Le modèle de prévision du temps COSMO

MétéoSuisse utilise et développe un système numérique de prévision à haute résolution, COSMO, dans le but de générer des produits pour les prévisions locales et régionales sur l'arc Alpin.

Une image détaillée de l'état futur de l'atmosphère est calculée depuis la basse stratosphère jusqu'à la surface de la Terre, en incluant l'évolution de la couverture neigeuse, la température des lacs et les caractéristiques du sol. Les produits standards sont disponibles jusqu'à trois jours a l'avance sur un domaine couvrant l'Europe centrale et l'Europe de l'Ouest ("produits COSMO-7") et des produits plus détaillés sont disponibles jusqu'à 33 heures en avance sur un domaine recouvrant essentiellement l'arc Alpin ("produits COSMO-2", voir figure 1). Le Centre Européen pour les Prévisions à Moyenne Echelle (ECMWF) exploite un modèle global décrivant les échelles synoptiques. MétéoSuisse exploite un modèle à l'échelle régionale, COSMO-7, et à l'échelle locale, COSMO-2.

Ces produits fournissent une aide quantitative aux prévisionnistes dans l'établissement de leurs prévisions journalières, ils contribuent à la sécurité de la population suisse par le biais de génération d'alertes, par exemple en cas d'événements météorologiques sévères, d'inondation ou lors d'incidents dans l'exploitation de centrales nucléaires, et ils répondent aux besoins spécifiques de nombreux utilisateurs professionnels. Le contrôle permanent du système COSMO constitue un prérequis a toute prévision de haute qualité.

Un modèle numérique de prévision est basé sur les lois physiques décrivant les processus atmosphériques ainsi que les processus de surface (par exemple la conservation de l'énergie, les transformations de phase, la radiation assimilée à celle d'un corps noir). Il nécessite des conditions initiales et des conditions aux bords appropriées ainsi qu'une méthode numérique pour résoudre, dans le temps, le système complexe d'équations, correspondant à l'expression mathématique des lois physiques susmentionnées. Ces équations décrivent une grande variété de processus atmosphériques se déroulant à différentes échelles spatio-temporelles, comme le développement de systèmes de basse pression, les chutes de neige, le Föhn ou la convection estivale. Les calculs sont réalisés sur une grille tridimensionnelle, dans laquelle l'espacement vertical des niveaux n'est pas constant, afin d'obtenir une résolution plus fine pour les conditions atmosphériques des bas niveaux.

Les conditions initiales adéquates pour démarrer une prévision sont produites en combinant les observations atmosphériques actuelles, les résultats de précédentes simulations réalisées avec le modèle et des informations climatiques d'une façon compatible avec les équations du modèle ; c'est le processus dit d'assimilation. Dans une période d'assimilation typique de 24 heures, COSMO-7 ingère

• environ 120 sondages verticaux,
• environ 8000 observations issues de l'aviation,
• environ 28000 observations de surface et
• environ 1000 mesures de vent (wind profilers).

COSMO-2 ingère encore des données de pluie issues de mesures radar afin de mieux représenter l'activité convective.

Une prévision, calculée avec un modèle numérique, est une opération très gourmande en ressources informatiques et le temps nécessité est un paramètre critique. Une prévision typique de 24 heures avec COSMO-2 requiert plus de 250'000 milliards d'opérations mathématiques et doit être calculée dans un laps de temps de 20 minutes. C'est pourquoi le système COSMO se compose de 3 modèles numériques imbriqués: un modèle global simulant l'atmosphère entière mais avec une précision moyenne, et deux modèles à aire limitée, avec une précision croissante. Ceci explique également pourquoi l'évolution des modèles de prévision s'est déroulée parallèlement au développement de superordinateurs toujours plus rapides dans les vingt dernières années.

COSMO est développé au sein d'une collaboration internationale. Les services météorologiques nationaux d'Allemagne, de Grèce, d'Italie, de Pologne, de Roumanie, de Russie et de Suisse collaborent étroitement au sein du Consortium for Small-Scale Modelling (COSMO). Ce consortium a été fondé en octobre 1998 avec l'objectif général suivant : développer, améliorer et maintenir un modèle atmosphérique non-hydrostatique à aire limitée pour une utilisation opérationnelle et pour des activités de recherche par les membres du consortium.