Qu’est-ce qu’une prévision d’ensemble et comment est-elle générée ?

26 mai 2016

MétéoSuisse a mis en exploitation le système de prévision d’ensemble COSMO-E. Il s’agit là du premier système de prévision d’ensemble propre à MétéoSuisse. Ce système calcule deux fois par jour 21 prévisions légèrement différentes, mais également probables, pour les cinq jours à venir. Qu’est-ce donc au juste qu’une prévision d’ensemble ? Comment est-elle générée ? A quelles fins est-il utile de calculer un ensemble de prévisions ?

Si l’on calcule, à l’aide d’un modèle de prévision météorologique, une seule prévision (« déterministe »), on obtient une évolution possible de la météo à venir. Mais on n’apprend alors rien de la fiabilité de cette prévision. C’est pourquoi, afin de pouvoir évaluer l’incertitude d’une prévision météorologique, on calcule une multitude de prévisions légèrement différentes (« prévisions perturbées », dans le jargon), qu’il est convenu d’appeler l’« ensemble », de manière à obtenir diverses évolutions possibles des conditions météorologiques. A partir de ces diverses prévisions de probabilité équivalente, il est ensuite possible de déterminer la fiabilité de la prévision d’ensemble et une prévision de probabilité (également appelée « prévision probabiliste »). Dans un système de prévision d’ensemble, il est possible de « perturber » l’état initial, les conditions au bord ou le modèle lui-même. Idéalement, toutes ces options sont utilisées, mais consécutivement.

Le modèle de prévision météorologique numérique COSMO

La principale composante d’un système de prévision d’ensemble est le modèle de prévision météorologique numérique. Dans le cas de COSMO-E, il s’agit du modèle du Consortium for Small-Scale Modeling (COSMO). Hormis son maillage deux fois plus large de 2,2 km, la version de COSMO utilisée pour COSMO-E ne diffère que sur de petits détails de la version du modèle déterministe COSMO-1, qui a été mis en exploitation le 31 mars 2016 (cf. blog sur COSMO-1). Le système de prévision étant ainsi à disposition, encore nous faut-il un ensemble.

Perturbation de l’état initial

La découverte d’Edward Lorenz, qui a montré que l’atmosphère de la Terre est un système chaotique, est à l’origine des systèmes de prévision d’ensemble : d’infimes différences au stade initial peuvent entraîner d’importants écarts de prévision déjà après une brève période de prévision. Le fameux battement d’aile d’un papillon en Provence peut, mais ne doit pas nécessairement, induire un orage au-dessus d’Aarau.

Les mesures disponibles de valeurs météorologiques telles que la pression, la température ou la vitesse des vents ne suffisent de loin pas à déterminer sans ambiguïté les conditions météorologiques au départ de la prévision (« état initial »). A cet égard, le système de prévision d’ensemble fait de nécessité vertu : il lance les prévisions individuelles à partir d’états initiaux légèrement perturbés tout en recourant pour chacune d’elles aux valeurs mesurées au début de la prévision.

Perturbations des données-cadre

Pour générer une prévision, un modèle de prévision météorologique régional tel que COSMO-E nécessite des « conditions au bord », à savoir les conditions météorologiques, respectivement les prévisions météorologiques en périphérie de la zone couverte par le modèle. Comme les prévisions météorologiques en périphérie de la zone visée sont incertaines, il faut aussi perturber les conditions aui bord. S’agissant de COSMO-E, les conditions au bord proviennent du système global de prévision d’ensemble IFS-ENS du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT), dont le maillage est d’environ 18 km. Les perturbations en périphérie de la zone couverte par COSMO-E sont obtenues en insérant chacune des prévisions individuelles de COSMO-E dans l’une des prévisions de l’IFS-ENS (également appelées « membres »).

Perturbations du modèle de prévision météorologique

Un modèle de prévision météorologique n’est jamais parfait, la formulation du modèle comporte toujours des incertitudes. C’est pourquoi, outre l’état initial et les conditions au bord, il est aussi possible de « perturber » le modèle lui-même en quantifiant et simulant les incertitudes connues. S’agissant de COSMO-E, cette perturbation est produite par le mécanisme de perturbation stochastique des tendances physiques SPPT (« Stochastic Perturbation of Physical Tendencies »), qui perturbe légèrement et de manière aléatoire les résultats de la modélisation à chaque étape temporelle en générant en quelque sorte pour chaque prévision des battements d’aile artificiels (tel un papillon de taille assurément conséquente). Ces perturbations, qui sont toutes elles aussi équivalentes en moyenne statistique, entraînent des évolutions météorologiques futures de même probabilité.

Prévision de probabilité

Le système de prévision d’ensemble COSMO-E décrit ci-dessus permet de calculer des prévisions de probabilité : grâce à une évaluation statistique des 21 membres équivalents de COSMO-E, il est possible de déduire la probabilité de survenance de chaque événement météorologique quel qu’il soit. Outre les 21 différentes prévisions concernant les précipitations (cf. figure 3), on peut aussi dessiner par exemple des cartes de probabilité des précipitations (cf. figure 4 : prévision de la probabilité que le total des précipitations en 6 heures dépasse 1 mm).

En complément aux prévisions probabilistes, le système de prévision d’ensemble COSMO-E permet aussi de déterminer l’évolution météorologique la plus probable tout en indiquant le degré de fiabilité de cette prévision : plus les membres individuels de COSMO-E sont différents, plus la prévision est incertaine. Plus les évolutions des divers modèles sont semblables, plus la prévision est sûre.

Utilisation de COSMO-E

MétéoSuisse a mis COSMO-E en exploitation après une phase de test de six mois. Ce système de prévision d’ensemble permet notamment de mieux saisir les évolutions météorologiques rares et extrêmes. COSMO-E constitue de ce fait, tout particulièrement pour émettre des avis d’intempéries dans l’espace alpin, une base indispensable pour MétéoSuisse et tous les clients qui ne s’intéressent pas qu’à l’évolution météorologique la plus probable.

COSMO-E fonctionne sur le nouveau supercalculateur

A l’instar du modèle déterministe COSMO-1, mis en service opérationnel dès le 31.03.2016, COSMO-E fonctionne également sur le nouveau supercalculateur « Piz Kesch » au Centre suisse de calcul scientifique (CSCS) à Lugano. « Piz Kesch » a été conçu sur mesure par MétéoSuisse, en coopération avec le CSCS, le C2SM (Center for Climate Systems Modeling) de l’EPFZ et les sociétés Cray et NVIDIA, pour répondre aux besoins de MétéoSuisse. MétéoSuisse est le premier service météorologique national au monde à miser sur une nouvelle architecture informatique pour ses modèles de prévision météorologique. L’utilisation de processeurs graphiques (GPUs) et d’un logiciel optimisé pour les GPUs permet au supercalculateur non seulement de calculer nettement plus vite, mais aussi de fonctionner en restant substantiellement plus efficace énergétiquement, ce qui permet de multiplier la capacité de calcul au même coût.

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