fenomeni convettivi intensi implicano forti gradienti
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Miglioramenti nei modelli numerici
COSMO-2 2.2km
COSMO-7 6.6km
COSMO-? ~100m
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TRT (Thunderstorms Radar Tracking)
Classifiazione dell’intensitàdelle celle:
debolemoderatoforte
Intensità: liquido integrato verticale, 45 dBZ Eco-Top, riflettività massima
540
kmHering (2004)
Sistema Nowcasting per i temporali a MeteoSvizzera
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Allerta temporali violenti: stato attuale
• Con soli prodotti radar, l’identificazione prematura è difficile
• Per questa ragione spesso gli allarmi meteorologici vengono emanati quando il temporale è già intenso. I primi danni possono già essersi verificati
• Servizi di pronto intervento richiedono di essere allertati prima che il fenomeno si verifichi
→ Identificazione dei cumuli potenzialmente pericolosi già allo stadio prematuro (cumulus mediocris, cumuluscongestus)
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Sistemi Nowcasting automatici: POD alto FAR basso → un sogno ?
• Probabilità di successo più alta possibile (> 90%)• Percentuale di falsi allarmi ragionevolmente bassa (< 40%)
• Attualmente la strategia nel Nowcasting si basa su dei sistemi automatici che forniscono un’alta probabilità di successo a scapito di un’alta probabilità di falsi allarmi
• Il meteorologo deve ridurre i falsi allarmi!
POD100%
FAR
Avvisi di maltempo prodotti automaticamente
Valore aggiunto del meteorologo
100%
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Sommario
• Introduzione
• I temporali: caratteristiche e classificazione
• Fenomeni convettivi nella regione alpina
• La previsione dei temporali• Motivazione• Challenges• Nowcasting a Meteosvizzera
• Sistemi Nowcasting del presente e del futuro• Integrazione dei dati• L’approccio di COALITION• Outlook e conclusioni
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COALITION
• EUMETSAT Fellowship
• Obiettivo: aumentare il “lead time” nel prevedere lo sviluppo delle celle temporalesche violente attraverso l’integrazione automatica simultanea di dati da sorgenti differenti in un modello euristico
• Output: informazione probabilistica in tempo reale sull’evoluzione dell’intensità delle celle temporalesche → allerte
23.07.2009:
1COALITION: Context and Scale Oriented Thunderstorm Satellite Predictors Development
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Dati disponibili
t
aria chiara “convectioninitiation”
“deepconvection”
fase “matura”
MetOp/IASI(T&Q soundings)
Fulmini
Stazioni al suolo
Radar
Meteosat Second Generation / SEVIRI(dati e prodotti derivati)
Altri: modelli numerici , sondaggi, informazioni orografiche, climatologia
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COALITION: input
COALITION
SATCAST/CI SAF Nowcasting CCS4
VerticalIntegrated
Liquid Content (VIL)
Rapid DevelopingThunderstorms
& Cloud Top Height
ConvectionInitiation
L1.5MPEF COSMO-2 fields
MSGRapid Scan
NWP
Swiss WeatherRadars
MeteoSwiss
MeteoSwiss MeteoSwiss
MeteoSwiss
Volumedata
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Banca dati
→ 60 giorni temporaleschiselezionati (~200 temporali)
→ 5 classi
Criteri di selezione :
• intensità• estensione• durata• condizioni sinottiche
Fronte freddo: celle violente e durature
Celle stazionarie
→ 50% dei dati per svilupparel’algoritmo
→ 50% dei dati per validarel’algoritmo
classe 1: esempio
classe 3: esempio
Classi:
1) celle violente e durature2) situazioni miste3) temporali stazionari4) temporali deboli5) situazioni ambigue
→ 2 TB
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• Attori principali:
oggetti convettivi & ambienti esterni(campi nei quali gli oggetti si
sviluppano)
esempio : aumento delle dimensioni del cumulonembo ↓
aumento dell’intensità delle precipitazioni
COALITION: metodologia (1)
EkinEkin + Epot
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potential
Object
COALITION: metodologia (2)
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Convection Initiation - number of positive tests]
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 12:43 12:57 13:12 13:26 13:40 13:55
Time [UTC]
CI [#
pos
itive
test
s]
CI [# positive tests]
Cloud Top Temperature [°K]
200
205
210
215
220
225
230
235
11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 12:43 12:57 13:12 13:26 13:40 13:55
Time [UTC]
CTT
[°K]
CTT [°K]
Vertical Integrated Liquid content [kg/m²]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 12:43 12:57 13:12 13:26 13:40 13:55
Time [UTC]
VIL
[kg/
m2]
VIL [kg/m²]
10 luglio 2010
16 - 17
15
14
0 - 13
Satellite: Cloud Top Temperature
Radar: Vertical Integrated Liquid Content
Inte
rest
ing
field
s (n
umbe
r of
pos
itive
test
s)
Satellite: Convection Initiation (CI)
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Convection Initiation - number of positive tests]
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 12:43 12:57 13:12 13:26 13:40 13:55
Time [UTC]
CI [#
pos
itive
test
s]
CI [# positive tests]
Vertical Integrated Liquid content [kg/m²]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 12:43 12:57 13:12 13:26 13:40 13:55
Time [UTC]
VIL
[kg/
m2]
VIL [kg/m²]
Cloud Top Temperature [°K]
200
205
210
215
220
225
230
235
11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 12:43 12:57 13:12 13:26 13:40 13:55
Time [UTC]
CTT
[°K]
CTT [°K]
I° modulo:
SAT
SAT
RAD
Cloud Top Temperature(SAF Nowcasting RDT)
Convection Initiation (CI)
Regola euristica:più forte il segnale di Convection Initiation
Maggiore sarà l‘energia disponibile per accelerare il raffreddamento del top cumulonembo
energia potenziale ↑
energia cinetica↓
towering
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Convection Initiation - number of positive tests]
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 12:43 12:57 13:12 13:26 13:40 13:55
Time [UTC]
CI [#
pos
itive
test
s]
CI [# positive tests]
Vertical Integrated Liquid content [kg/m²]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 12:43 12:57 13:12 13:26 13:40 13:55
Time [UTC]
VIL
[kg/
m2]
VIL [kg/m²]
Cloud Top Temperature [°K]
200
205
210
215
220
225
230
235
11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 12:43 12:57 13:12 13:26 13:40 13:55
Time [UTC]
CTT
[°K]
CTT [°K] II° modulo:
Vertical Integrated Liquid
SAT
SAT
RAD
Cloud Top Temperature(field)
Regola euristica:
↓energia potenziale
energia cinetica↑
towering expansion
Maggiore sarà l‘energia disponibile per incrementare l‘intensità della precipitazione(VIL)
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Esempio
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Esempio
![Page 52: I temporali estivi nella regione alpina e la loro previsione: limiti e … · 2015-11-01 · cristalli di ghiaccio / graupel / grandine T = 25 °C T = 15 °C Temporale stazionario](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042922/5f6ee1e563c5bb01431c1038/html5/thumbnails/52.jpg)
Esempio
![Page 53: I temporali estivi nella regione alpina e la loro previsione: limiti e … · 2015-11-01 · cristalli di ghiaccio / graupel / grandine T = 25 °C T = 15 °C Temporale stazionario](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042922/5f6ee1e563c5bb01431c1038/html5/thumbnails/53.jpg)
Esempio
![Page 54: I temporali estivi nella regione alpina e la loro previsione: limiti e … · 2015-11-01 · cristalli di ghiaccio / graupel / grandine T = 25 °C T = 15 °C Temporale stazionario](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042922/5f6ee1e563c5bb01431c1038/html5/thumbnails/54.jpg)
Esempio
![Page 55: I temporali estivi nella regione alpina e la loro previsione: limiti e … · 2015-11-01 · cristalli di ghiaccio / graupel / grandine T = 25 °C T = 15 °C Temporale stazionario](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042922/5f6ee1e563c5bb01431c1038/html5/thumbnails/55.jpg)
Esempio
![Page 56: I temporali estivi nella regione alpina e la loro previsione: limiti e … · 2015-11-01 · cristalli di ghiaccio / graupel / grandine T = 25 °C T = 15 °C Temporale stazionario](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042922/5f6ee1e563c5bb01431c1038/html5/thumbnails/56.jpg)
Esempio
![Page 57: I temporali estivi nella regione alpina e la loro previsione: limiti e … · 2015-11-01 · cristalli di ghiaccio / graupel / grandine T = 25 °C T = 15 °C Temporale stazionario](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042922/5f6ee1e563c5bb01431c1038/html5/thumbnails/57.jpg)
Esempio
![Page 58: I temporali estivi nella regione alpina e la loro previsione: limiti e … · 2015-11-01 · cristalli di ghiaccio / graupel / grandine T = 25 °C T = 15 °C Temporale stazionario](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042922/5f6ee1e563c5bb01431c1038/html5/thumbnails/58.jpg)
Esempio
0
10
20
30
40
50
60
70
12:14 12:21 12:28 12:36 12:43 12:50 12:57
Tempo [UTC]
VIL
[kg/
m2]
VIL ObservationCOALITION Forecast
Cosa è successo?
Soglia d‘allarme
Allarme trasmesso alla popolazione
Previsione COALITION
~10 min di anticipoVIL
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performance di COALITION vs. lead-timediscussione su diversi casi
ottimi risultatiprevisione errata
temporali deboli
temporali violenti
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Mesoscale Convective Systems (MCS): situazioni difficili
Cause possibili:
- situazione meteorologicacomplessa (merging/ splitting)
- risoluzione / collocazione
- performance dell’algoritmoSoluzioni possibili:
- ulteriori sorgenti di dati / nuovi prodotti
→ (combinazione deirisultati dei vari moduli diCOALITION)
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Situazioni difficili...
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Frequenza di falsi allarmi
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 10 20 30 40 50 60 70
lead time
COALITION performancestatistica su 11 casi
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Conclusioni (1)
• I temporali sono una delle manifestazione meteorologiche piùviolente sul nostro territorio;
• I fenomeni convettivi hanno diverse caratteristiche e possono essere raggruppati in tre categorie principali;
• Al momento i meteorologi non possono basarsi sui modelli numerici per la previsione dei temporali;
• I modelli numerici potranno migliorare unicamente con l’assimilazione di nuovi dati (per es. MeteoSat Third Generation) e con l’aumento della risoluzione sia spaziale che temporale;
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Conclusioni (2)• I metodi Nowcasting sono necessari, specialmente quelli che
includono l’integrazione di dati da sorgenti differenti; • COALITION combina i dati attraverso un’interazione particella –
ambiente esterno;• Implementazione di due moduli conclusa:
• previsione dello sviluppo verticale dei cumuli;• previsione dell’intensità della precipitazione;
• Risultati preliminari (11 casi): • lead-time: 10...30min per la maggior parte dei casi; lead-time
minore nei casi complessi (MCS)• Lavori attuali:
• validazione dell’algoritmo con i casi dell’archivio (~200)• combinare i risultati dei vari moduli in una mappa di probabilità
( utenti)• implementazione di ulteriori moduli (climatologia fulminazione,
umidità)• Implementazione in tempo reale
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Outlook
COALITION
Lightening
MeteoSwiss
moistureconvergenceclimatology
INCA
upperlevelfeatures(PV)
MeteoSwiss
upperlevelfeatures(TOZ)
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Ringraziamenti
• Rolf Stuhlmann (EUMETSAT Fellowship program)• EUMETSAT Central Application Facility (dati in tempo
reale e archiviati)• SAF/Nowcasting Consortium (software e supporto);• GEPARD J.Scheiber KG (software development Kit)• John Mecikalski (algoritmo SATCAST “Convection
Initiation”)• Marianne Koenig (EUMETSAT MET Division) per il
prezioso contibuto scientifico e tecnico;• Tutto lo staff di MeteoSvizzera, in particolare Lorenzo
Clementi per l’importante supporto informatico;
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![Page 68: I temporali estivi nella regione alpina e la loro previsione: limiti e … · 2015-11-01 · cristalli di ghiaccio / graupel / grandine T = 25 °C T = 15 °C Temporale stazionario](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042922/5f6ee1e563c5bb01431c1038/html5/thumbnails/68.jpg)
Slides addizionali
![Page 69: I temporali estivi nella regione alpina e la loro previsione: limiti e … · 2015-11-01 · cristalli di ghiaccio / graupel / grandine T = 25 °C T = 15 °C Temporale stazionario](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042922/5f6ee1e563c5bb01431c1038/html5/thumbnails/69.jpg)
Atmosfera stabile
temperaturaaria
quot
a
T1 T2
temperaturaaria (reale)
- 1 °C / 100 m(adiabatica secca)
<
![Page 70: I temporali estivi nella regione alpina e la loro previsione: limiti e … · 2015-11-01 · cristalli di ghiaccio / graupel / grandine T = 25 °C T = 15 °C Temporale stazionario](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042922/5f6ee1e563c5bb01431c1038/html5/thumbnails/70.jpg)
Atmosfera instabile
temperaturaaria
quot
a
T1T2
temperaturaaria (reale)
- 1 °C / 100 m(adiabatica secca)
<
![Page 71: I temporali estivi nella regione alpina e la loro previsione: limiti e … · 2015-11-01 · cristalli di ghiaccio / graupel / grandine T = 25 °C T = 15 °C Temporale stazionario](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042922/5f6ee1e563c5bb01431c1038/html5/thumbnails/71.jpg)
TRT (Thunderstorms Radar Tracking)
Input • Radar composite (3 swiss radars); 5 min• NWP: COSMO-2 (resolution 2.2 km); 180 min• Lightning (aux): Cloud-to-Ground (CG) flashes; 5 min
Algorithms• Detection: Dynamic reflectivity threshold scheme
50 150100
dBmin = 36
45
54
Range [km]
Ref
lect
ivity
[dB
Z]
ΔdBTΔdBT ΔdBT = 6dB
ΔdBT
cell 1cell 2 cell 3
dBth
dBth
![Page 72: I temporali estivi nella regione alpina e la loro previsione: limiti e … · 2015-11-01 · cristalli di ghiaccio / graupel / grandine T = 25 °C T = 15 °C Temporale stazionario](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042922/5f6ee1e563c5bb01431c1038/html5/thumbnails/72.jpg)
TRT (Thunderstorms Radar Tracking)
Input • Radar composite (3 swiss radars); 5 min• Lightning: Cloud-to-Ground (CG) flashes; 5 min• NWP: COSMO-2 (resolution 2.2 km); 180 min
Algorithms• Detection: Dynamic reflectivity threshold scheme• Tracking: Geographical overlapping of cells
t0+Δt
t0
t0+adv
v(t0)
+
+
(Complex cases:splits / merges considered)