Les modèles météorologiques - Cours météo

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La prévision du temps est aujourd'hui incontournable, mais pour prévoir la couleur du ciel de demain, les météorologues ont besoin des modèles de simulation de l'atmosphère.

Il est bien connu que pour tenter de prédire les aspects comportementaux d’un système, il est nécessaire de créer son modèle approximatif mathématique. Aussi bien valable en économie qu’en météorologie, ce modèle doit être défini à partir de lois d’évolution. En le faisant « tourner » on simule alors le comportement du système à différentes échéances à partir d’un état initial préalablement défini.

L’atmosphère étant un vaste espace et les lois qui la régissent étant complexes, les modèles numériques réalisent un nombre incommensurable d’opérations arithmétiques. Le traitement humain paraît donc impossible et il a fallu attendre le développement des ordinateurs dans les années 50 pour pouvoir espérer modéliser l’atmosphère. Aujourd’hui, il est quasiment impossible de se séparer de ces méthodes de calcul, car le modèle météorologique informatique est à la base de toute prévision du temps.

De nombreux paramètres sont pris en compte dans les modèles : variables d'état de l'atmosphère et au niveau du sol (températures, humidité, vent, etc) ; processus physiques au niveau de l'atmosphère et du sol ou encore l'interaction entre le sol et l'atmosphère (et inversement). Grâce à toutes ces données, les supercalculateurs sont en mesure de créer des cartes de modélisations numériques.

 

 

1 | Les bases de la modélisation

 

L’atmosphère est régi par des lois. Ces lois sont exprimées sous forme d’un système d’équations différentielles dont il est encore impossible d’en connaître mathématiquement les solutions. Pour autant, il est possible d’exprimer des solutions approchées en faisant appel à des méthodes numériques : les modèles de calcul. C’est pour cette raison que la météorologie est une science inexacte : on ne connaît que des prévisions approchées du temps. L’atmosphère est composée d’une infinité de points et le temps se découpe en une infinité de périodes.

Pour des soucis de calcul, il est nécessaire de réduire l’infinité de degré de liberté du système à résoudre en lui prodiguant une échelle spatio-temporelle caractéristique du modèle. On découpe ainsi l’atmosphère de façon à obtenir un nombre fini de morceaux et un nombre fini d’échéances : c’est la numérisation. Cette discrétisation créée un réseau constitué de points situés à l’intersection de méridiens et de parallèles et ce, à différentes altitudes. Ce réseau de points, également appelé grille définit alors la maille du modèle comme la distance horizontale séparant deux points deux à deux opposés.

De plus, le modèle est également caractérisé par le nombre de niveaux verticaux définissant ainsi la stratification atmosphérique et par le pas de temps qui sépare deux échéances de calcul. Toutefois, ces caractéristiques sont toutes reliées et dépendent les unes des autres pour assurer la stabilité du modèle numérique. On attribue de cette façon une valeur à chaque morceau d’atmosphère créé. Plus la grille est lâche, plus les champs calculés sont lissés.

Le modèle calcule alors l’évolution d’un certain nombre de paramètres physiques au sein d’une portion d’atmosphère au cours d’échéances successives. Cela dit, pour calculer les paramètres d’un instant t à un instant t+dt, il est nécessaire de connaître l’état du fluide atmosphérique à l’instant t pour ensuite le faire évoluer. On pose alors le problème de la condition initiale qui va permettre le démarrage de la modélisation. Ce problème est fondamental puisque c’est de la condition initiale que va déboucher sur un scénario. Si cette condition est faussée alors tout le calcul sera illusoire.

 

 

A. Processus d’assimilation des données

 

Cette première étape consiste à recueillir toutes les données d’observations (manuelles ou automatiques) issues des stations météorologiques terrestres et maritimes, des satellites, des radars de précipitations, des radiosondages…etc, soumis aux mêmes normes qui parviennent au centre de calcul.

Dans la mesure où les observations météorologiques sont continues varient sans cesse, il est nécessaire de faire tourner plusieurs fois par jour les modèles numériques afin d’avoir des scénarios toujours plus proches de la réalité. Il est ainsi possible de faire jouer « observations » et « ébauche » selon un cycle d’assimilation. A chaque heure d’observation synoptique principale (00 TU, 06 TU, 12 TU, 18 TU) on réalise l’analyse.

 

 

B. Résolution des équations et modélisation

 

Dans un second temps, place à la modélisation. Les modèles météorologiques modernes utilisent plusieurs équations d’évolution de l’atmosphère :

 

• Équation du mouvement
• Équation de conservation de la masse totale
• Équation d’état des gaz parfaits
• Équation de la thermodynamique

 

A partir de ces équations et de l’état initial décrit ci-dessus, le calculateur est chargé de résoudre un ensemble d’opérations afin de modéliser à des échéances successives les paramètres évoluant dans une portion d’atmosphère (ou maille). L’avancée dans le temps se fait de façon itérative. En l’occurrence le calculateur reprend toujours l’échéance précédente pour modéliser la prévision brute suivante. Ces échéances dépendent du pas de temps caractéristique du modèle et donc finalement de sa maille. Sur les modèles de petites mailles, les données brutes peuvent être calculées toutes les heures (grandes précisions) tandis qu’en cas de grosses mailles, la prévision brute est calculée par pas de 24 heures.

 

A l’issue de ces deux étapes, il y a création d’un run. Échéance après échéance, le modèle sort des données brutes qu’il est possible de retranscrire au moyen de l’outil informatique sur des cartes.

 

 

2 | La prévision ensembliste et déterministe

 

Il existe deux termes quand on parle de prévision : la prévision déterministe et la prévision d'ensemble. La prévision déterministe concerne les échéances allant de plusieurs heures à 3 ou 4 jours maximum. Quant à la prévision d'ensemble, elle concerne les échéances supérieures à 3 ou 4 jours et comporte plusieurs scénarios (le prévisionniste doit choisir le scénario qui lui semble le plus réaliste).

 

Le scénario météo parfait n'existe pas malgré tous les efforts réalisés en ce sens. Le processus d’assimilation de données n’est jamais exacte tant le nombre d’observations est important et donc le risque d’erreur tout aussi notable. De ces erreurs, il en résulte une incertitude qui s’amplifie tel un effet papillon au cours des échéances successives de prévision. Les spécialistes ont fini par se rendre compte qu’il était possible de jouer sur cette incertitude croissante en s’intéressant au problème de la connaissance de l’état initial du point de vue des observations. En perturbant légèrement la physique de départ, il est ainsi possible d’obtenir des scénarios théoriquement réalisables mais pourtant tous différents. L’opération réalisée plusieurs fois permet alors d’avoir un certain nombre de perturbations qui sont toutes des états possibles de l’atmosphère. Résultat, il est possible de réaliser des comparaisons entre les scénarios et d’estimer grâce à cela les degrés de fiabilité. Plus les perturbations sont éloignées les unes des autres à un instant t alors plus la fiabilité devient faible. Inversement, plus les perturbations sont ressemblantes alors plus la prévision gagne en fiabilité. Il est également possible de sortir des informations statistiques rigoureuses à partir de ces différents scénarios. On obtient alors le risque de dépassement de seuil d’un paramètre (température, vent, précipitation…etc) en pourcentage. A titre d’exemple, « il y a 40% de probabilité que les cumuls de pluie dépassent les 15 mm le jeudi 20 septembre ».

 

Vue de la Terre découpée en une multitude de petites zones. Notons ici la grille horizontale et la grille verticale

 

 

3 | Les principaux modèles météorologiques

 

▶ Le modèle GFS (américain)

Le modèle GFS (Global Forecast System) est produit par le National Centers for Environmental Prediction (NCEP). Cet organisme est un regroupement de plusieurs centres nationaux de prévisions météorologiques aux États-Unis. Il fait également partie du National Weather Service (NWS). Parmi les 9 centres nationaux, l’Environmental Modeling Center (EMC) développe particulièrement le modèle GFS.

Le Global Forecast System est initialisé quatre fois par jour : run 00z – run 06z – run 12z – run 18z. Les calculs de prévisions brutes vont jusqu’à 384h (16 jours). Sa résolution horizontale est de 27 km jusqu'à 192h et 70 km de 192 à 384 h. A noter que GFS est un modèle libre et gratuit.

 

▶ Le modèle ECMWF - CEPMMT (européen)

 

Le modèle CEPMMT (Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme) est un modèle utilisé pour la prévision allant jusqu'à 10 jours. Contrairement au modèle GFS, une grande partie des paramètres du modèle CEPMMT ne sont pas accessibles gratuitement.

Le modèle CEPMMT est initialisé deux fois par jour : run 00z – run 12z.

 

▶ Le modèle WRF (américain)

 

Le modèle WRF (Weather Research and Forecasting) est un modèle météo utilisé par le National Weather Service des États-Unis et pour la recherche en simulation de l’atmosphère. C'est un modèle dit de méso-échelle avec une résolution horizontale entre 2 et 15 km. A noter que WRF est un modèle libre et gratuit.

Le Weather Research and Forecasting est initialisé quatre fois par jour : run 00z – run 06z – run 12z – run 18z.

 

▶ Le modèle ARPEGE (monde)

 

Le modèle ARPEGE (Action de Recherche Petite Echelle Grande Echelle) est un modèle qui couvre l'ensemble de la planète avec une maille fluctuante selon les zones géographiques (7.5 km en moyenne pour l'Europe). L'échéance de la prévision est de 4 jours.

Le modèle ARPEGE est initialisé quatre fois par jour : run 00z – run 06z – run 12z – run 18z.

 

▶ Le modèle AROME (français)

 

Le modèle AROME (Application of Research to Operations at MEsoscale) est un modèle avec une maille très fine (maille de 1.3 km) pour la prévision en France. L'échéance de la prévision est limitée à 36 heures. Ce modèle développé par la météo nationale en France appartient à la dernière génération de modèles. Grâce à sa maille très fine, il permet de mieux appréhender les phénomènes convectifs tels que les orages, et ce grâce à l'intégration de nouvelles données d'observation ou encore la prise en compte de la topographie, des villes, des cours d'eau, de la végétation, etc.

Le modèle AROME est initialisé quatre fois par jour : run 00z – run 06z – run 12z – run 18z.

 

▶ Le modèle CFS (américain)

 

Le modèle CFS (Seasonal Climate Forecast) est un modèle saisonnier développé par le National Centers for Environmental Prediction (NCEP) et la NOAA. Il prend en compte les situations du passé et statistiques d’évolution, El Nino, La Nina, l'Oscilliation Nord Atlantique ou encore l'évolution des masses d’air des dernières semaines. Grâce à toutes ces données, les grandes tendances à six mois sont proposées.

 

 

Météo-Contact et les modèles

 

Comme évoqué précédemment, les modèles numériques sont pour la plupart disponibles gratuitement par l’intermédiaire de plateforme internet. Les données météorologiques sont stockées sur les serveurs de la NOAA (dans le cas de GFS et WRF), sous forme de fichier « grib » (fichier binaire qui comprend un ensemble de données météorologiques à un temps t). Ces données (relatives à une coordonnée géographique en relation avec la maille du modèle) sont soit des données prélevées (pour t=0), donc « réelles », soit des données calculées (pour t>3) grâce aux supercalculateurs.

Sur la page publique du serveur, on trouve différents dossiers qui correspondent aux différents « run » (dossier contenant les fichiers « grib »). Chaque run est mis à jour toutes les 6 heures : il est donc identifié par une date et une heure. Le premier fichier grib (le grib 00) contenu dans le run correspond aux données météorologiques prélevées au temps t (grâce à des réseaux de stations, de satellites, …). Le grib suivant correspond aux données météorologiques prévisionnelles au temps t+3 heures, le grib d’après aux données météorologiques prévisionnelles au temps t+6 heures et ainsi de suite, jusqu’au temps t+180.

 

Carte issue du modèle GFS Europe de Météo-Contact développé en interne, représentant les paramètres "pression au niveau de la mer et altitude des 500 hPa"		Carte issue du modèle WRF de Météo-Contact développé en interne, représentant le paramètre "température"

 

 

 

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Les principaux paramètres météo utilisés par Météo-Contact

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Précipitations sur 3h		Le paramètre « précipitation sur 3h » est comme son nom l'indique, la quantité de pluie attendue sur 3 heures. Météo-Contact utilise pour cela une échelle de 0 à 400 mm. Plus la couleur va vers le bleu, plus la quantité de pluie attendue est faible. Inversement, plus la couleur va vers le jaune, orangé, rouge et même violet, plus la quantité de pluie est intense. Attention toutefois à ne pas prendre au pied et à la lettre la localisation et l'intensité des précipitations. Il est important de comparer avec d'autres modèles, et notamment les modèles avec une maille plus fine.
Nébulosité		Le paramètre « nébulosité » représente la couverture nuageuse attendue. La couleur grise signifie que les nuages sont à basse altitude (ex : nuages bas) ; la couleur jaune signifie que les nuages sont à moyenne altitude ; la couleur rouge signifie que les nuages sont à haute altitude (ex : voile nuageux). Comme pour les précipitations, il est important de comparer avec d'autres modèles, et notamment les modèles avec une maille plus fine.
Pression et géopotentiel		Le paramètre « pression et géopotentiel à 500 hPa » indique la pression au niveau de la mer (lignes blanches). Pour rappel, la pression atmosphérique est la pression exercée par une colonne d'air (mélange gazeux) au-dessus d'une surface. Quant au géopotentiel à 500 hPa (vers 5 500 mètres), c'est à l'origine une fonction mathématique permettant de mesurer l'énergie d'une unité massique à une altitude z donnée. Le géopotentiel est utilisé en météorologie pour calculer la pression de masse d'air (ayant une masse unitaire ) en fonction de l'altitude, de la latitude en prenant en compte l'effet rotatif de la Terre. Exemple : 565gpdam signifie qu'il faut aller à 5 650m pour trouver le niveau de pression 500hPa
Température 2m		Le paramètre « température à 2m » est comme son nom l'indique, la prévision de la température, et ce sous abri. Comme pour les précipitations et la nébulosité, il est important de comparer avec d'autres modèles, et notamment les modèles avec une maille plus fine afin d'affiner les températures à l'échelle locale.
Température du point de rosée		Le paramètre « température du point de rosée » c'est la température à laquelle il faut refroidir un volume d'air, à pression et humidité constantes, afin qu'il devienne saturé. Ou plus simplement la température à laquelle l’air ne peut plus contenir la vapeur d’eau. Ce paramètre est très utile pour la prévision des orages ou encore la prévision des phénomènes de basse couche (brouillards).
Température à 850 hPa		Le paramètre « température à 850 hPa » est comme son nom l'indique, la température prévue à une altitude proche de 1 460 mètres d'altitude. Ce paramètre est très utile pour déterminer la masse d'air (air chaud ou froid). Dans la mesure où la température décroît de 0.6 à 1°C/100m, la température à 850 hPa est souvent inférieure de 8 à 13°C par rapport à la température à 2m. Néanmoins, cette règle est un indicateur. Certaines situations météorologiques, notamment les inversions thermiques, faussent complètement la règle.
Isotherme 0°C		Le paramètre « isotherme 0°C » comprenant également les épaisseurs entre 500 et 1 000 hPa (en dam), peut être utilisé pour délimiter la limite pluie-neige puisqu'il s'agit en fait de l'altitude à laquelle la température est de 0°C. Concernant les épaisseurs entre 500 et 1 000 hPa, c'est en fait une différence entre deux niveaux de géopotentiels.  Les endroits où l'épaisseur 500/1000 hPa est très élevée signifient une masse d'air chaud. Inversement, les zones où l'épaisseur est faible ou très faible signifient une masse d'air froid ou très froid.
Humidex		Le paramètre « humidex » est l'indice qui combine humidité et température. Pour faire simple, il s'agit de la température ressentie par le corps.
Windchill		Le paramètre « windchill » est l'Indice de refroidissement éolien (IRE). C'est la sensation de froid ressentie par un organisme sous l'impulsion du vent.
Humidité à 2m		Le paramètre « humidité à 2m » est comme son nom l'indique, l'humidité relative prévue au sol. L'humidité c'est le pourcentage de vapeur d'eau contenue dans l'air par rapport à la quantité de vapeur d'eau nécessaire pour arriver à la saturation. Comme pour les précipitations et la température, il est important de comparer avec d'autres modèles, et notamment les modèles avec une maille plus fine afin d'affiner la prévision à l'échelle locale. Plus la couleur est blanche plus l'humidité est importante. Inversement, plus la couleur va vers le noir, plus l'humidité est limitée.
Humidité à 950 hPa		Le paramètre « humidité à 950 hPa » est comme son nom l'indique, l'humidité prévue à environ 540 mètres d'altitude. Ce paramètre (couplé avec l'humidité à 925 hPa et 900 hPa) est intéressant pour la prévision des phénomènes de basse couche, notamment pour les nuages bas. Plus la couleur est blanche plus l'humidité est importante. Inversement, plus la couleur va vers le noir, plus l'humidité est limitée.
Vent à 10m		Le paramètre « vent à 10m » est comme son nom l'indique, la vitesse du vent moyen en km/h à prévoir à 10 mètres. Est présent sur la carte, la vitesse des rafales (km/h) indiquée sous forme d'un chiffre. On y trouve également la direction du vent représentée par des flèches. Définition du vent : c'est un mouvement d'une parcelle d'air sur une distance plus ou moins importante. Le vent est provoqué par la rotation de la Terre et le réchauffement inégal provenant de l'énergie solaire.
Vent à 925 hPa		Le paramètre « vent à 925 hPa » est comme son nom l'indique, la vitesse du vent en km/h à prévoir à environ 760 mètres d'altitude. On trouve également sur la carte, la direction du vent représentée par des flèches. Définition du vent : c'est un mouvement d'une parcelle d'air sur une distance plus ou moins importante. Le vent est provoqué par la rotation de la Terre et le réchauffement inégal provenant de l'énergie solaire.
Vent à 300 hPa		Le paramètre « vent à 300 hPa » est comme son nom l'indique, la vitesse du vent en km/h à prévoir à environ 9 200 mètres d'altitude. On trouve également sur la carte, la direction du vent représentée par des flèches. A cette altitude, on y trouve le courant-jet. Il s'agit d'un axe de vent violent  en altitude situé au niveau de la tropopause (7 à 18 km en fonction des latitudes). Cet axe est très utilisé par les avions. Les vents moyens sont de 100 km/h, mais peuvent dépasser 350 km/h comme lors des tempêtes de 1999 en France où ils avaient dépassé 400 km/h.
CAPE + LI		Le paramètre « CAPE » est l'énergie potentielle convective disponible pouvant être transformée en énergie cinétique (énergie que possède un corps en raison de son mouvement) lors des mouvements ascendants. Elle se mesure en J/kg (joules d'énergie convectives contenues par kg d'air). Concernant le « LI » (Lifted index) est l'indice de soulèvement. Cet indice mesure la différence de température entre le niveau 500 hPa (5 500 mètres) et une particule d'air soulevée depuis le sol jusqu'à ce même niveau. Ces paramètres sont très utiles pour la prévision des orages, même s'il est important de prendre en compte un certain nombre d'autres paramètres.
CIN		Le paramètre « CIN » (Convective Inhibition) pourrait être considérée comme l'inverse de la CAPE puisqu'elle tend à limiter le déclenchement de la convection. C'est un paramètre à prendre en compte lors de la prévision des orages, car elle est en mesure de limiter les développements orageux.
SRH		Le paramètre « SRH » (Storm Relative Helicity) est une mesure du potentiel de rotation cyclonique d'une supercellule à moteur droit. Une supercellule, c'est le plus violent des orages. Il se produit lorsque le dynamisme est significatif (cisaillements, hélicité etc). Contrairement à ce que l'on pourrait croire, la supercellule ne nécessite pas de grande instabilité, si les cisaillements et l'hélicité (paramètres essentiels à la prévision de supercellules) sont forts, alors elle peut éclore.
Vent vertical 700 hPa		Le paramètre « vent vertical à 700 hPa » ou "vitesse verticale" est comme son nom l'indique, le vent vertical aux alentours de 3 000 mètres. Il s'exprime en hPa/h. Le vent se déplace horizontalement, mais aussi verticalement. Quand l'air est ascendant (monte), la vitesse verticale est négative. A contrario, lorsque l'air est subsident (descend), la vitesse verticale est positive. Ce paramètre est important pour la prévision des orages, des fronts et donc des perturbations.
Theta E 850 hPa		Le paramètre « theta E 850 hPa » est la température potentielle équivalente prise par une particule d'air quel que soit son état (humide ou saturé). En fait, il s'agit plus d'une valeur virtuelle que réelle puisqu'elle est calculable mais ne peut pas être mesurée. Il s'agit en fait de la température que prendrait une particule d'air si cette dernière était contrainte de descendre au niveau 1 000 hPa. Ce paramètre est utile pour mesurer l'instabilité thermique de l'air mais aussi pour comparer les différentes parcelles d'air.
Altitude 1.5 PVU		Le paramètre « altitude 1.5 PVU » (Potential Vorticity Unit) ou "unité du tourbillon potentiel" permet de déterminer l'altitude de la tropopause. La tropopause dynamique est la surface correspondant à une valeur du tourbillon potentiel égal à 1.5 ou 2 PVU, limite entre l'air troposphérique et l'air stratosphérique. Définition de la tropopause : c'est une fine couche atmosphérique séparant la troposphère de la stratosphère à une altitude aux alentours de 11 à 12 km dans nos régions tempérées. La température varie entre -50 et -60°C.
Divergence à 300 hPa		Le paramètre « divergence à 300 hPa » (à environ 9 200 mètres) est l'opposé de convergence. Il peut être assimilé à l'expansion ou à l'étalement d'un champ de vecteurs. Ce paramètre est très utile pour la prévision du risque orageux et l'intensité des ascendances.
Tourbillon absolu 850 hPa		Le paramètre « tourbillon absolu à 850 hPa » est un cisaillement du vent et un mouvement circulaire (formation d'un mouvement de rotation de la particule d'eau s'élevant dans l'air). On peut l'associer à la formation des nuages et à la cyclogénèse (formation) des perturbations.

 

Cette liste de paramètres météo n'est pas exhaustive. Il existe d'autres paramètres. Nous avons choisi de mentionner les principaux utilisés dans le cadre de la prévision interne à Météo-Contact.