“OCTOBER PATTERN INDEX (OPI) - NEW MODEL”
1) Previsioni stagionali dell’inverno boreale – l’importanza di conoscere in anticipo l’Oscillazione Artica (AO)
Nel panorama delle previsioni climatiche stagionali, i modelli globali (GCM) si fondano prevalentemente sulla variabilità del ciclo ENSO (El Niño–Southern Oscillation), considerato il principale driver tropicale.
Tuttavia, per le regioni extratropicali, ed in particolare per l’Europa centro-occidentale, l’ENSO mostra limitazioni in termini di capacità predittiva.
Studi consolidati hanno evidenziato come il segnale ENSO non sia sufficiente a spiegare la variabilità invernale in queste aree.
Al contrario, l’Oscillazione Artica (AO) si è dimostrata essere il pattern dominante per la stagione invernale boreale.
L’AO descrive la differenza di pressione tra le alte e medie latitudini dell’emisfero nord, influenzando direttamente la forza del Vortice Polare e la posizione del getto zonale.
Le sue due fasi — positiva e negativa — determinano rispettivamente un confinamento o una dispersione delle masse d’aria artica verso sud.
Una delle evidenze più forti emerse dalla letteratura e dalle analisi numeriche è la correlazione del 86% (r = 0,86) tra l’indice AO medio invernale e le anomalie geopotenziali a 500 hPa sull’Europa centro-occidentale.
Questo significa che, laddove si riesca a prevedere l’AO, si è in grado di anticipare con elevata precisione l’andamento climatico invernale su un’area che comprende paesi come Inghilterra, Germania, Francia, Paesi bassi ed Italia settentrionale.
L’importanza dell’AO non si limita all’Europa. Anche gli Stati Uniti orientali mostrano una forte sensibilità al segnale AO.
In fase positiva, l’AO è associata a condizioni più zonali (più miti e asciutte); in fase negativa, favorisce l’ingresso di masse d’aria artica e condizioni più fredde e instabili.
Questo rende l’AO un predictor fondamentale anche per il Nord America.
2) Il modello di calcolo OPI: la nuova frontiera delle previsioni stagionali invernali
Frutto di oltre un decennio di ricerca e sviluppo, l’OPI (October Pattern Index) si è evoluto da indice numerico a modello matematico avanzato, capace di analizzare ed interpretare le dinamiche emisferiche invernali con una precisione non comune nel panorama dei modelli stagionali invernali, il tutto grazie ad un Software su cui sono stati implementati rigidi algoritmi di calcolo per elaborare i dati atmosferici ERA-5-ECMWF.
I suoi principali obiettivi?
• Prevedere con diversi mesi di anticipo l’andamento dell’Oscillazione artica invernale (Winter AO), parametro chiave per comprendere la struttura e la forza del vortice polare, e con essa, il carattere dell’inverno boreale.
• Prevedere con lo stesso incredibile anticipo, l’andamento temporale e qualitativo dell’attività d’onda planetaria Invernale, che costituisce il driver principale delle manifestazioni artiche del vortice polare invernale alle medie latitudini.
Dunque, ciò che rende davvero speciale l’OPI è la sua capacità di anticipare le principali peculiarità dell’inverno con 2–4 mesi di anticipo, offrendo informazioni non solo quantitative, ma anche qualitative sul tipo di circolazione atmosferica dominante.
Questo significa poter valutare non solo se farà freddo, ma poter valutare su macroscala dove e come si manifesteranno le principali irruzioni Artiche.
L’accuratezza dell’OPI è mirata tra l’altro a dare un contributo ai settori strategici, quali in particolare:
• Energia: consente di ottimizzare la gestione dei consumi energetici invernali sui principali continenti occidentali.
• Agricoltura: aiuta a proteggere i raccolti invernali, offrendo indicazioni su possibili ondate di gelo.
• Turismo invernale: fornisce indicazioni importanti per i gestori degli impianti sciisctici Alpini e Appenninici.
L’OPI non è solo un indice, è una visione del futuro delle previsioni stagionali. Un ponte tra la ricerca scientifica e l’applicazione concreta, nonché un prezioso alleato per chi vuole guardare all’inverno con occhi nuovi, preparati e consapevoli.
Il campo di ricerca che ha portato all’implementazione degli algoritmi che sono alla base del modello OPI risulta inoltre foriero di potenziali upgrade.
Come vedremo più avanti(capitolo 5) , il modello OPI in via potenziale ha davanti a se un percorso di ulteriore sviluppo.
In figura: la linea rossa rappresenta l’andamento storico del DJF AO previsto ad ottobre dal modello OPI; la linea nera rappresenta il valore del DJF AO registrato nei successivi trimestri invernali. La correlazione attuale, computata su un campione di 49 anni (dal 1976 al 2024) è pari all’ 89.4%.
3) Un esempio del risultato del modello OPI
Il presente paragrafo ha lo scopo di illustrare, attraverso un esempio, le modalità di previsione stagionale invernale che già allo stato attuale è in grado di fornire il modello OPI.
A tal fine, viene analizzata la Stagione Invernale 2020–2021, con particolare attenzione al comparto Atlantico-
Europeo.
Immaginiamo di trovarci alla fine del mese di ottobre 2020. Come prima cosa osserviamo le risultanze previsionali emesse, a livello stagionale, dai principali modelli climatici globali (Global Models,GM).
Questi tendenzialmente indicano un inverno molto mite sull’Europa, caratterizzato da anomalie positive di geopotenziale rispetto alla media climatica.
A tal proposito si riporta il forecast prodotto dal modello CFSv2 (Climate Forecast System Version 2), sviluppato dal NOAA, i cui archivi sono pubblicamente accessibili.
La previsione stagionale, emessa nella prima decade di novembre 2020, mostra le anomalie attese per il trimestre invernale (DJF) e per ciascun mese: Dicembre, Gennaio e Febbraio, con particolare focus sul settore Atlantico.
La prima carta indica la media trimestrale e a seguire i mesi di Dicembre, Gennaio e Febbraio.
Secondo il modello CFSv2, l’inverno europeo 2020–2021 sarà dominato da un’intensa componente zonale, con scarsa/inesistente attività d’onda planetaria sul settore Atlantico.
In particolare, i mesi di dicembre e gennaio risulteranno associati ad una forte zonalità mentre, febbraio, potrà essere leggermente più incline a scambi meridiani nel settore atlantico, suggerendo una parziale attenuazione
del flusso zonale e una potenziale riattivazione della dinamica ondulatoria.
Analizziamo ora la previsione stagionale desumibile dagli output del modello OPI.
Il ramo di calcolo destinato a fornire il forecast dell’Oscillazione Artica (AO), indica un inverno caratterizzato da un valore di AO molto basso, con una previsione per il trimestre DJF pari a –1.25.
Questo dato indica in maniera robusta una stagione invernale dominata da un Vortice Polare molto debole, incline a frequenti scambi meridiani tra latitudini polari e medie latitudini.
In particolare, sull’Europa, si prevedono campi di anomalia di geopotenziale significativamente bassi. Al riguardo si rammenta che esiste una correlazione molto forte tra l’indice AO invernale e i valori di geopotenziale sull’Europa occidentale, nota in letteratura e pari mediamente all’86%, dove le aree che mostrano la correlazione più elevata sono: Gran Bretagna, Francia, Paesi Bassi, Germania, Italia centro-settentrionale e Spagna settentrionale.
Ma vediamo nel dettaglio dove e quando si manifesteranno, su macroscala, queste dinamiche di oscillazione artica. A tal fine si riporta qui di seguito uno degli ulteriori output del modello OPI: il grafico previsionale relativo all’attività d’onda planetaria attesa nel corso del trimestre invernale:
Secondo il modello, dunque, il periodo di massima attività d’onda in cui si manifesterà primariamente l’oscillazione Artica meridiana è compreso tra il 1° dicembre 2020 e il 20 gennaio 2021.
Di seguito, sempre nella direzione del maggior dettaglio, si riportano rispettivamente i grafici dell’onda planetaria Atlantica (W2) e dell’onda planetaria Pacifica (W1):
Da cui si evince che il periodo di massima attività d’onda (circa 1° dicembre 2020 - 20 gennaio 2021) è principalmente a carico dell’onda Atlantica (W2).
In questo periodo si denotano inoltre n.2 picchi principali, come visto a carico principalmente della W2:
• Picco 1: relativo a Dicembre
• Picco 2: relativo a Gennaio
Segue ora l’analisi qualitativa delle caratteristiche atmosferiche associate alle due principali fasi di attività d’onda; in particolare, Picco 1 (pattern principale dicembre):
Da cui si evince una W2 molto intrusiva ma di moderata ampiezza, centrata sulla Scandinavia e con asse molto inclinato con direttrice sud-est/nord-ovest; gli scambi meridiani favoriti da questa fase d’onda, ancorché frequenti sull’Europa, dovrebbero quindi essere segnati da una componente segnatamente nord/occidentale (Artico di matrice molto marittima).
Di seguito la mappa emisferica relativa al Picco 2 (pattern principale Gennaio)
Da cui si denota in questo caso una W2 più propensa a scambi meridiani con asse più diretto sull’Europa (nord/sud) e dunque in questo caso di matrice pienamente Artica.
Dall’analisi di questi risultati, il modello OPI indica che l’inverno 2020-21 sarà caratterizzato da frequenti scambi meridiani, con espressione principale dell’Oscillazione Artica sul comparto Europeo; qui, in primis per i settori più occidentali, si prevede l’alta probabilità di un campo di Geopotenziale più negativo rispetto alla media climatica di riferimento.
Nel merito, per quanto sopra visto:
• Prima fase (Dicembre): scambi meridiani con direttrice più nord/occidentale.
• Seconda fase (Gennaio): scambi meridiani con maggiore settentrionalità.
• Ultima fase (Febbraio): calo significativo dell’attività d’onda planetaria atlantica (W2) e conseguente ripristino di condizioni più zonali.
Brevemente, per quanto concerne gli USA, si ribadisce che le principali fasi d’onda saranno a carico della W2 Atlantica, con scarsa partecipazione della W1 Pacifica.
Guardando al grafico della W1 Pacifica, si denota un picco elevato ma molto breve in durata nelle primissime battute dell’inverno (fine Novembre/avvio Dicembre) e un picco più strutturato che caratterizza la prima metà di Febbraio (sebbene in un regime d’onda complessivo, come visto, non più elevato).
Vediamo ora come è stato l’inverno 2020-21…
Di seguito le reanalisi fonte NOAA del trimestre invernale 2020-21, con particolare focus sull’Europa occidentale:
Prima fila di immagini – Reanalisi Dicembre 2020
Seconda fila di immagini – Ranalisi Gennaio 2021
Terza fila di immagini – Ranalisi Febbraio 2021
Infine uno sguardo alla prima metà di Febbraio sugli USA..
4) Riflessioni sulla capacità predittiva del Modello OPI
Per quanto sin qui analizzato, sulla base del campione preso a riferimento per la verifica degli algoritmi di calcolo (1976-2024), il modello OPI dovrebbe avere un livello di affidabilità di poco inferiore al 90%.
Stante al predetto campione di analisi, composto da un numero cospicuo di anni (n.49), si riscontrano n.6 episodi per i quali il modello è affetto da una minore capacità predittiva, quali: 1995-96, 2006-07, 2011-12, 2012-13, 2018-19, 2022-23.
Per alcuni di essi, tra cui rileva in particolare la stagione 1995-96, il livello di predittività è da ritenersi scarso/ insufficiente.
Per altri invece si riscontrano situazioni “ibride”, come per le stagioni 2011-12 e 2012-13, per i quali le performance sarebbero state affette da errori sul segno dell’AO; tuttavia, sarebbero state colte le manifestazioni principali di attività d’onda planetaria (es: febbraio 2012 e febbraio 2013).
Infine, si pone l’accento su un ulteriore aspetto.
Non è raro che si presentino inverni per i quali l’AO pattern non risulta molto rappresentativo delle condizioni meteorologiche nell’inverno boreale (ad esempio quando questo si attesta su valori prossimi alla neutralità).
In questi frangenti la previsione stagionale fornita dal modello OPI risulta meno incisiva in termini di informazioni, ma, grazie alla capacità del modello di cogliere le caratteristiche spaziali e temporali dell’attività d’onda planetaria, riesce comunque a dare indicazioni potenzialmente molto importanti sui risvolti meteorologici a grande scala.
Per fare un esempio si cita la stagione invernale 2017-18, che rientra in questa fattispecie di anni, e per il quale si mostra qui di seguito il grafico che sarebbe stato prodotto dal modello OPI al termine del mese di Ottobre 2017:
Il grafico individua, tra le altre cose, due eventi planetari invernali di grande rilievo. In particolare, il secondo, inquadrabile nella fase finale dell’inverno, è relativo ad un assetto planetario straordinario, con n.3 Wave planetarie in azione simultanea:
Il tutto fortemente prodromico per le fasi della successiva stagione invernale 2017-18, con riferimento particolare al grande evento meteorologico su larga scala di fine Febbraio 2018.
Se già nel mese di Ottobre 2017 avevamo acquisito dati incredibilmente esaustivi su di una morfologia del Vortice Polare efficacemente settata nell'innesco di un' importante discesa di aria fredda nell'ultima parte Invernale sul settore Europeo, è doveroso ricordare come i Modelli Globali fossero totalmente scollegati da questa informazione, con CFSV2 che prevedeva, pur a ridosso dell'evento(update 10 Gennaio), un mese di Febbraio contraddistinto da una forte anomalia positiva di Temperatura sull'Europa(fino ad oltre +4°C sulla Russia).
fig: Anomalia di Temperatura prevista sull'Europa dal Modello Americano CFSV2 per Febbraio 2018(update 10 Gennaio 2018)
fig: Anomalie di Temperatura sull'Europa registrate a Febbraio 2018
Questi errori evidenziano il limite attuale delle Proiezioni Modellistiche Internazionali, molto ancorate sull'analisi delle interconnessioni Oceaniche a livello Tropicale(come il ciclo ENSO), esprimendo la necessità ed il bisogno di nuove o diverse tecniche di calcolo.
5) Prossimi sviluppi del Modello OPI
Come detto in precedenza, il modello OPI è attualmente solo un’espressione delle potenzialità a cui si potrà tendere in futuro.
Già per l’anno 2026 sono in programma diversi piani di sviluppo, tra cui in particolare quelli mirati a:
- calibrare il periodo di analisi: attualmente il modello assume quale periodo di analisi nelle varie corse modellistiche, quello dato dal 1-31 ottobre, cui corrispondono mediamente i massimi livelli di correlazione. L’obiettivo della prossima ricerca sarà mirato a selezionare, sulla base di uno specifico nuovo algoritmo di calcolo, un periodo di analisi ad hoc per ciascun anno (che riteniamo si discosterà poco rispetto a quello citato, ma laddove si dovesse riscontrare la bontà dell’intuizione, si potrebbe superare il livello della correlazione attualmente fissato a circa il 90%), con conseguente miglioramento delle performances.
- variabilità dell’AO invernale: questo fronte di ricerca sarà mirato ad individuare informazioni di maggior dettaglio circa la variabilità temporale dell’AO invernale, fattore rilevante nell’ottica di migliorare le capacità predittive del modello.
6) Nota sul calcolo dell’AO
Per una migliore comprensione del nostro studio dobbiamo sottolineare quanto segue. Il modello OPI, tra le altre cose, ri-computa i valori dell’Oscillazione Artica attraverso il metodo della funzione ortogonale empirica (EOF) delle anomalie della pressione al livello del mare (1000 hpa), in maniera del tutto analoga al NOAA, ma utilizzando i dati di reanalisi ERA-5-ECMWF con risoluzione 0.25°x0.25° (anziché 2.5°x2.5°).
Durante questa fase di implementazione, datata aprile 2025, ci siamo resi conto circa la possibilità di computare l’indice AO sulla base di una climatologia differente rispetto a quella canonica utilizzata dal NOAA (1979-2000), ovvero andando ad escludere gli anni contraddistinti da un forte condizionamento in termini generali di NAM.
In questo modo, a nostro avviso, si ottiene un indice AO più efficace nell’ottica di descrivere l’oscillazione emisferica che esso vuole rappresentare.
Per la precisione, si riportano qui di seguito i livelli di correlazione tra OPI ed i diversi valori di AO da noi calcolati:
- Correlazione tra OPI ed AO, calcolato quest’ultimo su climatologia 79-2000 e su base dati di reanalisi GFS = 86.3% ( su base dati di reanalisi NOAA);
- Correlazione tra OPI ed AO, calcolato quest’ultimo su climatologia 79-2000 e su base dati di reanalisi ERA-5 ECMWF = 86.6%
- Correlazione tra OPI ed AO, calcolato quest’ultimo su nuova climatologia e su base dati di reanalisi ECMWF = 89.4%
7) Un primissimo sguardo all’Inverno 2025-26
In questi ultimi giorni abbiamo iniziato a far girare il modello sulla base dei dati di reanalisi forniti da GFS per il periodo 1-10 ottobre 2025.
Con questi pochi dati a disposizione non possiamo trarre alcunché di significativo in termini predittivi per la futura stagione invernale (anche perché il ramo del modello deputato al calcolo dell’AO fornirà risultanze certe solo al termine del mese di ottobre).
Ad ogni buon conto, tali primissimi output del modello, indicano un’attività d’onda planetaria importante in relazione alla primissima fase dell’inverno (circa fine novembre –15 dicembre 2025), il tutto principalmente a carico della W2 atlantica.
Dovremo dunque aspettare che il modello elabori l’intero mese di ottobre per avere conferme circa il livello di probabilità, già oggi declinabile come “medio/alto”, di un evento molto freddo sull’Europa in avvio del prossimo inverno.
Riccardo Valente, Alessandro Pizzuti, Fabio Gervasi, Filippo Casciani, Matteo Innocenti, Lorenzo Allegri