La prévision de l état de. surface des chaussées Deuxième niveau. routières à Météo-France

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1 titre du La prévision de l état de surface des chaussées routières à Météo-France Ludovic Bouilloud Ingénieur des Ponts et des Eaux et Forêts DPrévi/GCRI/ Ingénieur Recherche 1

2 Sommaire titre du Cliquez Les modèles pour utilisés modifier à Météo-France les styles du texte du Deuxième La production niveau opérationnelle Quatrième Evolutions niveau futures Conclusion 2

3 Exemple pour un enrobé drainant titre du Rayonnement Flux turbulents solaire Rayonnement (chaleur sensible et latente) infra-rouge émis Rayonnement solaire réfléchi Rayonnement atmosphérique infra-rouge Rayonnement absorbé Revêtement de surface Structure de chaussée Sol naturel Le modèle ISBA-Route Flux de conduction Couche imperméable Eau & glace en surface Drainage latéral Résolution multi-couches des transferts thermiques et hydriques Profils de température, de teneur en eau et glace (10m) 3

4 CROCUS ISBA-Route Cliquez pour modifier le style du titre du Cliquez Rayonnement pour modifier les NEIGE styles : CROCUS du texte du solaire Rayonnement Précipitations Flux infrarouge turbulents Revêtement Cinquième Route niveau Le modèle couplé ISBA-Route/CROCUS Utilisation du modèle multicouche complexe CROCUS utilisé pour la prévision du risque d avalanche afin de décrire avec précision le comportement d une couche de neige déposée sur une chaussée INTERFACE de surface Sol naturel Transferts hydriques et énergétiques ( Bouilloud et al. 2006, 2009 ) Drainage latéral (enrobé drainant) 10 m - Types de grains & métamorphoses - Hauteur et type de neige (ex: couche de neige saturée en eau) INTERFACE : COUPLAGE - Transferts d eau et d énergie entre la neige et la route - Configuration de l interface chaussée/neige (ex: regelée) ROUTE : ISBA-Route - Transfert dans la route - Profils de température, eau et glace 4

5 Cliquez pour modifier le style du Hau te u r d e n e ig e e t d e n e ig e s atu r é e (cm ) titre du Hs at Validation du modèle sur site expérimental T e m p é r atu r e d e s u r fa ce ( C ) déneigement manuel t (jo u r s ) t (jo u r s ) Htn Htn mes Ts Ts mes F l u x d e c o n d u c t i o n c h a u s s é e / n e i g e ( W / m ² ) Les Rencontres du Comité miroir Viabilité Hivernale t ( CM3 j o u r s jeudi ) 15 décembre

7 titre du - utilisation opérationnelle depuis prévision à échéance 48h - un seul réseau de production (6hTU) La chaîne SAFRAN/ ISBA-Route (SIR) Descente d échelle des prévisions du modèle atmosphérique ARPEGE sur une grille de résolution 8km Prévision de température de surface des chaussées à l échelle de la France avec ISBA-Route - étendu à 96 h depuis la VH 2011/2012 en complément de la chaîne actuelle pour produire des prévisions 30h/96h 7

8 La chaîne AROME/ Cliquez pour modifier le style du ISBA-Route (AIR) Prévisions des modèles météorologiques (CL) titre du Prévision régionale haute-résolution AROME Cliquez pour Modèle modifier non hydrostatique les styles du texte du Résolution verticale fine Microphysique des nuages (physique MesoNH) Assimilation (radar, satellite, sol) haute-fréquence ISBA-Route Résolution améliorée (2.5km) et amélioration de l orographie Suppression Cinquième de la descente niveaud échelle Amélioration de la description des hydrométéores (ex: phase) Amélioration de la représentation des basses couches 4 réseaux de prévision (0h, 6h, 12h, 18h) et échéances de 30h Opérationnel depuis la VH 2010/2011 8

9 titre du Les chaînes de prévision ponctuelles Chaînes dérivées de la chaîne AROME/ISBA-Route et utilisée pour des points spécifiques (aéroports, stations météoroutières, points singuliers ) Bénéficier des mesures in-situ pour améliorer la précision de la prévision Deuxième niveau - Extraction Troisième des niveau mesures de température en surface et en profondeur des stations météoroutières - Quatrième Correction du profil niveau de température initial (interpolation de l erreur par spline cubique) Chaîne locale AROME/ISBA-Route/CROCUS : fournir une prévision de tenue, hauteur et type de neige sur chaussée qui n existe pas encore dans la chaîne France 9

10 titre du Exemple de résultats pour une station Dernière décade Décembre 2010 Première décade Janvier 2010 Apport significatif de la nouvelle chaîne AIR 10

11 Résultats statistiques Cliquez pour modifier le style du 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Scores calculés sur titre un échantillon du de 102 stations pour la période du 1 novembre 2010 au 1 avril 2011 et les 30 échéances de prévision sur les 4 réseaux Erreur de prévision de Ts ( C) Erreur Moyenne Erreur Absolue Moyenne Ecart Quadratique Moyen SIR AIR Apport de la nouvelle chaîne AIR (gain en écart quadratique moyen d environ 0.5, jusqu à 1 pour les stations situées en zone de relief) Erreur moyenne positive (biais froid) entraînant trop de prévisions de l événement «température de surface prévue négative» (TFA=38%), mais bonne prévision de la dynamique du franchissement de seuil Ts<0 pour les prévisions correctes Nécessité de réduire le nombre de fausses alarmes 11

12 titre du Gain EAM Gain EQM Prévision 30h 0,22 0,24 Apport de la chaîne locale intégrant les mesures Permet d améliorer les résultats par rapport à la chaîne AIR France Prévision 12h 0,37 0,38 Prévision 6h 0,56 0,59 Gain diminue avec l allongement de l échéance Gain faible pour les stations équipées uniquement de capteurs de température de surface mais important pour les stations équipées de capteurs de mesure en profondeur Cinquième (jusqu àniveau 0.4 en EQM sur les prévisions à 30h pour les stations avec mesure à 30cm) Fort potentiel pour une utilisation haute fréquence en prévision immédiate 12

14 titre du Améliorations de la prévision de l état de surface Ne pas se limiter à la prévision de température de surface - Prévision de la tenue, de la hauteur et du type de neige sur les chaussées - Prévision de la présence d eau liquide et de verglas Intégration des avancées de la recherche (cf présentation PALM) - Modélisation des fondants routiers dans ISBA-Route à valider avec campagne expérimentale Adaptations statistiques pour la chaîne AIR (gain EQM 1 et biais nul) Mise en place d une chaîne basée sur les prévisions expertisées afin d améliorer les prévisions et réduire le nombre de fausses alarmes Descente en échelle afin de prendre en compte les caractéristiques locales - Modèle de viaduc - Utilisation des signatures thermiques (collaboration MF avec Vaisala et LRPC) - Intégration dans le modèle de ville TEB (prise en compte zones ombres, trafic ) Couplage chaîne locale avec AROME-PI 14

15 Bénéficier de l expertise du prévisionniste titre du 8 Troisième 6 niveau 4 2 Ts6h Expert -2 Chaîne expertisée - Reconstitution des prévisions atmosphériques d entrée du modèle ISBA-Route à partir des prévisions expertisées - Algorithme expert permettant de sélectionner la meilleure prévision disponible parmi les prévisions modèles brutes et la prévision expertisée (et les adaptations statistiques et la chaîne locale lorsqu elles existent) Prévisions 24h (à 6hTU j+1) et mesures de température de surface Ts mesure Ts6h AIR Exemple pour une station dans le Sud-Ouest de la France -Forte diminution du nombre de fausses alarmes (14 fausses alarmes 5 fausses alarmes) - Forte diminution du biais froid EQM : EM : A généraliser à l échelle de la France: en test pré-opérationnel depuis le 1/11/

16 titre du Prévision de la présence de neige Un phénomène difficile à prévoir au niveau atmosphérique Un matériau complexe variant sur de fortes gammes de densité ( donc de hauteurs associées aux précipitations) Un comportement complexe à l interface avec la route Une modélisation complexe au temps de calcul lourd Peu d observations de neige au sol et encore moins sur route Des difficultés de validation des prévisions de neige sur route Un algorithme de "cumul de potentiel de neige" dans OPTIMA - hauteur potentielle de chute de neige (sans tenir compte de la fonte) - prend en compte la qualité de la neige et l intensité des précipitations Prévisions numériques AROME/ISBA-Route/CROCUS 16

17 titre du Mesures de hauteur de neige fraîche du 8 déc 6h au 9 déc 6h Episode du 8/12/2010 en région Parisienne Prévision de hauteur de neige sur chaussée avec AROME/ISBA-Route/CROCUS Cumul de potentiel de neige - Potentiel de neige est un paramètre cohérent :surestimation mais ne prend pas en compte la fonte - Prévision numérique informative : sous-estimation mais on compare à des observations sur sol naturel au flux de conduction plus faible - Dynamique de l enneigement de la chaussée bien prévue 17

18 titre du Episode du 24/12/2010 Prévision relativement satisfaisante (peut être moyenne pour la partie Ile de France/ Centre/Normandie mais hauteurs relevées faibles donc a pu fondre sur les routes) Les Contingence Rencontres prévision du hauteur Comité neige route/mesure miroir Viabilité hauteur neige Hivernale sol CM3 jeudi 15 décembre

20 atmosphérique) Troisième niveau conditions locales Conclusion De nombreux travaux titre de du R&D sur la thématique météo-routière qui seront intégrés au système d information géolocalisé à l échelle des tronçons routiers OPTIMA Prévision de température de surface améliorée avec l apport du modèle AROME et améliorations futures Bénéfices liés à la recherche amont (i.e. amélioration de la prévision Amélioration des modèles météoroutiers (travaux de recherche PALM) et descente en échelle pour améliorer la prise en compte des Utilisation des mesures in-situ Utilisation des expertises humaines Prévoir les états dégradés (eau, neige, verglas) 20

21 titre du Merci pour votre attention 21

22 titre du Cliquez Flux de pour conduction modifier : F cond les = T/R styles th du texte du Transferts thermiques chaussée/neige Recouvrement total de la chaussée en présence de neige Transfert thermique par conduction entre la chaussée et la neige Résistance thermique R th dépendante de la configuration de l interface R th = R chaussée + R neige + R interface Zone très peu dense Echanges thermiques limités Dépend du type de revêtement Interface chaussée/neige sèche (d après Borel 2000) glace air chaussée R neige R interface R chaussée 22

23 titre du CHAUSSEE HUMIDE neige humide neige sèche CHAUSSEE SECHE neige humide Classification de l interface Remontées capillaires Présence continue d eau liquide Isothermie de la couche à 0 C Contact parfait (par capillarité) Rth = R interface + R chaussée + R neige Rth = R chaussée Possibilité de regel Présence de glace Rth = R chaussée + R neige 23

24 Hauteur maximale de saturation : titre du Cliquez - du type pour de revêtement modifier (Borel 2000) les styles du texte du h max : hauteur maximale de saturation en cm teneur en de rétention Remontées capillaires dans la neige Dépend : - du type de neige (Coléou et Lesaffre 1998, Coléou et al. 1999) h max = C x (1-P)/P x 1/r m P : porosité de la neige r m : rayon convexe moyen des grains de neige en mm C : coefficient dépendant du type de revêtement - enrobé non drainant : C = 1,09 - enrobé drainant : C = 0,643 Introduction d une couche de neige saturée en eau liquide dans le modèle CROCUS pour les besoins du projet manteau neigeux hauteur maximale de saturation excédent d eau après percolation revêtement de surface teneur en eau de rétention teneur en eau à saturation excédent d eau après saturation écoulement latéral teneur en eau à saturation Dépassement Dépassement de la hauteur de la Les Rencontres du Comité miroir Percolation Viabilité Hivernale CM3 Remontée jeudi 15 capillaire décembre 2011 maximale hauteur de saturation de 24