Nowcasting meteorologico

Pioverà fra un’ora? Così l’AI migliora le previsioni meteo a brevissimo termine

Di recente DeepMind (la società di ricerca di Google) ha rilasciato un nuovo modello generativo, il DGMR, che permette di prevedere con accuratezza le precipitazioni nelle due ore successive. Ecco come funziona e quali sono le prospettive del nowcasting in un mondo sempre più assetato

Pubblicato il 06 Dic 2021

Ernesto Damiani

Senior Director of Robotics and Intelligent Systems Institute at Khalifa University

red-umbrella-raining-night

L’area applicativa della meteorologia nota come “nowcasting” si riferisce ai modelli usati per le previsioni del tempo a breve e brevissimo termine, con un orizzonte temporale che va da pochi minuti ad alcune ore. Si tratta di un ambito d’interesse per molti settori industriali e dei servizi, come l’organizzazione di grandi eventi, la pianificazione del traffico aereo, la gestione dei disastri naturali, ma soprattutto per l’agricoltura e la conservazione del patrimonio idrico.

Se, però, fino a poco tempo fa, la possibilità di definire modelli generativi efficaci per i fenomeni atmosferici era considerata con educato scetticismo da molti meteorologi, di recente DeepMind (la società di ricerca di Google) ha rilasciato un nuovo modello generativo, il DGMR (Deep Generative Model of Rainfall), che ha prodotto esempi di notevole qualità, permettendo di addestrare un modello in grado di prevedere con accuratezza le precipitazioni nelle due ore successive. L’approccio ha raccolto l’approvazione dei meteorologi del servizio di previsioni del Regno Unito.

Gli scenari che si aprono sono interessanti, per molti motivi.

Intelligenza artificiale, un aiuto contro i cambiamenti climatici: progetti e prospettive

Previsioni del tempo: le difficoltà dei modelli simulativi

Fino a pochi anni fa, problemi di questo tipo erano appannaggio di modelli simulativi, in cui lo stato di una regione volumetrica dell’atmosfera (pressione, temperatura, gas disciolti, contenuto in vapore acqueo) veniva rilevato in forma numerica e poi dato in pasto a equazioni differenziali per determinarne l’evoluzione futura. Il principale problema delle simulazioni, oltre al carico computazionale necessario per risolvere le equazioni a varie scale temporali e spaziali, è la definizione di uno score che permetta di associare allo stato di una regione atmosferica una grandezza d’interesse (ad esempio, la presenza di precipitazioni o la loro probabilità). L’alternativa alla simulazione, ovvero l’utilizzo di modelli di apprendimento computazionale (machine learning), da addestrare sottoponendo loro delle coppie di stati presenti/condizioni previste, incontrava però molte difficoltà.

Anzitutto, non è facile misurare l’evoluzione temporale di matrici tridimensionali di parametri atmosferici con la risoluzione adeguata. La misurazione diretta attraverso sensori è costosa e può venire messa in opera solo in casi particolari, come lo studio dei tornado. La misurazione indiretta, attraverso onde elettromagnetiche (i cosiddetti «meteo-radar », echi di segnali emessi da terra o dai satelliti), tende comunque a sotto rappresentare le situazioni rare, che sono quelle di maggior interesse ai fini delle previsioni. Anche se queste difficoltà di acquisizione dati non impediscono di addestrare un modello di machine learning, ne limitano molto le capacità di generalizzazione, ovvero di prevedere il futuro partendo da uno stato mai visto prima.

Lo scetticismo sui modelli generativi

Di solito, il problema della scarsità di dati rappresentativi si affronta definendo un modello generativo (ad esempio un autoencoder o una Generative Adversarial Network) in grado di apprendere dagli esempi disponibili la distribuzione di probabilità delle coppie formate da stati presenti dell’atmosfera e condizioni metereologiche, e poi generare a volontà nuove coppie, che sono immaginarie ma statisticamente indistinguibili da quelle reali – e quindi ottime per addestrare un modello di previsione.

A volte, però, non si riesce a definire modelli generativi efficaci. Questa difficoltà dipende dalla natura del fenomeno da apprendere. I fenomeni «non stazionari», in cui i parametri della distribuzione di probabilità da apprendere variano nel tempo, sono difficili da modellare; quelli «non parametrici», dove la distribuzione di probabilità dei valori non può essere descritta con una formula chiusa sintetica, lo sono ancora di più. I questi casi, gli esempi prodotti dal modello generativo possono non riflettere la correttamente la variabilità del fenomeno, o addirittura collassare a pochi valori tutti uguali, inutilizzabili per addestrare il modello di previsione.

L’idea alla base del successo dell’applicazione dei modelli generativi alle previsioni meteo

L’idea che ha portato a questo successo è semplice: invece di definire un modello generativo per un fenomeno statisticamente “difficile” – ovvero con distribuzione non parametrica, come le coppie stato atmosferico-condizione metereologica, i ricercatori DeepMind hanno provato a generare coppie (o meglio, sequenze) di stati atmosferici rappresentati attraverso gli echi dei meteo-radar. Il loro modello generativo produce brevi «filmati radar» che associano stati atmosferici (rappresentati come echi radar) futuri a stati passati. La distribuzione di queste coppie è approssimabile da una distribuzione parametrica multi-gaussiana e quindi si presta a essere appresa da una rete GAN. Resta la difficoltà di associare allo stato previsto una condizione macroscopica come la pioggia, che può essere però affrontata avvalendosi delle tecniche di scoring da sempre usate per i simulatori.

L’utilizzo dei modelli generativi invece dei classici simulatori usati per la previsione numerica del tempo (Numerical Weather Prediction o NWP) ha un grande vantaggio: sposta il carico computazionale dal momento della previsione (come avviene con i simulatori) al momento dell’addestramento del modello generativo, che può essere fatto in un altro momento. Questo garantisce la sostenibilità, anche energetica, dell’adozione del nowcasting metereologico su larga scala.

Le prospettive del nowcasting in un mondo assetato

È difficile esagerare le prospettive che il nowcasting generalizzato può offrire in un mondo sempre più assetato come il nostro. L’acqua è una risorsa preziosa e, quando scarseggia, è essenziale monitorare e prevedere il verificarsi attuale e futuro di nubi che possono essere stimolate a rilasciare precipitazioni.

Nonostante decenni di tentativi, e nonostante i risultati incoraggianti degli esperimenti di laboratorio e dei modelli numerici, la prova che l’inseminazione delle nuvole possa generare precipitazioni aggiuntive è tutt’altro che conclusiva. I recenti sviluppi nella modellazione numerica hanno portato alla diffusione di tecniche per guidare l’azione di inserimento di materiale di semina in prossimità delle nuvole.

Il programma di ricerca degli Emirati Arabi Uniti per il miglioramento della pioggia (UAEREP) è un’iniziativa di ricerca internazionale progettata per far progredire la scienza e la tecnologia in questo ambito. Alla Khalifa University di Abu Dhabi, usiamo l’approccio generativo per migliorare significativamente non solo la previsione delle precipitazioni, ma anche la previsione dell’accumulo di nubi «seminabili».

La copertura dei satelliti offre oggi nuove opportunità per l’analisi congiunta degli echi meteo-radar terrestri e delle immagini satellitari. Saranno necessari ulteriori progressi nello sviluppo di modelli generativi multispettrali, ma la prospettiva di un mondo dove il tempo sia previsto e controllato in modo capillare sembra sempre più vicina.

Valuta la qualità di questo articolo

La tua opinione è importante per noi!

Speciale PNRR

Tutti
Incentivi
Salute digitale
Formazione
Analisi
Sostenibilità
PA
Sostemibilità
Sicurezza
Digital Economy
CODICE STARTUP
Imprenditoria femminile: come attingere ai fondi per le donne che fanno impresa
DECRETI
PNRR e Fascicolo Sanitario Elettronico: investimenti per oltre 600 milioni
IL DOCUMENTO
Competenze digitali, ecco il nuovo piano operativo nazionale
STRUMENTI
Da Istat e RGS gli indicatori per misurare la sostenibilità nel PNRR
STRATEGIE
PNRR – Piano nazionale di Ripresa e Resilienza: cos’è e novità
FONDI
Pnrr, ok della Ue alla seconda rata da 21 miliardi: focus su 5G e banda ultralarga
GREEN ENERGY
Energia pulita: Banca Sella finanzia i progetti green incentivati dal PNRR
TECNOLOGIA SOLIDALE
Due buone notizie digitali: 500 milioni per gli ITS e l’inizio dell’intranet veloce in scuole e ospedali
INNOVAZIONE
Competenze digitali e InPA cruciali per raggiungere gli obiettivi del Pnrr
STRATEGIE
PA digitale 2026, come gestire i fondi PNRR in 5 fasi: ecco la proposta
ANALISI
Value-based healthcare: le esperienze in Italia e il ruolo del PNRR
Strategie
Accordi per l’innovazione, per le imprese altri 250 milioni
Strategie
PNRR, opportunità e sfide per le smart city
Strategie
Brevetti, il Mise mette sul piatto 8,5 milioni
Strategie
PNRR e opere pubbliche, la grande sfida per i Comuni e perché bisogna pensare digitale
Formazione
Trasferimento tecnologico, il Mise mette sul piatto 7,5 milioni
Strategie
PSN e Strategia Cloud Italia: a che punto siamo e come supportare la PA in questo percorso
Dispersione idrica
Siccità: AI e analisi dei dati possono ridurre gli sprechi d’acqua. Ecco gli interventi necessari
PNRR
Cloud, firmato il contratto per l’avvio di lavori del Polo strategico
Formazione
Competenze digitali, stanziati 48 milioni per gli Istituti tecnologici superiori
Iniziative
Digitalizzazione delle reti idriche: oltre 600 milioni per 21 progetti
Competenze e competitività
PNRR, così i fondi UE possono rilanciare la ricerca e l’Università
Finanziamenti
PNRR, si sbloccano i fondi per l’agrisolare
Sanità post-pandemica
PNRR, Missione Salute: a che punto siamo e cosa resta da fare
Strategie
Sovranità e autonomia tecnologica nazionale: come avviare un processo virtuoso e sostenibile
La relazione
Pnrr e PA digitale, l’alert della Corte dei conti su execution e capacità di spesa
L'editoriale
Elezioni 2022, la sfida digitale ai margini del dibattito politico
Strategie
Digitale, il monito di I-Com: “Senza riforme Pnrr inefficace”
Transizione digitale
Pnrr: arrivano 321 milioni per cloud dei Comuni, spazio e mobilità innovativa
L'analisi I-COM
Il PNRR alla prova delle elezioni: come usare bene le risorse e centrare gli obiettivi digitali
Cineca
Quantum computing, una svolta per la ricerca: lo scenario europeo e i progetti in corso
L'indice europeo
Desi, l’Italia scala due posizioni grazie a fibra e 5G. Ma è (ancora) allarme competenze
L'approfondimento
PNRR 2, ecco tutte le misure per cittadini e imprese: portale sommerso, codice crisi d’impresa e sismabonus, cosa cambia
Servizi digitali
PNRR e trasformazione digitale: ecco gli investimenti e le riforme previste per la digitalizzazione della PA
Legal health
Lo spazio europeo dei dati sanitari: come circoleranno le informazioni sulla salute nell’Unione Europea
Servizi digitali
PNRR e PA digitale: non dimentichiamo la dematerializzazione
Digital Healthcare transformation
La trasformazione digitale degli ospedali
Governance digitale
PA digitale, è la volta buona? Così misure e risorse del PNRR possono fare la differenza
Servizi digitali
Comuni e digitale, come usare il PNRR senza sbagliare
La survey
Pnrr e digitale accoppiata vincente per il 70% delle pmi italiane
Missione salute
Fascicolo Sanitario Elettronico alla prova del PNRR: limiti, rischi e opportunità
Servizi pubblici
PNRR: come diventeranno i siti dei comuni italiani grazie alle nuove risorse
Skill gap
PNRR, la banda ultra larga crea 20.000 nuovi posti di lavoro
Il Piano
Spazio, Colao fa il punto sul Pnrr: i progetti verso la milestone 2023
FORUMPA2022
PNRR e trasformazione digitale: rivedi i Talk di FORUM PA 2022 in collaborazione con le aziende partner
I contratti
Avio, 340 milioni dal Pnrr per i nuovi propulsori a metano
Next Generation EU
PNRR, a che punto siamo e cosa possono aspettarsi le aziende private
Fondi
Operativo il nuovo portale del MISE con tutti i finanziamenti per le imprese
Servizi comunali
Il PNRR occasione unica per i Comuni digitali: strumenti e risorse per enti e cittadini
Healthcare data platform
PNRR dalla teoria alla pratica: tecnologie e soluzioni per l’innovazione in Sanità
Skill
Competenze digitali, partono le Reti di facilitazione
Gli obiettivi
Scuola 4.0, PNRR ultima chance: ecco come cambierà il sistema formativo
Sistema Paese
PNRR 2, è il turno della space economy
FORUM PA 2022
FORUM PA 2022: la maturità digitale dei comuni italiani rispetto al PNRR
Analisi
PNRR: dalla Ricerca all’impresa, una sfida da cogliere insieme
Innovazione
Pnrr, il Dipartimento per la Trasformazione digitale si riorganizza
FORUM PA 2022
PA verde e sostenibile: il ruolo di PNRR, PNIEC, energy management e green public procurement
Analisi
PNRR, Comuni e digitalizzazione: tutto su fondi e opportunità, in meno di 3 minuti. Guarda il video!
Rapporti
Competenze digitali e servizi automatizzati pilastri del piano Inps
Analisi
Attuazione del PNRR: il dialogo necessario tra istituzioni e società civile. Rivedi lo Scenario di FORUM PA 2022
Progetti
Pnrr, fondi per il Politecnico di Torino. Fra i progetti anche IS4Aerospace
Analisi
PNRR, Colao fa il punto sulla transizione digitale dell’Italia: «In linea con tutte le scadenze»
La Svolta
Ict, Istat “riclassifica” i professionisti. Via anche al catalogo dati sul Pnrr
Analisi
Spazio, Colao fa il punto sul Pnrr: i progetti verso la milestone 2023
FORUM PA 2022
Ecosistema territoriale sostenibile: l’Emilia Romagna tra FESR e PNRR
Il Piano
Innovazione, il Mise “centra” gli obiettivi Pnrr: attivati 17,5 miliardi
Analisi
PNRR: raggiunti gli obiettivi per il primo semestre 2022. Il punto e qualche riflessione
Analisi
PNRR: dal dialogo tra PA e società civile passa il corretto monitoraggio dei risultati, tra collaborazione e identità dei luoghi
Webinar
Comuni e PNRR: un focus sui bandi attivi o in pubblicazione
Analisi
Formazione 4.0: cos’è e come funziona il credito d’imposta
PA e Sicurezza
PA e sicurezza informatica: il ruolo dei territori di fronte alle sfide della digitalizzazione
PA e sicurezza
PNRR e servizi pubblici digitali: sfide e opportunità per Comuni e Città metropolitane
Water management
Water management in Italia: verso una transizione “smart” e “circular” 
LE RISORSE
Transizione digitale, Simest apre i fondi Pnrr alle medie imprese
Prospettive
Turismo, cultura e digital: come spendere bene le risorse del PNRR
Analisi
Smart City: quale contributo alla transizione ecologica
Decarbonizzazione
Idrogeno verde, 450 milioni € di investimenti PNRR, Cingolani firma
Unioncamere
PNRR, imprese in ritardo: ecco come le Camere di commercio possono aiutare
I fondi
Industria 4.0: solo un’impresa su tre pronta a salire sul treno Pnrr
CODICE STARTUP
Imprenditoria femminile: come attingere ai fondi per le donne che fanno impresa
DECRETI
PNRR e Fascicolo Sanitario Elettronico: investimenti per oltre 600 milioni
IL DOCUMENTO
Competenze digitali, ecco il nuovo piano operativo nazionale
STRUMENTI
Da Istat e RGS gli indicatori per misurare la sostenibilità nel PNRR
STRATEGIE
PNRR – Piano nazionale di Ripresa e Resilienza: cos’è e novità
FONDI
Pnrr, ok della Ue alla seconda rata da 21 miliardi: focus su 5G e banda ultralarga
GREEN ENERGY
Energia pulita: Banca Sella finanzia i progetti green incentivati dal PNRR
TECNOLOGIA SOLIDALE
Due buone notizie digitali: 500 milioni per gli ITS e l’inizio dell’intranet veloce in scuole e ospedali
INNOVAZIONE
Competenze digitali e InPA cruciali per raggiungere gli obiettivi del Pnrr
STRATEGIE
PA digitale 2026, come gestire i fondi PNRR in 5 fasi: ecco la proposta
ANALISI
Value-based healthcare: le esperienze in Italia e il ruolo del PNRR
Strategie
Accordi per l’innovazione, per le imprese altri 250 milioni
Strategie
PNRR, opportunità e sfide per le smart city
Strategie
Brevetti, il Mise mette sul piatto 8,5 milioni
Strategie
PNRR e opere pubbliche, la grande sfida per i Comuni e perché bisogna pensare digitale
Formazione
Trasferimento tecnologico, il Mise mette sul piatto 7,5 milioni
Strategie
PSN e Strategia Cloud Italia: a che punto siamo e come supportare la PA in questo percorso
Dispersione idrica
Siccità: AI e analisi dei dati possono ridurre gli sprechi d’acqua. Ecco gli interventi necessari
PNRR
Cloud, firmato il contratto per l’avvio di lavori del Polo strategico
Formazione
Competenze digitali, stanziati 48 milioni per gli Istituti tecnologici superiori
Iniziative
Digitalizzazione delle reti idriche: oltre 600 milioni per 21 progetti
Competenze e competitività
PNRR, così i fondi UE possono rilanciare la ricerca e l’Università
Finanziamenti
PNRR, si sbloccano i fondi per l’agrisolare
Sanità post-pandemica
PNRR, Missione Salute: a che punto siamo e cosa resta da fare
Strategie
Sovranità e autonomia tecnologica nazionale: come avviare un processo virtuoso e sostenibile
La relazione
Pnrr e PA digitale, l’alert della Corte dei conti su execution e capacità di spesa
L'editoriale
Elezioni 2022, la sfida digitale ai margini del dibattito politico
Strategie
Digitale, il monito di I-Com: “Senza riforme Pnrr inefficace”
Transizione digitale
Pnrr: arrivano 321 milioni per cloud dei Comuni, spazio e mobilità innovativa
L'analisi I-COM
Il PNRR alla prova delle elezioni: come usare bene le risorse e centrare gli obiettivi digitali
Cineca
Quantum computing, una svolta per la ricerca: lo scenario europeo e i progetti in corso
L'indice europeo
Desi, l’Italia scala due posizioni grazie a fibra e 5G. Ma è (ancora) allarme competenze
L'approfondimento
PNRR 2, ecco tutte le misure per cittadini e imprese: portale sommerso, codice crisi d’impresa e sismabonus, cosa cambia
Servizi digitali
PNRR e trasformazione digitale: ecco gli investimenti e le riforme previste per la digitalizzazione della PA
Legal health
Lo spazio europeo dei dati sanitari: come circoleranno le informazioni sulla salute nell’Unione Europea
Servizi digitali
PNRR e PA digitale: non dimentichiamo la dematerializzazione
Digital Healthcare transformation
La trasformazione digitale degli ospedali
Governance digitale
PA digitale, è la volta buona? Così misure e risorse del PNRR possono fare la differenza
Servizi digitali
Comuni e digitale, come usare il PNRR senza sbagliare
La survey
Pnrr e digitale accoppiata vincente per il 70% delle pmi italiane
Missione salute
Fascicolo Sanitario Elettronico alla prova del PNRR: limiti, rischi e opportunità
Servizi pubblici
PNRR: come diventeranno i siti dei comuni italiani grazie alle nuove risorse
Skill gap
PNRR, la banda ultra larga crea 20.000 nuovi posti di lavoro
Il Piano
Spazio, Colao fa il punto sul Pnrr: i progetti verso la milestone 2023
FORUMPA2022
PNRR e trasformazione digitale: rivedi i Talk di FORUM PA 2022 in collaborazione con le aziende partner
I contratti
Avio, 340 milioni dal Pnrr per i nuovi propulsori a metano
Next Generation EU
PNRR, a che punto siamo e cosa possono aspettarsi le aziende private
Fondi
Operativo il nuovo portale del MISE con tutti i finanziamenti per le imprese
Servizi comunali
Il PNRR occasione unica per i Comuni digitali: strumenti e risorse per enti e cittadini
Healthcare data platform
PNRR dalla teoria alla pratica: tecnologie e soluzioni per l’innovazione in Sanità
Skill
Competenze digitali, partono le Reti di facilitazione
Gli obiettivi
Scuola 4.0, PNRR ultima chance: ecco come cambierà il sistema formativo
Sistema Paese
PNRR 2, è il turno della space economy
FORUM PA 2022
FORUM PA 2022: la maturità digitale dei comuni italiani rispetto al PNRR
Analisi
PNRR: dalla Ricerca all’impresa, una sfida da cogliere insieme
Innovazione
Pnrr, il Dipartimento per la Trasformazione digitale si riorganizza
FORUM PA 2022
PA verde e sostenibile: il ruolo di PNRR, PNIEC, energy management e green public procurement
Analisi
PNRR, Comuni e digitalizzazione: tutto su fondi e opportunità, in meno di 3 minuti. Guarda il video!
Rapporti
Competenze digitali e servizi automatizzati pilastri del piano Inps
Analisi
Attuazione del PNRR: il dialogo necessario tra istituzioni e società civile. Rivedi lo Scenario di FORUM PA 2022
Progetti
Pnrr, fondi per il Politecnico di Torino. Fra i progetti anche IS4Aerospace
Analisi
PNRR, Colao fa il punto sulla transizione digitale dell’Italia: «In linea con tutte le scadenze»
La Svolta
Ict, Istat “riclassifica” i professionisti. Via anche al catalogo dati sul Pnrr
Analisi
Spazio, Colao fa il punto sul Pnrr: i progetti verso la milestone 2023
FORUM PA 2022
Ecosistema territoriale sostenibile: l’Emilia Romagna tra FESR e PNRR
Il Piano
Innovazione, il Mise “centra” gli obiettivi Pnrr: attivati 17,5 miliardi
Analisi
PNRR: raggiunti gli obiettivi per il primo semestre 2022. Il punto e qualche riflessione
Analisi
PNRR: dal dialogo tra PA e società civile passa il corretto monitoraggio dei risultati, tra collaborazione e identità dei luoghi
Webinar
Comuni e PNRR: un focus sui bandi attivi o in pubblicazione
Analisi
Formazione 4.0: cos’è e come funziona il credito d’imposta
PA e Sicurezza
PA e sicurezza informatica: il ruolo dei territori di fronte alle sfide della digitalizzazione
PA e sicurezza
PNRR e servizi pubblici digitali: sfide e opportunità per Comuni e Città metropolitane
Water management
Water management in Italia: verso una transizione “smart” e “circular” 
LE RISORSE
Transizione digitale, Simest apre i fondi Pnrr alle medie imprese
Prospettive
Turismo, cultura e digital: come spendere bene le risorse del PNRR
Analisi
Smart City: quale contributo alla transizione ecologica
Decarbonizzazione
Idrogeno verde, 450 milioni € di investimenti PNRR, Cingolani firma
Unioncamere
PNRR, imprese in ritardo: ecco come le Camere di commercio possono aiutare
I fondi
Industria 4.0: solo un’impresa su tre pronta a salire sul treno Pnrr

Articoli correlati