Modèles numériques pour la
prévision météo
L’été
dernier, surfant sur Internet à la recherche de sites météo utiles à la
prévision des conditions de vol libre, j’ai trouvé un site américain
extraordinaire qui a dépassé de loin toute les espérances plus ou moins
conscientes que je m’étais créées plusieurs années auparavant.
Il s’agit du
site de l’Administration nationale américaine pour l’étude des océans et de
l’atmosphère NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). Avant de
découvrir ce site, je notais soigneusement les valeurs mesurées du radiosondage
de Payerne et de certaines stations météo suisses. Je prenais aussi connaissance
des bulletins de prévision de l’ISM. Le problème, c’est que les valeurs mesurées
proviennent de la nuit (radiosondage) et du matin (stations au sol) précédents
et qu’elles changent souvent en cours de journée. D’autre part, les bulletins
ISM sont assez généraux et ne donnent jamais précisément l’évolution de la
température, de l’humidité, de la pression et des vents au cours de la journée
et à différentes altitudes. Bien avant Internet, je rêvais déjà de pouvoir
accéder aux informations sur l’évolution de ces paramètres. Or justement, les
modèles numériques pour la prévision météo peuvent fournir ce type
d’information. Il fallait qu’apparaisse Internet pour que chaque pilote ait
accès facilement et rapidement aux modèles numériques.
Un modèle numérique est un système informatique très puissant qui calcule, à
partir de données atmosphériques (paramètres telles que pression, température,
humidité, etc.) et des lois physiques (équations de la thermodynamique de
l’atmosphère), l’évolution probable de ces paramètres. Les données de base sont
acquises à partir du plus grand nombre de stations météo dans le monde
(radiosondages, mesures au sol, sur les bateaux ou les avions, etc.) puis sont
homogénéisées, initialisées et réparties dans une grille virtuelle
tridimensionnelle recouvrant la zone géographique d’intérêt. Le système
numérique calcule alors l’évolution des paramètres atmosphériques dans chaque
point (maille) de la grille à intervalle temporel régulier (p. ex. 3 h) pendant
une période prévisionnelle propre à chaque système (p. ex. 2 jours) pour un
système de prévision à court terme. Les paramètres intéressants pour les pilotes
de vol libre sont notamment: force et direction du vent, température de l’air,
humidité, pression, quantité de précipitations, couverture nuageuse, etc.
L’évolution des paramètres atmosphériques en un point de la grille dépend des
valeurs initiales mais aussi de l’évolution des paramètres sur tous les autres
points de la grille. On comprend donc bien la complexité de l’interdépendance
des paramètres et des équations qui décrivent une grande quantité de phénomènes
atmosphériques. Les prévisions numériques nécessitent un calcul intensif et
rapide afin que les résultats puissent être utilisés à temps. C'est pourquoi le
développement des modèles numériques de prévision du temps ces vingt dernières
années s'est réalisé main dans la main avec celui des ordinateurs les plus
performants.
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Tabelle 1
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Lieu géographique |
Latitude en ° |
Longitude en ° |
|
Genève aéroport |
46.24 |
6.11 |
|
Aigle |
46.32 |
6.92 |
|
Sion |
46.23 |
7.36 |
|
Brig |
46.31 |
7.99 |
|
Thoune |
46.76 |
7.64 |
|
Payerne aéroport |
46.84 |
6.92 |
|
Zurich aéroport |
47.46 |
8.55 |
|
Coire |
46.86 |
9.52 |
|
Lugano |
46.00 |
8.95 |
|
Grenoble |
45.18 |
5.73 |
|
Innsbruck |
47.27 |
11.40 |
|
Castellane (St-André les
Alpes) |
43.85 |
6.51 |
Tabelle 2
|
Figure 1 |
Figure 2 |
Figure 3 |
Figure 4 |
Figure 7 |
Figure 8 |
Figure 9 |
Figure 10 |
Figure 11 |
Résolutions
spatiale et temporelle des modèles numériques
Les systèmes
numériques se présentent donc sous forme d’une grille virtuelle
tridimensionnelle de mailles recouvrant la zone géographique d’intérêt. A chaque
maille, on initialise (extrapolation) les valeurs des différents paramètres
(pression, température, humidité, etc.) au temps zéro, à partir des mesures
réelles de l’atmosphère. Puis, à chaque intervalle de temps t., on calcule les
nouvelles valeurs sur plusieurs heures à quelques jours. Plus les mailles de la
grille sont rapprochées, meilleure est la résolution spatiale. Plus les
intervalles de temps t. sont courts et meilleure est la résolution temporelle.
Pour la résolution spatiale, on distingue la résolution planimétrique,
correspondant à la répartition des points à la surface de la terre. En général,
la grille au sol est «carrée», avec une distance identique entre chaque point.
Pour les modèles régionaux fins, on trouve des points espacés de quelques km,
pour les modèles mondiaux, des points distants de quelques dizaines de km.
D’autre part, il y a la résolution des points avec l’altitude (résolution
spatiale altimétrique), plus complexe et moins régulière. En général, on
n’utilise pas les valeurs métriques mais les valeurs des couches isobariques:
points situés à 925 hPa (env. 1000 m), 850 hPa (env. 1500 m), 700 hPa (env. 3100
m) et 500 hPa (env. 5500 m). La figure 1 montre un schéma de grille virtuelle
d’un système numérique qui permet de comprendre visuellement cette notion de
résolution spatiale. Les modèles numériques se distinguent encore par le nombre
de paramètres pris en compte, par la durée de la prévision (quelques heures à
quelques jours) ainsi que par l’étendue de la zone étudiée (région de quelques
centaines de km à toute la terre).
Le Modèle
Suisse et trois modèles numériques interactifs
En collaboration
avec le Service Météorologique Allemand, MétéoSuisse a développé un modèle de
prévision numérique à haute résolution appelé «Modèle Suisse» (SM). Le SM
calcule deux fois par jour une prévision de 48 h. Le modèle possède une grille
de 145 x 145 points au sol, distants de 14 km, sur 20 niveaux (420'500 points en
tout). La grille couvre la Suisse et ses alentours. Les calculs du SM se font
sur le superordinateur SGI-CRAY J90 de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Zurich.
A 4h30 et 16h30 (heure d'été), l'ordinateur fournit à MétéoSuisse les dernières
prévisions en 90 mn de calcul env. Les résultats sont automatiquement disséminés
par le réseau informatique de MétéoSuisse sous forme de graphiques et tabelles
pour chaque heure de prévision. Les prévisionnistes de Genève, Kloten, Locarno
et Zurich peuvent immédiatement exploiter ces résultats. Il existe aussi des
modèles européens comme les modèles ECMW et DM. Malheureusement, la présentation
de ces modèles n’est pas disponible sur Internet.
Les trois modèles numériques que j’ai retenus s’appellent AVN111, AVN191 et
MRF191. AVN pour «aviation» et MRF pour «Medium Range Forecast» (prévision à
moyenne échéance). Ces systèmes sont fournis par la NOAA (www.noaa.gov/). Pour
accéder à ces 3 modèles numériques, il faut suivre ensuite les liens de la page READY (Realtime Environmental Application and Display System) de ARL (Air
Resource Laboratory) à l’adresse
www.arl.noaa.gov/ready.html puis à la page Cmet
(Current Meteorology) sous
www.arl.noaa.gov/ready/cmet.html. Le tableau 1
ci-dessous résume les caractéristiques des 3 systèmes. Avant d’utiliser ces
modèles, d’accès gratuit, l’utilisateur devrait lire les avertissements d’usage
sur la page
www.arl.noaa.gov/ready/disclaim.html
Trois types
principaux de présentation des résultats
Avant de décrire
la présentation des résultats, deux remarques préalables: (1) L’obtention des
résultats demande une vraie action préliminaire de l’utilisateur. Il s’agit donc
bien d’un système interactif. Les résultats ne viennent pas tout seul, mais il
faut des commandes précises de l’utilisateur, comme on le verra au chapitre
suivant. (2) Les calculs des valeurs des paramètres se font au niveau de chaque
maillon de la grille du système numérique. Mais rien n’empêche l’utilisateur de
demander la valeur d’un paramètre dans un lieu quelconque sur la surface
terrestre. Le système extrapolera géométriquement cette valeur en fonction de la
proximité et des valeurs du paramètre des maillons les plus proches. Par contre,
les systèmes AVN et MRF n’extrapolent pas entre les altitudes déterminées des
systèmes (couches des géopotentiels). Sur le Web, les résultats des systèmes AVN
et MRF se présentent sous trois formes: météogramme, carte synoptique et sondage
virtuel.
(1) Le
météogramme est le graphique qui présente l’évolution des paramètres choisis (au
maximum 5) dans le temps, en un lieu précis de la surface terrestre.
Voir exemple dans la figure 4. Les paramètres choisis ici
sont le vent à 700 hPa (env. 3000 m) en nœuds, la température de l’air près du
sol, le degré de couverture nuageuse en %, la quantité de précipitations
accumulée en un temps donné (ici 6 h) en mm et la pression réduite au niveau de
la mer en hPa.
(2) La carte
synoptique avec au maximum deux paramètres. On trouve ici classiquement le vent
à 700 hPa et la pression réduite au niveau de la mer. Mais on peut faire aussi
des cartes intéressantes avec les précipitations ou le degré de couverture
nuageuse.
(3) Le sondage
virtuel (prévu), le moins interactif mais le plus étonnant.
Voir figures 8 et 9. Il est quasiment identique au radiosondage
mesuré avec courbes des vents, des températures et de l’humidité de l’air à
différentes altitudes présenté sur un émagramme.
On peut le demander en tout lieu de la surface d’étude du
système.
Choix
judicieux des paramètres, exemple d’utilisation de AVN111 et AVN191
L’inconvénient
avec les systèmes interactifs AVN11, AVN191, MRF191 est qu’on peut se perdre
facilement dans les innombrables possibilités de présentation de données et
fabriquer une multitude de météogrammes, cartes et sondages qu’on n’aura même
plus le temps de consulter. Avec l’expérience, il faut donc se fixer une
discipline et des règles de conduite pour extraire les informations les plus
utiles. Chacun peut élaborer ses propres règles; je vous donne en exemple les
miennes.
Il faut se demander d’abord quelles sont les informations dont nous avons
vraiment besoin pour juger si la journée (les journées) prochaine(s) seront
bonnes. Le temps général et la situation générale sont assez bien décrits par
les bulletins ISM
www.meteosuisse.ch/fr/Previsions/Prevision/IndexPrevision.shtml.
De même, je vous conseille aussi de consulter les pages
www.meteosuisse.ch/fr/Previsions/Releves/IndexReleves.shtml
des relevés actuels (température, pression, vent, etc.), toujours très utiles.
Ce que ne donne pas ou mal l’ISM, par contre, et qui sont d’une importance
cruciale pour nous, sont les prévisions de (1) l’évolution des pressions
atmosphériques et particulièrement les différences de pressions nord-sud (des
différences de plus de 3 hPa ne sont pas favorables), (2) l’évolution des
température et humidité de l’air en altitude (gradient de température et
estimation de la nébulosité cumuliforme) et enfin (3) l’évolution des vents
(force et direction) en altitude.
Avant de procéder à l’acquisition des données de ces systèmes numériques, il
faut connaître les coordonnées géographiques des lieux d’intérêt. Le tableau 2
donne quelques exemples utiles pour la Suisse et ses alentours alpins.
Pour dégrossir
la situation, je consulte d’abord un météogramme AVN 191 (www.arl.noaa.gov/ready-bin/metgramsrc.pl?metdata=AVN+191+km)
dans la région de vol convoitée. Pour les météogrammes AVN111 et MRF191, cela
fonctionne de façon identique. La première page web à s’afficher est celle qui
permet la saisie des coordonnées du lieu d’intérêt.
Voir figure 2. (a) On entre d’abord les coordonnées de la région
d’intérêt (où l’on va voler) dans les deux petites cases de la page web prévue à
cet effet, ici p. ex. Genève aéroport: 46.24 et 6.11. (b) On clique ensuite sur
le bouton «NEXT» pour afficher la page suivante.
Cette nouvelle page
permet interactivement la saisie des paramètres qu’on veut étudier et la durée
du météogramme (voir figure 3). (a) On peut choisir la date et l’heure
d’initialisation, mais en général il vaut mieux laisser la date optimale
indiquée. (b) Ici, il est préférable de sélectionner une durée de prévision
maximale, pour AVN191, 84 h, alors que la page propose par défaut 12 h. (c)
Cliquer sur l’option 3, qui permet de choisir librement les paramètres désirés.
(d) C’est à cet endroit que les choses deviennent intéressantes. On peut
choisir 5 paramètres aérologiques aux altitudes désirées. Par exemple pression
au sol (SFC), quantité de précipitations, température à 2 m du sol, pourcentage
de couverture nuageuse et direction + force du vent à 700 hPa (env. 3100 m).
Avec l’expérience, il m’a semblé que ce choix était très pratique pour juger
rapidement si un jour était mauvais ou éventuellement volable. (e) Finalement,
on clique sur ce bouton pour afficher la prochaine page, qui va enfin révéler
les résultats.
Sur cette nouvelle page Internet (voir figure 4), on a en abscisse la date et
l’heure (toutes les 6 h) et en ordonnée l’évolution dans le temps des 5
paramètres. Il faut remarquer qu’il s’agit du temps UTC (temps universel,
Greenwich) et qu’il faut ajouter environ 2 h pour avoir l’heure d’été à nos
longitudes helvétiques. C’est-à-dire que midi UTC correspond à environ 14h00,
heure d’été chez nous. De haut en bas, on peut lire le vent (force en nœuds et
direction par la position de la flèche), la quantité totale de nuage (en %), la
température à 2 m du sol en °C, la quantité de précipitations sur 6 heures en mm
et la pression au sol en hPa. Si mardi 29.05.2001 (TUE) apparaît plutôt
favorable, avec une pression atmosphérique haute, peu de vent d’altitude, peu de
nébulosité et pas de pluie, mercredi (WED) et surtout jeudi (THU) sont
manifestement défavorables. Il est donc inutile d’approfondir les recherches
pour mercredi et jeudi. On voit donc l’utilité de commencer par un météogramme
sur quelques jours, pour faire un premier choix des «bonnes» journées. On aurait
pu choisir le système MRF191, qui fait des prévisions sur 10–12 jours, toutes
les 12 heures, mais il n’y a pas de prévision de la couverture nuageuse et après
6-7 jours, selon mon expérience, les prévisions se sont révélées peu fiables.
Ces prévisions
se sont avérées justes et correspondaient à celles de l’ISM données sur leur
site Internet. Nous allons donc approfondir nos prévisions pour mardi. Le
système AVN111 convient parfaitement puisqu’il possède une bonne résolution
spatiale et temporelle. Prenons par exemple la carte synoptique qui pourra
donner d’excellentes informations sur la prévision des pressions atmosphériques
et leur répartition géographique. (www.arl.noaa.gov/ready-bin/arlplot1.pl?metdata=AVN+111+km).
La première page à s’afficher est celle qui permet la saisie des coordonnées du
lieu d’intérêt, mais aussi la saisie interactive des paramètres qu’on veut
étudier. Voir figure 7. (a) Ici on entre les
coordonnées du centre de la carte. J’ai choisi comme exemple les coordonnées de
Thoune: 46.76 et 7.64. (b) Les dimensions voulues de la carte se donnent en
degrés. Avec 5 degrés, on obtient toute la
Suisse et ses alentours proches, avec 20 degrés, presque toute l’Europe. (c) En
choisissant l’option «Overlay», on permet l’affichage de 2 paramètres à la fois.
(d) Les paramètres que je sélectionne et qui me paraissent utiles sont la
pression réduite au niveau de la mer (SFC) et le vent à 700 hPa (env. 3100 m).
(e) Ici, on peut choisir la couleur des traits. (f) En choisissant 1 dans ces
deux fenêtres, les isobares seront espacées de 1 hPa et les flèches des vents
affichées à chaque nœud du modèle, ici 111 km. Si vous choisissez la couverture
nuageuse comme paramètre en %, je vous conseille de mettre 20, sinon la carte
aura beaucoup trop de traits et sera illisible. (g) Finalement, il faut
sélectionner la date désirée, ici mardi 29 mai 2001 à 12h00 UTC. Un fois tout ce
travail effectué, avec l’habitude en quelques secondes, il faut (h) cliquer sur
le bouton «Request plot» pour obtenir la carte.
A la page
suivante (figure 8), on obtient déjà la carte synoptique. On reconnaît
facilement les frontières schématiques de la Suisse. L’étoile au centre de la
carte représente son centre, ici Thoune. Il s’agit d’une situation
anticyclonique avec faible gradient de pression au sol. Les vents en altitude ne
sont pas très forts, W à NW, plus marqués au NE de la Suisse qu’au SW. La
situation paraît donc a priori favorable surtout en Romandie.
Mais ce n’est pas encore suffisant. Il faut consulter le sondage à la même date
et la même heure. Le modèle AVN111 convient à nouveau parfaite-ment bien. Allons
sur le site
www.arl.noaa.gov/ready-bin/profsrc.pl?metdata=AVN+111+km . La
première page est identique à celle de la figure 2. Il faut saisir les
coordonnées du lieu d’intérêt. J’ai choisi pour l’exemple Payerne aéroport
(46.84/6.92). La deuxième page (voir figure 9) permet de choisir la date et
l’heure (a), pour l’exemple toujours le mardi 29 mai à 12h00 UTC et quelques
options d’affichage: par exemple, j’aime bien limiter le sondage à 400 hPa (env.
7500 m) (b) et afficher aussi les valeurs chiffrées (c), pas seulement
graphiques.
La dernière page donne un résultat époustouflant (voir figures 10 et 11). Nous
obtenons un véritable sondage calculé et prévu durant notre future période de
vol et dans la région de vol. Que veut-on de plus? Tout à droite du graphique,
on trouve la direction et force (en m/s) des vents à différentes altitudes. En
rouge, se dessine la courbe des températures et en vert la courbe des points de
rosée (humidité). La figure 11 donne les mêmes valeurs chiffrées, ce qui nous
permet, entre autres, de connaître l’altitude des couches de pressions (géopotentiels)
donc de calculer exactement les gradients de température. Dans cet exemple,
l’atmosphère est assez sèche puisque la courbe d’humidité est assez éloignée de
la courbe des températures (ce qui signifie qu’il y aura peu de cumulus); les
vents, d’W à NW, ne seront pas trop forts (on peut donc s’attendre à des
turbulences raisonnables) et le gradient de température sera moyen, égal à un
peu plus de 0.6°/100 m, entre 1600 et 3200 m (10°/16 hm = 0.63°/100 m), ce qui
laisse supposer la possibilité de thermiques moyens en montagne.
Conclusion
Je pense que les
pilotes qui jonglent assez bien avec Internet auront vite compris l’utilité de
ce type de prévision météorologique. En tout cas, pour moi, il s’agit d’une
pièce maîtresse dans les outils de préparation et de décision de vols. Certes,
je continue à consulter les prévisions de l’ISM mais elles ne remplacent pas la
subtilité et la précision des modèles numériques AVN et MRF. Avec ces systèmes,
je peux, par exemple, prendre des décisions et préparer ma journée de vol déjà
la veille au soir et même avant, plutôt que le matin très tôt du jour de vol.
Par cet article, je voulais d’une part partager mon enthousiasme et d’autre part
faire bénéficier d’autre pilotes internautes de ma découverte. Ce texte est une
version légèrement raccourcie de l’article disponible sur mon site Internet à
l'adresse www.cid.ch/meteo/index.html. Sur ce même site vous trouverez également
des outils que j'ai développés pour simplifier l'accès aux graphiques AVN et MRF.
Pour terminer, encore une adresse web à mon avis importante:
www.westwind.ch/w_ukmb.html,
qui présente des cartes météorologiques prévisionnelles, avec isobares et
fronts, pour l’Europe sur 1-5 jours, une autre forme de présentation de modèles
numériques réalisés par les services météorologiques européens.
Jean Oberson
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