Approche ensembliste de la prévision météorologique

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1 Approche ensembliste de la prévision météorologique Philippe Arbogast, Laurent Descamps, Carole Labadie, Bruno Joly, Alain Joly et Pascal Raynaud Centre National de Recherches Météorologiques/GAME Météo-France/CNRS 02/06/09

2 2 Prévisibilité de l écoulement atmosphérique D après V.Bjerknes, 1904:...sufficient conditions for the rational solution of forecasting are the following: A sufficiently accurate knowledge of the state of the atmosphere at the initial time. A sufficiently accurate knowledge of the laws according to which one state of the atmosphere develops from another.

3 3 Limites de la prévision déterministe Prévision pour le samedi 24 janvier UTC Analyse de vérification Prévision lancée 30h plus tôt (v1) Prévision lancée 30h plus tôt (v2)

4 4 Prévisibilité de l écoulement atmosphérique «Pourquoi les météorologistes ont-ils tant de mal à prédire le temps avec quelque certitude? Pourquoi les chutes de pluie, les tempêtes elles-mêmes nous semblent arriver au hasard...un dixième de degré en plus ou en moins en un point quelconque, le cyclone éclate ici et non pas là...si on avait connu ce dixième de degré, on aurait pu le savoir d avance mais les observations n étaient ni assez serrées, ni assez précises, et c est pour cela que tout semble dû à l intervention du hasard» H. Poincaré, 1908

5 5 Prévisibilité de l écoulement atmosphérique E.N. Lorenz: Mise en évidence du caractère chaotique et sensibilité aux conditions initiales des modèles de prévision Attracteur du modèle de Lorenz

6 6 Prévisibilité de l écoulement atmosphérique les différentes sources d incertitude: Incertitude sur les conditions initiales (on ne connaît jamais parfaitement l état de l atmosphère à un instant t) Incertitude sur les lois de l écoulement (les modèles de prévision ne sont pas parfaits)

7 02/06/09 Variance d erreur d analyse

8 8 Prévisibilité de l écoulement atmosphérique L incertitude sur la prévision: varie suivant l état de l écoulement atmosphérique concerne toutes les échelles L incertitude sur la prévision: peut rester modérée à 10 jours d échéance... mais peut être forte au bout de quelques heures d échéance Nécessité de quantifier cette incertitude: Approche probabiliste; calcul explicite de l évolution déterministe de la loi de probabilité de l état de l écoulement

9 Prévisibilité de l écoulement atmosphérique 9

10 10 Prévisibilité de l écoulement atmosphérique L approche probabiliste directe impossible avec les moyens de calcul actuels Les principaux centres de prévision numérique du temps ont recours à l approche ensembliste (Représenter la loi de probabilité par un échantillon approprié de l état de l écoulement)

11 Approche ensembliste 11

12 Approche ensembliste 12

13 Par la méthode de Monte-Carlo 13

14 14 Approche ensembliste L ensemble est un échantillon de petite taille relativement à la dimension du problème (de qq centaines de ddl à 10 / 109 d où l importance de perturber efficacement les conditions initiales Perturbations à fort taux de croissance (vecteurs singuliers du modèle linéaire) Erreurs du passé (modes de Lyapounov) Connaissance des erreurs (matrice de variance covariance) de l analyse de la prévision déterministe 8

15 15

16 Influence de l initialisation 16

17 02/06/09 L La Dispersion de l ensemble doit être corrélée à l erreur de la moyenne

18 La prévision d ensemble dans le contexte de l amélioration de la prévision déterministe 18

19 Utilisation dans le cadre de la vigilance météorologique 19 La prévision des tempêtes La prévision des événements fortement précipitants; application à la prévision hydrologique

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21 Utilisation dans le cadre de la vigilance météorologique 21 La prévision des tempêtes La prévision des événements fortement précipitants; application à la prévision hydrologique Descente d échelle statistique à partir d une connaissance climatologique des environnements de grande échelle propices aux événements fortement précipitants

22 22 Deux approches concurrentes Approche déterministe haute résolution (les cellules convectives sont partiellement résolues), côuteuse, à prévisibilité limitée Approche probabiliste, basse résolution (les systèmes convectifs ne sont pas résolus mais les environnements de grande échelle le sont). Le coût d un élément de l ensemble est réduit.

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25 La prévision d ensemble dans le contexte de l amélioration de la prévision déterministe 25 Nombre de processeurs Lancement des modèles temps Mise à Disposition des résultats

26 80% d événements fortement précipitants par écoulement de sud dans les basses couches de l atmosphère LF 500 hpa height (solid lines) Moisture flux at 925 hpa (shadings) > 0.6 kg.m -2.s -1 Wind at 925 hpa (arrows) (ERA40 best resol.:1.125 grid) CSW 81 HPEs CS 65 HPEs 02/06/09

27 Probabilité d un événement précipitant intense > 80% Probabilité d un événement précipitant intense < 80% 02/06/09

28 Amélioration des prévisions d ensemble des débits sur la France de SAFRAN-ISBA-MODCOU Guillaume Thirel (CNRM/GMME/MC2) Thèse encadrée par Éric Martin Analyse météorologique SAFRAN Observations +modèles NWP Précipitation, température, humidité, vent, radiations Schéma de surface ISBA + Données physiographiques pour le sol et la végétation Qr Neige G E H Qi 02/06/09 Modèle hydrologique MODCOU Aquifère Débits Nash journaliers

29 La Seine à Paris, crue de mars 2001 (crue décennale) Q90 Q50 Q10 02/06/09 Prévision correcte de l intensité et de la chronologie de la crue (montée, date du pic de crue, décrue) Dispersion correcte Prévision de la crue dès le mars : pré-alerte, alerte

30 02/06/09 LValeur économique d une prévision d ensemble

31 Autres applications utilisant l approche ensembliste 31 La prévision mensuelle La prévision saisonnière La prévision climatique Parmi les sources d incertitude à considérer : Les erreurs de représentation des phénomènes physiques tels que l interaction entre les océans et l atmosphère, la représentation des hydrométéores