5) Meteorologia dinamica – Vento geo/termico: ulteriori applicazioni

Meteorologia dinamica – Vento geo/termico: ulteriori applicazioni

di Claudio Giulianelli

Villa San Giovanni, 30 Aprile 2020 – Nel precedente articolo abbiamo già visto una applicazione sulla carta del vento termico. In realtà questo uso del vento termico non è conosciuto nel mondo dei meteoappassionati, perchè per capire se in un dato punto è in corso un’avvezione fredda o calda basta guardare l’evoluzione temporale fornita dal classico “run” modellistico. Ma vento termico e geostrofico possono essere combinati per spiegare un fenomeno molto interessante sulla carta, ma che per poterlo fare ha bisogno dell’introduzione dei concetti di vento geostrofico e vento termico. Data la complessità della trattazione fatta fin qui, vento geostrofico e vento termico sono due terminologie che non vengono praticamente mai usate, ma di conseguenza il seguente fenomeno rimane sconosciuto alla gran parte dei meteoappassionati autodidatti che non hanno affrontato la fisica, o lo hanno persino ignorato. Vediamo di cosa si tratta:
Quello che si trova su qualsiasi manuale di meteorologia è una descrizione di cosa sia un fronte. Un fronte caldo è una massa d’aria calda che va a scorrere sopra quella vecchia più fredda preesistente, sollevandosi. Il fronte freddo è invece una massa d’aria fredda e pesante che va a scalzare quella calda sollevandola bruscamente producendo cumulonembi, piogge e temporali. In sezione verticale vengono dunque rappresentati in questo modo:

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A sinistra il fronte freddo e a destra il fronte caldo. C e F stanno per caldo e freddo.
Ma avete mai provato a fare una stima quantitativa di questo angolo (quello tra l’asse orizzontale ed il fronte)? Questa è un’informazione invece molto difficile per l’appunto da trovare su un manuale di meteorologia, ma è molto difficile trovare esperti del settore che si ricordino il conto che stiamo per fare o che lo abbiano mai visto!
Noi troveremo una relazione che ci fornisca l’angolo con cui il fronte è inclinato, ma andremo oltre: infatti invertendola opportunamente potremo dedurre il perchè si formano delle cuspidi nelle mappe della pressione al suolo. A volte sono davvero ben formate (inizialmente avevamo detto che avremmo trattato la dinamica a 500 hpa, per la trattazione del vento termico, essendo una variazione del vento geostrofico con la quota, ci servono più quote e ai giorni nostri in giro si trovano solo sovrapposizioni di mappe al suolo e a 500, e dunque dovremo accontentarci. Attenzione però, perchè come vedremo a fine articolo a volte l’orografia può trarci in inganno e farci fare una lettura sbagliata delle carte, altro motivo per cui la nostra trattazione vale principalmente sopra i 500 hpa).
Prendiamo in esame il caso del fronte freddo per non confonderci (lo stesso conto con le stesse ipotesi vale per il fronte caldo).
Osserviamo subito che T1 e T2 sono temperature molto diverse e le velocità delle due masse d’aria anche, sia in intensità che direzione. Ma sicuramente, sulla linea del fronte, dovrà valere che queste hanno gli stessi valori di pressione, essendo una superficie di contatto. Una generica variazione di pressione, analogamente a quanto fatto nell’articolo del vento geosotrofico, potrà essere riscritta in questo modo
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Stessi valori di pressione sulla linea implica dP1=dP2 e abbiamo la seguente relazione
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Ora facciamo solo qualche sostituzione per inserire le quantità che ci interessano: infatti l’angolo con cui il fronte è inclinato sarà un’informazione che è possibile trovare nel rapporto dz/dx che altro non è che la tangente di alfa. Dove incontreremo la derivata della pressione con la quota useremo come al solito l’equilibrio idrostatico, mentre la variazione di pressione lungo x ci ricorda l’equazione di vento geostrofico scritta in termini di pressione, equazioni che riportiamo qua ma che avevamo già ricavato:
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Sostituendo queste 3 informazioni otteniamo
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Come vediamo manca ancora l’informazione sulla temperatura delle due zone. Quello che deve valere anche è che la pressione sulla superficie di contatto deve essere la stessa per le due zone, dunque P1=P2, dove P1 e P2 si possono sostituire con l’equazione di stato tenendo conto sempre che P1 dipende dalla temperatura e densità della zona 1 e P2 dalla temperatura e densità della zona 2
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Da questa relazione possiamo ricavare la densità della zona 1 in funzione delle altre quantità e metterle al posto della densità della zona 1. La densità della zona 2 compare in tutti i termini dell’equazione e si semplifica, alla fine rimane
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Abbiamo trovato una relazione che ci determina alfa, ci basta conoscere il vento lungo y della parte calda e fredda e la differenza di temperatura. Ma questa relazione ci da’ informazioni ben più interessanti. Infatti scrivendo la relazione in questo modo
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osserviamo che T2-T1 è una quantità positiva. Il rapporto dz/dx (e quindi la tangente) è negativo perchè le x sono negative. Ponendo nullo il vento della parte fredda, i segni negativi ambo i membri si elidono: nella parte calda troviamo un vento lungo y positivo, ossia diretto sud-nord. Perchè questa osservazione? andiamolo a vedere su una carta sinottica

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Questa è la ventilazione al suolo nelle vicinanze di un fronte sul mediterraneo occidentale. Potete notare che c’è quella che comunemente viene chiamata una convergenza nel mondo dei meteoappassionati. Chiamarla convergenza è sbagliato. Col nostro conto infatti non abbiamo trovato nessuna convergenza, ma semplicemente che in generale sulla sinistra di un fronte, mettendosi a cavallo di questo e rivolti verso il minimo di pressione, il vento dell’avvezione da sinistra è nullo o decisamente minore di quello sulla destra del fronte. Non abbiamo specificato che l’avvezione da sinistra è fredda in quest’ultima frase, non perchè quello della carta non lo sia ma perchè si può rifare questo conto allo stesso modo per il fronte caldo e si ritrova la stessa cosa: arrivati a questa formula
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al posto della variazione della pressione in x mettete in y, usate l’equazione di vento geostrofico per l’altra coordinata sopra riportata e rifate gli stessi passaggi. Ponete nullo il vento a sinistra della linea, quindi della parte calda, e tenendo conto del fatto che T2-T1 è ancora positivo e che la tangente questa volta è positiva, il vento della parte fredda lungo x è negativo, ossia è diretto da est verso ovest, anche questo lo si può ben riscontrare sulla carta. Per il fronte caldo invece che l’asse y è stato scelto l’asse x, perchè solitamente i fronti caldi e freddi che ruotano attorno ad un minimo di bassa pressione, sono disposti a circa 90 gradi ed in particolare quelli freddi viaggiano da ovest verso est (e sono estesi per meridiani, quindi lungo la y) e quelli caldi da sud verso nord (e sono distesi per paralleli, quindi lungo la x).

Tornando alla carta sopra, il minimo di pressione al suolo si trova nell’area cerchiata nei pressi della costa iberica. Se vi mettete a cavallo di quella linea dove c’è contrasto di ventilazione, a sinistra avete l’avvezione fredda. Notate che l’avvezione fredda è un vento che diminuisce di intensità mano a mano che ci si avvicina a questa linea. Porre vento nullo in prossimità del fronte immediatamente sulla sinistra vuol dire questo. Il colore blu rappresenta un vento medio tra i 15 e i 20 km/h. A destra di questa linea abbiamo mediamente 75-80 km/h o anche, guardando più vicino alla costa spagnola, sulla sinistra abbiamo un vento di 5 km/h medi e a destra 50 km/h. Il vento non è perfettamente nullo, ma dire nullo in generale vuol dire che il vento a sinistra di quella linea è trascurabile rispetto a quello a destra. Non ha senso dunque chiamarla convergenza, intendendo uno scontro tra masse d’aria provenienti da direzioni diverse in grado di far impennare i cumulonembi. Se state in macchina e, per vostra sfortuna, vi capita di colpire un uccello, la macchina non viene frenata bruscamente come potrebbe succedere andando contro un elefante. Continuate a camminare indisturbati. Allo stesso modo 5 o 15 km orari di vento alla sinistra del fronte non possono sollevare una massa d’aria a 50-80 km/h alla destra. Ma allora da cosa sono prodotti i moti verticali lungo le linee frontali? In termini di pressione notiamo la seguente cosa:
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Nell’area cerchiata, sull’Algeria orientale si vedono le isobare della 1010,1005,1000 e anche tutte quelle tra la 1000 e la 995 seppur non visibili sulla carta, che virano bruscamente, facendo quella che viene chiamata una cuspide. Lungo quella linea ritrovate proprio il fronte . Se si confrontano le carte della pressione con quelle dei venti alla stessa quota, si nota questo brusco cambiamento di ventilazione laddove vi è questa cuspide. La cuspide nelle isobare dunque discende dal ragionamento fatto sull’angolo che fa il fronte in sezione verticale. Ogni qual volta sulla carta vedete una cuspide state osservando un fronte. Qua si è analizzato un fronte freddo ma le cuspidi esistono anche per i fronti caldi ed il ragionamento è del tutto analogo. A sinistra del fronte caldo (guardando verso il minimo) il vento è molto debole o nullo (quello dell’avvezione calda dunque), mentre sulla destra è moderato/forte in direzione perpendicolare e in questo caso va da est ad ovest per quanto detto prima. La risposta alla domanda precedentemente fatta è la seguente: i moti verticali lungo la cuspide si sviluppano perchè la cuspide rappresenta una brusca variazione del vento nello spazio, in particolare quando si è attraversati da un fronte freddo si parla di una rapida rotazione dai quadranti meridionali ad occidentali. Ma rotazione della massa d’aria non è altro che vorticità: lo spostamento della cuspide da ovest verso est rappresenta un’avvezione di vorticità, concetto che verrà definito nei prossimi articoli e che vedremo essere direttamente collegata alle velocità verticali. Un fluido che si mette in rotazione vede svilupparsi velocità verticali.
Quando un fronte freddo fa ingresso di solito lo fa in modo rafficoso. Succede spesso che dopo essere investiti da un fronte di nubi in arrivo da ovest o nord, a seguito dei venti meridionali prefrontali facciano ingresso forti raffiche di tramontana. Ma non appena il fronte si allontana il vento torna a placarsi o persino smette totalmente di soffiare, per poi riaumentare gradualmente col passare delle ore. Questo sta a significare che le forti raffiche di aria fredda iniziali sono dovute all’attività convettiva; durano pochi minuti e il vento si placa anche a precipitazione ancora in corso. Le cuspidi sul mediterraneo non sono facili da vedere a causa dell’orografia e spesso neanche si formano, infatti i fronti freddi sono spesso “spezzettati” dalle nostre parti a causa della complessa orografia. Una dinamica prettamente autunnale però che rispecchia questo fenomeno è la seguente: ci sono peggioramenti in cui la giornata vede una graduale intensificazione dello scirocco/ostro prefrontale. Siamo sotto avvezione calda ed è umido. I venti da sud si fanno sempre più forti, fino quasi a tempestosi quando si comincia ad avvicinare da ovest un fronte temporalesco compatto con fulminazioni continue. All’arrivo della shelf cloud immediatamente lo scirocco svanisce, inizia a diluviare, fa qualche raffica da ovest e dopo pochi minuti non c’è più vento. La mattina dopo vi ritrovate con un moderato e fresco vento di libeccio. Questo è esattamente quello che succede quando vi attraversa una cuspide. Quasi immediatamente dopo il passaggio del fronte il vento si placa, per poi riaumentare gradualmente. Non è un caso, ed è scritto nei passaggi matematici che abbiamo fatto, dunque queste osservazioni sono sempre vere. Nel caso del fronte caldo la virata di vento è meno scenografica, in quanto non interviene l’attività convettiva a dividere le due masse d’aria. Il vento di una precedente avvezione fredda si placa più gradualmente nel giro di 24-36 ore, e dopo una pausa di assenza di vento torna ad intensificarsi dai quadranti meridionali.
Facciamo un’ultima osservazione: abbiamo detto che ,facendo riferimento al fronte freddo, l’aria calda sta sopra la linea inclinata della figura ad inizio articolo. Abbiamo detto che il vento della parte fredda è nullo. Stiamo anche dicendo dunque che dentro il fronte abbiamo una variazione di vento con la quota ed in particolare al suolo è nullo ed in quota (i 500 hpa) è forte e diretto da sud verso nord. Dentro i fronti abbiamo dunque un vento termico e questo andamento deve tornare anche facendo considerazioni con le equazioni del vento termico trovate nel precedente articolo.
Vediamo ora altri esempi di quanto detto fin ora:
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Nella prima immagine in quella bassa pressione atlantica si nota molto bene quella punta che fanno le isobare, quella è una cuspide (matematicamente, una cuspide in una funzione è un punto in cui c’è un cambio di pendenza della stessa talmente rapido che si dice che la funzione in quel punto non è continua. Se uno guarda queste mappe quelle punte curvano in fretta ma non sono proprio a punta. Altra difficoltà nel riconoscere le cuspidi è questa, infatti per poter vedere la “punta” servirebbe un modello a maggior risoluzione. Queste carte sono di GFS globale che ha risoluzione 50 km, ma con un po’ di allenamento si riesce a capire quando si ha davanti una cuspide con fronte e quando no, anche con carte come questa).
Nella seconda immagine si vede un fronte caldo diretto verso le Svalbard, sospinto da un’avvezione calda, e un fronte freddo diretto verso le isole britanniche, sospinto da un’avvezione fredda. Il significato delle altre linee sarà spiegato nei futuri articoli.

Ecco un esempio molto didattico di quanto abbiamo appena discusso, infatti la cuspide associata al vortice depressionario che stiamo per vedere è molto pronunciata:
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Notate dalla carta del vento (in basso a sinistra) che immediatamente a destra del fronte soffiano venti da sud fino a 140/150 km/h, immediatamente a sinistra sui 50/60. Ma anche in questo caso, se il modello fosse ad area locale su quella zona dell’atlantico, riusciremmo a vedere venti sulla sinistra del fronte attorno ai 10-20 km/h e ben oltre i 100 sulla destra ed è diretto sud-nord come da nostra previsione in base al conto fatto prima. Notiamo anche che se in quella carta mi trovo sulle Isole Azzorre e mi muovo verso la linea frontale, verso nord-ovest, il vento caldo meridionale aumenta gradualmente, fino a raggiungere gli oltre 120-130 km/h. Poi al passaggio del fronte c’è un brusco calo di ventilazione, ma proseguendo verso il Canada, quindi inoltrandoci nella zona dell’avvezione fredda, il vento torna ad aumentare gradualmente. Questo è quello che vede per esempio un osservatore fisso nel quadratino blu come in figura sotto, col passare delle ore.
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Avendo capito questa cosa, l’andamento della ventilazione all’arrivo di un fronte atlantico come sopra descritto sarà scontato. Le precipitazioni sull’Italia nella stragrande maggioranza dei casi però arrivano per minimi secondari sui nostri mari indotti dall’orografia, e le cuspidi non riescono a formarsi molto spesso. Quando si formano però, il fronte in arrivo sarà certamente temporalesco e ben compatto, con fenomeni ben distribuiti lungo tutta la linea frontale e non a macchia di leopardo.
Concludiamo con una curiosità che testimonia l’importanza storica delle analisi fin qui fatte sul vento geostrofico e termico: molti anni fa quando ancora non esistevano i modelli numerici di previsione e la strumentazione era scarsa, per fare le previsioni si facevano le osservazioni fin qui fatte su vento geostrofico e termico. Infatti ciò che si riusciva a fare era ricostruire il campo di pressione in Europa con barometri sparsi un po’ ovunque e per capire dove si collocavano i fronti si andava a guardare la presenza di cuspidi con tutto ciò che ne consegue (le considerazioni sul vento fatte in questa sede) e sul tipo di avvezione usando la differenza di vettori tra suolo e quota usata nell’articolo precedente. Questo modo di previsionare è ormai superato, ma già quando ci si trova davanti una carta della pressione con i concetti fin ora visti si riescono a estrapolare una buona parte delle informazioni da dare in una previsione.
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In questa foto di Baroni (proveniente da centrometeo.com) vediamo alle spalle del noto meteorologo la mappa della pressione con disegnati i fronti. Nelle aree cerchiate si nota distintamente che il fronte è stato localizzato laddove si è trovata una cuspide (nord atlantico) o una più forte virata delle isobare (Russia).