Les modèles météorologiques

Pour prévoir le temps, les spécialistes des sciences atmosphériques donnent encore de l'importance à l'observation directe du temps météorologique qu'il fait. Les techniques ont cependant bien-sûr évolué avec les années, et prévoir le temps à 5 jours ne peut pas se faire juste en levant le nez. Les scientifiques utilisent maintenant des modèles météorologiques pour prévoir le temps à plusieurs jours, voire à plusieurs semaines d'échéance. Que sont ces modèles ? Comment sont-ils utilisés ? Notre article se propose de répondre à cette question.

Tout est modèle ma brave dame, tout est modèle
 

Lorsqu'on parle de modèle en science atmosphérique, on pense logiquement à des ordinateurs qui fument des heures durant sur des équations mathématiques à effrayer le commun des mortels. Pour autant, avant même de parler de modèle météo, qu'est ce qu'un modèle ? En sciences, un modèle est la représentation simplifiée d'un processus, quel qu’il soit. Par exemple, tout à chacun sait bien qu'en été le Soleil monte plus haut dans le ciel et que les jours s'allongent, ce qui pousse à la hausse les températures. L’été, il fait donc plus chaud que l'Hiver. Et bien, cela est déjà un petit modèle, qui lie les variations annuelles de la température au Soleil. Un modèle n'a pas besoin d'être formalisé par des équations mathématiques (même si souvent en physique cela aide, il faut bien le dire). Les sciences sociales construisent aussi des modèles de nos comportements, qui ne sont pas exprimés avec les mathématiques. Un statisticien célèbre, George Box, a eu un jour cette phrase heureuse : "Tous les modèles sont faux, mais certains sont utiles". En effet, aucun modèle ne peut prétendre décrire complètement et parfaitement le processus qu'il entend décrire. Pour autant, un modèle est d'une grande aide pour comprendre ce processus, et éventuellement prévoir son évolution futur.

Les modèles des sciences atmosphériques ne sont pas différents. Ils font sans doute partie des modèles les plus complexes qui existent d'un point de vue mathématique (les modèles utilisés en séismologie sont aussi pas mal dans cette optique soit dit en passant).

Un autre point important est qu'il n'existe pas de différence stricte entre la "météorologie" et la "climatologie". C'est une distinction qui est souvent faite mais qui n'a pas réellement de fondements. Les modèles qui prévoient le temps à quelques jours d'échéance tournent essentiellement avec les mêmes équations que les modèles qui tentent de prévoir le climat à 100 ans. Les différences entre un modèle dit "météo" et un modèle dit "climato" se situent dans une perspective plus pratique d'implémentation de ces équations. Cependant, comme nous le verrons plus loin, il existe de par le monde des modèles qui sont les deux à la fois. L'auteur de ces quelques lignes tient particulièrement à ce point. En effet, même si la coutume est de râler après les prévisions météorologiques (nous sommes d'accord que la météo est un bon sujet de conservation en effet), force est de constater qu'elles ne sont pas souvent complètement fausses. Si donc les prévisions d'un jour à l'autre sont à peu près valables, alors les prévisions à 100 ans, ou plus, le sont aussi.

Pour voir les différences entre les modèles, nous allons parler de leurs différentes caractéristiques les plus évidentes. Ainsi, il existe plusieurs modèles météorologiques qui chacun implémentent les équations de l'atmosphère un peu différemment, orientées plus spécifiquement pour la prévision à court terme. Nous allons voir les principaux modèles actuellement disponibles, puis leurs caractéristiques.. Nous éviterons les détails très techniques, la liste des caractéristiques ne sera donc pas exhaustive mais indicative. 

Les caractéristiques

Résolution

La principale différence est la finesse de la grille. Ici, une image vaut sans doute mieux qu'une longue explication :

https://www2.ucar.edu/climate/faq/aren-t-computer-models-used-predict-climate-really-simplistic

Pour pouvoir faire le calcul, la Terre est divisée en petites boîtes élémentaires. De plus, l'atmosphère est aussi divisée selon la verticale. Les couches de boîtes s'empilent alors les unes sur les autres pour donner de l'épaisseur.



Vue d'une Terre découpé en petits bouts. Notons ici la grille horizontale (Horizontal Grid) et la grille verticale (Vertical Grid). Source : http://en.wikipedia.org/wiki/File:AtmosphericModelSchematic.png

Dans chaque boîte les équations de la physique sont appliquées pour calculer l'évolution de l'atmosphère. Notons que ces équations sont universelles et s'appliquent dans tous les domaines des sciences. Elles ne sont en aucun cas spécifiquement "ajustées" pour donner un résultat.

Plus la résolution du modèle est élevé, c'est-à-dire plus les boîtes sont petites, plus les résultats seront précis. Pour autant, si la résolution est élevée, le nombre de boîte augmente. Puisqu'il est nécessaire de faire les calculs pour chaque boîte, cela nécessite plus de ressources avec des ordinateurs plus puissants. Étant donné que la puissance de calcul est limitée, il faut alors faire un choix pour optimiser au mieux la résolution du modèle en fonction des besoins. Pour donner un ordre d'idée, les modèles météorologiques ont une résolution horizontale de 20km à 30km environ. C'est à dire que les modèles considèrent par exemple que la météo est la même pour l'ensemble de Bruxelles. Une autre possibilité est aussi d'augmenter la résolution, mais en limitant l'étude à une région spécifique du globe. Par exemple, on peut descendre à une résolution horizontale jusqu'à 1 à 10 km pour un modèle limité à la superficie d'un pays.

Échéance de prévision

Tout comme il existe une résolution spatiale, il existe également une résolution temporelle. Le modèle calcule l'évolution de l'atmosphère à des intervalles de temps réguliers, par exemple 600 secondes. Plus l'intervalle de temps sera court, meilleure sera la précision. Pour autant, le temps de calcul augmente également. Là encore, il faut arriver à un compromis entre temps de calcul et précision requise.

Couplage

Une autre différence qui cette fois-ci divise plutôt les modèles météo et climato est le couplage à d'autres modèles. Nous l'évoquons cependant pour expliciter le fonctionnement d'un modèle météo. En parlant de la résolution à l'instant, nous avons parlé de l'atmosphère seulement. Or, de toute évidence, l'Océan ou la banquise ou encore la végétation peuvent influencer l'atmosphère. Pour cela il existe deux solutions. Soit des modèles spécifiques pour chacune de ses autres composantes sont établis, et l'ensemble de ces modèles, atmosphériques compris, sont couplés. C'est le cas des modèles climatologiques. En météorologie, l'océan ou la végétation n'évolue pas assez rapidement sur l'échéance de prévision pour qu'il soit nécessaire de faire un couplage. L'état de l'océan et de la végétation est alors prescrit, c'est-à-dire que des valeurs fixes sont fournies au modèle atmosphérique.

Initialisation

Les modèles doivent être initialisées. Cela signifie qu'on doit leur donner des valeurs à partir desquelles ils pourront commencer les calculs. Pour les modèles météos, ces valeurs initiales décrivent l'état de l'atmosphère au moment où les calculs sont lancés. La plupart des modèles sont initialisés à 00Z (01h00 en Hiver, 02h00 en Été) et 12Z (13h00 en Hiver, 14h00 en Été). Différentes sources de données sont utilisées. Il s'agit des données des ballons sondes, des stations météos, des satellites météos, des instrumentations embarquées à bord des avions et navires (commerciaux ou militaires), des bouées marines. Les données satellites sont particulièrement importantes car elles fournissent une couverture globale et détaillé. Nous pouvons aussi noter l'importance des données récoltées par les reconnaissances aériennes menées spécifiquement dans certains types de systèmes météorologique. Aux États-Unis, l'US Air Force mène régulièrement des missions au cœur des cyclones tropicaux pour mesurer plus précisément l'état de l'atmosphère. Ces données sont à l'évidence précieuse, puisqu'une étude a montré une amélioration significative de la précision des prévisions des trajectoires des cyclones tropicaux par exemple (de l'ordre de 10 à 15% à 48 heures d'échéances) :

Amélioration (Improvement, courbe en gras, échelle en % ) de la précision des prévisions avec et sans les données des dropsondes par les missions de reconnaissances, Rappaport et al., 2009 : http://www.nhc.noaa.gov/pdf/NHC_WAF_Advances_Challenges_200904.pdf

Si ces chiffres ne concernent que la trajectoire des cyclones tropicaux, cela peut néanmoins avoir un impact sur la prévision globale d'un modèle. L'influence des systèmes météorologiques se fait souvent sentir sur de très longues distances.

Différents modèles sont ainsi couramment utilisés, que nous décrirons ici brièvement.

Les modèles de prévisions météorologique synoptique

Les modèles "synoptiques" sont ceux qui prévoient la météo à l'horizon d'une semaine pour l'ensemble de l'Hémisphère Nord. De multiples organismes météorologiques de par le monde tentent de développer un tel type de modèle. Pour autant, vu la complexité et la puissance de calcul requise pour un tel morceau, peu sont réellement fiables. La France possède aussi un modèle de prévision particulièrement efficace, pour autant il est très difficile d'avoir accès à des données et reste largement méconnu, nous n'en parlerons pas. Notons cependant que tout comme pour le modèle anglais, le modèle atmosphérique français est tout à la fois "météorologique" (Arpège) et "climatologique" (Arpège-Climat).

GFS, Gobal Forecast System

Il est développé par le National Center for Environnemental Prediction, une agence qui dépend du gouvernement des États-Unis. À la différence du modèle européen qui a évolué progressivement depuis le milieu des années 90, le modèle états-unien tend à évoluer plus par évolutions majeures. GFS a remplacé en 2000 un modèle archaïque, le NGM.

Le modèle GFS est particulièrement connu de part le monde. En effet, c'est un modèle entièrement libre et gratuit. De plus il propose des prévisions à 384 heures, soit 16 jours. C'est le seul modèle météo à simuler sur une aussi longue échéance. La fiabilité des prévisions à cette échéance est cependant quasiment nulle...  Il est initialisé quatre fois par jour à 00Z, 06Z, 12Z, et 18Z.

Il est prévu qu'il soit remplacer en 2014 par un modèle entièrement neuf, le FMI : http://fim.noaa.gov/. Les initiales signifient Flow-following, finite volume, Icosahedral horizontal grid, Model. Les données récentes sont prometteuses et montrent un potentiel d'amélioration des performances certain.

IFS, Integrated Forecast System

Le modèle est développé par le Centre Européen de Prévision Météorologique à Moyen Terme (CEPMMT ou ECMWF en anglais) : http://www.ecmwf.int/research/ifsdocs/CY37r2/index.html

Ce modèle est donc connu, abusivement, sous le nom de CEP ou ECMWF. Ceci peut porter à confusion car ECMWF produit également d'autre modèles ayant d'autres finalités, dont l'ERA-40 (ECMWF 40 years Re-Analysis). L'IFS en tant que tel date de 1994. Avant, il avait existé d'autres modèles européens, dont le premier remonte à 1985. Depuis 1994, IFS n'a cessé d'évoluer progressivement avec des correctifs supplémentaires au fil du temps.

À la différence de GFS, de nombreux paramètres de l'IFS ne sont pas disponibles gratuitement. Il tend donc à être moins utilisé dans la communauté amateur, malgré des performances souvent un peu meilleures que celles de GFS.

L'IFS est basé sur une grille de surface un peu plus complexe, ce qui représente sans doute un avantage certain. Il a également une résolution verticale plus fine, puisqu'il possède 137 niveaux.

Unified Model

L'Unified Model : http://www.metoffice.gov.uk/research/modelling-systems/unified-model/weather-forecasting est développé  par le Met Office, devenue maintenant la dénomination officielle de l'expression Meteorological Office. il s'agit de l'organisme météo du Royaume-Uni. Il est souvent surnommé UKMO.

Ce modèle atmosphérique a la particularité d'être aussi utilisé pour monter des modèles climatologiques. Il peut être couplé, pour donner par exemple le plus récent modèle climatique du Royaume-Uni, le HadGEM1 : http://www.metoffice.gov.uk/research/modelling-systems/unified-model/climate-models/hadgem1 et le HadGEM2 : http://www.metoffice.gov.uk/research/modelling-systems/unified-model/climate-models/hadgem2

En tant que modèle météorologique, il est initialisé quatre fois par jour (à 00Z, 06Z, 12Z, 18Z) mais seules les sorties de 00Z et 12Z sont disponibles. De même que pour l'IFS, tous les paramètres ne sont pas disponibles gratuitement. D'autre part, il a la particularité de ne proposer des prévisions que jusqu'à 144 heures d'échéance, soit 6 jours.

Les modèles de prévisions météorologiques méso échelle

Il existe des modèles de plus faible résolution qui ne couvre que des régions et non tout le globe, et s'arrêtant à des échéances plus courtes (moins de 96 heures).

Le plus connu est le Weather Research and Forecasting Model (WRF) : http://www.wrf-model.org/index.php

Il a la particularité d'être implémentable par n'importe qui. Ainsi différentes configurations de WRF sont proposées sur Internet, les performances des uns et des autres n'étant pas nécessairement équivalentes.

Les centres météorologiques nationaux utilisent également leur propre modèle. La France exploite Arôme, la Belgique Alaro, ...

Alaro

Nous serons ici moins descriptifs. Alaro est consultable sur le site de l'IRM à cette adresse :

http://www.meteo.be/meteo/view/fr/123492-Modele+Alaro.html

À partir de ces données, les scientifiques de l'IRM prévoient le temps de manière précise à courte échéance.
Alaro est développé par un ensemble de pays européens.

Arôme

Après tant de lectures, nous vous proposons une petite vidéo de MétéoFrance sur ce modèle, qui couvre la France :

Vidéo provenant de ce site : http://www.cnrm.meteo.fr/spip.php?article120

Performances relatives des modèles



http://www.emc.ncep.noaa.gov/gmb/STATS_vsdb/

Ce diagramme, un peu abscon il est vrai, synthétise les performances des modèles durant le mois d'Août. En fait, c'est surtout le panel du haut qui importe. Chaque modèle est représenté par une courbe. Le modèle européen IFS en rouge, le modèle anglais UKMO en orange, le modèle états-unien GFS en noir,... Plus la courbe est proche de 1, plus le modèle est performant. L'axe horizontale donne l'échéance de la prévision (96 heures, c'est 4 jours d'échéance ; 144 heures c'est  6 ; ...). Ainsi, le modèle européen reste meilleur que le modèle américain jusqu'à 8 jours d'échéances. Au delà GFS passe devant, mais à cette échéance cela ne signifie plus grand chose en fait. On remarque aussi la bonne performance du british, puisqu'UKMO se place en deuxième position, entre GFS et IFS.



http://www.emc.ncep.noaa.gov/gmb/STATS_vsdb/longterm/

Ce diagramme montre l'amélioration progressive de la performance des prévisions à 5 jours ( 120 heures d'échéances ). À nouveau, plus le modèle est proche de 1, plus il est performant. Nous remarquons que les modèles les plus importants n'ont cessé de progresser. De même, notons que les deux modèles IFS et UKMO performent un tout petit mieux que GFS.