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Prévisions probabilistes

Les prévisions météorologiques sont empreintes d’incertitude. Pour quantifier celle-ci, différents scénarios sont calculés à l’aide de modèles météorologiques, en faisant légèrement varier les paramètres. MétéoSuisse intègre ces informations relatives à l’incertitude dans les prévisions météorologiques.

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Les modèles météorologiques reproduisent ce qui se passe dans l’atmosphère à l’aide de formules mathématiques. Ces modèles de prévision numérique sont désormais utilisés pour l’élaboration des prévisions météorologiques. Au cours des dernières décennies, des progrès substantiels ont été effectués dans la compréhension des processus physico-chimiques de l’atmosphère et la résolution spatiale des modèles numériques a augmenté.

Comment naissent les incertitudes

Même avec les progrès accomplis, certains processus ne sont pas parfaitement décrits dans les modèles numériques et plusieurs sont encore représentés à l’aide de paramétrisations (c’est-à-dire qu’un processus donné n’est pas « physiquement » représenté avec une ou plusieurs lois physiques mais est intégré de manière simplifiée à travers une méthode de « remplacement »).

Une autre source d’incertitude provient du fait que la valeur de chacun des paramètres décrivant l’état de l’atmosphère au commencement des simulations numériques n’est pas parfaitement connue, bien que les nombreuses observations permettent des améliorations continues (voir par exemple les mesures effectuées dans les stations au sol et d’autres méthodes pour sonder l’atmosphère.

Ces valeurs, appelées également conditions initiales, sont essentielles pour faire démarrer les simulations des modèles. Etant donnée la nature chaotique de l’atmosphère, des petites différences ou incertitudes dans les conditions initiales peuvent entraîner des larges différences entre les simulations issues d’un même modèle de prévision numérique.

Comment l’incertitude est-elle quantifiée ?

En conséquence, toute prévision météorologique reste entachée d’une certaine incertitude. Pour quantifier cette incertitude, une approche dite « ensembliste » ou « probabiliste » est utilisée avec les modèles numériques. Cela signifie que, pour une même échéance de temps, plusieurs scénarios sont calculés en utilisant le même modèle numérique mais en modifiant légèrement, par exemple, les conditions initiales utilisées pour lancer les simulations. Par opposition, on qualifiera de déterministe une approche qui ne calcule et n’utilise qu’un scénario.

Ainsi, le modèle numérique à haute résolution ICON-CH1-EPS (avec un maillage horizontal de 1,0 km) calcule huit fois par jour 11 scénarios (ou membres d'ensemble) distincts pour une durée de prévision allant jusqu'à 33 heures. Le modèle ICON-CH2-EPS, qui utilise un maillage horizontal de 2,1 km, calcule 21 scénarios sur une période de 5 jours.

Pour illustrer cette approche ensembliste, l’image ci-dessous montre la prévision des cumuls de précipitations sur 3 heures pour le 24 juillet 2020 à 9 UTC simulés pour les 21 différents scénarios du modèle ICON-CH2-EPS. Pour cette échéance se situant 27 heures après le début de la simulation, on voit que les différences entre les scénarios sont larges, ce qui illustre l’incertitude liée à la prévision des quantités et du timing des précipitations attendues pour cette journée. En particulier, pour un point ou une région donné, c’est un scénario sec (sans précipitations) ou humide (avec précipitations) qui pourra se dérouler en fonction du membre de l’ensemble considéré.

21 petites cartes de la Suisse avec des codes couleur indiquant la quantité de précipitations attendue.
Cartes des précipitations (somme cumulée en mm sur 3h) prévues par les 21 scénarios d’ensemble du modèle ICON-CH2-EPS pour le 01.10.2024 de 21 à 24 h UTC (prévision émise 3 jours auparavant). On voit bien que dans certains scénarios, la majeure partie de la Suisse ne va connaître que peu ou pas de précipitations alors que dans d’autres scénarios, il va pleuvoir sur la majorité du territoire (jusqu’à 50 mm en 3 h à certains endroits).

Intégration des prévisions probabilistes

MétéoSuisse a systématiquement intégré cette approche probabiliste, qui tient compte de la probabilité, dans ses prévisions et ses services. Elle est en particulier reflétée dans nos bulletins à travers un ensemble de termes probabilistes qui sont utilisés pour les phénomènes entachés d’une plus grande incertitude :

Termes de probabilité utilisés en prévision

Les informations probabilistes sont également de plus en plus intégrées dans les représentations graphiques de nos prévisions. L’ application Probabilité de précipitations présente la probabilité de précipitations pour les prochains jours sous forme de cartes. Celle-ci est calculée directement à partir de la prévision d'ensemble : la proportion de scénarios ou de membres avec précipitations indique la probabilité de précipitations. Cette représentation ne fournit que des informations sur la probabilité, et non sur la quantité de précipitations.

 	Petites cartes Suisses avec des informations en couleur sur la probabilité attendue de précipitations
Probabilité de précipitations dans les jours à venir représentée sur une carte. La probabilité est calculée en divisant le nombre de scénarios d'ensemble avec précipitations par le nombre total de scénarios.

Les prévisions locales contiennent également des informations probabilistes. A partir des scénarios d’ensemble, pour un lieu et un moment donné, on peut calculer, pour chaque paramètre météorologique, le scénario médian, qui est celui pour lequel la moitié des scénarios de la prévision d’ensemble donne une valeur plus élevée et l’autre moitié donne une valeur plus basse. Pour quantifier les valeurs plus extrêmes prévues par ces scénarios, on choisit d’utiliser les 10% des valeurs les plus hautes et les 10% des plus basses. On qualifie de quantile 10 (Q10) la valeur en-dessous de laquelle on trouve 10% des valeurs les plus basses et de quantile 90 (Q90), la valeur au-delà de laquelle on trouve 10% des valeurs les plus hautes. (La médiane correspond au quantile 50).

Diagramme de l'évolution prévue de la température pour la valeur médiane ainsi que la fourchette entre les quantiles 10 et 90.
Illustration graphique de l’utilisation des différents scénarios d’ensemble pour l’élaboration des prévisions locales probabilistes. Le scénario médian (Q50) est le scénario pour lequel la moitié des scénarios de la prévision d’ensemble donne une valeur plus élevée et l’autre moitié donne une valeur plus basse. Le quantile 10 (respectivement 90) (Q10, resp. Q90) correspond à la valeur en-dessous de laquelle on trouve 10% des valeurs les plus basses (respectivement les plus hautes). Cela signifie que 80% des scénarios se situent entre les valeurs Q10 et Q90.

Données probabilistes sur le site Internet de MétéoSuisse

L’exemple montre comme les informations probabilistes sont intégrées dans les prévisions locales de température et de précipitations. Pour la température, on montre, d’une part, la valeur médiane (Q50) avec la courbe rouge et d’autre part, l’enveloppe d’incertitude (en rose semi-transparent) se situant entre les deux valeurs Q10 et Q90 où se trouvent 80% des scénarios calculés par le système d’ensemble. Par exemple, pour le modèle ICON-CH2-EPS, cela voudrait dire qu’environ 17 scénarios (sur les 21 existants) se situent dans cette fourchette.

Pour les précipitations, la valeur médiane est montrée sous forme d’une colonne en bleu. Celle-ci indique la quantité de précipitations prévue. L’enveloppe d’incertitude est indiquée avec la ligne verticale bleu clair délimitée par les traits horizontaux en haut et en bas qui correspondent aux valeurs Q90 et Q10, respectivement. Comme pour les températures, 80% des scénarios fournis par le système d’ensemble se situent entre ces deux valeurs.

Graphique de l'évolution des températures et des précipitations au cours des prochaines heures, à la fois pour le scénario le plus probable et à l'aide de zones d'incertitude.
Ce graphique montre à la fois les prévisions probabilistes locales de la température et des précipitations. Les échelles des températures (en °C) et des précipitations (en mm/h) se situent à gauche et à droite, respectivement. Le scénario le plus probable et l’enveloppe d’incertitude pour les températures sont montrés en rouge et rose semi-transparente, respectivement. Le scénario le plus probable pour les précipitations est montré par la colonne bleu. L’enveloppe d’incertitude est indiquée avec la ligne verticale bleu clair délimitée par les traits horizontaux en haut et en bas. À 2h, la quantité de précipitation prévue la plus probable est de l’ordre de 1.5 mm / heure. L’incertitude sur cette valeur est néanmoins assez grande car la prévision d’ensemble donne des valeurs entre 0.7 et 3 mm/h (pour 80% des scénarios).
L'image montre une prévision météorologique pour le site 1201 Genève, à 381 m d'altitude. Elle contient une représentation graphique de la vitesse et de la direction du vent sur une période de deux jours, commençant de mercredi à vendredi. La vitesse du vent est indiquée en km/h et les zones d'incertitude sont visualisées par des zones semi-transparentes, indiquant d'éventuelles fluctuations dans la prévision. Sur la droite se trouve un tableau avec les prévisions météorologiques pour les jours à venir, incluant des informations sur la température, la probabilité de précipitations et la quantité de précipitations en millimètres.
L'incertitude de la prévision du vent est représentée par une zone semi-transparente. Plus cette zone est grande, plus l'incertitude est élevée. Dans le cadre journalier (à droite), l'incertitude du cumul quotidien des précipitations est indiquée en mm.

Données probabilistes sur l’App MétéoSuisse

Les prévisions de l'application MétéoSuisse intègrent également des informations probabilistes dans les prévisions de température et de précipitations.

Graphique de l'évolution attendue des températures et des précipitations, à la fois pour la meilleure estimation et à l'aide de plages d'incertitude.
L'image montre deux graphiques accompagnés de textes explicatifs sur la probabilité des vitesses de vent et des rafales de vent.  À gauche : Le texte explique que la probabilité que la vitesse moyenne du vent se situe entre 5 et 7 km/h est de 80 %, la meilleure estimation étant de 6 km/h. Le graphique en dessous montre une ligne bleue avec une zone ombrée qui représente l'incertitude. Les vitesses du vent sont indiquées sur l'axe X en fonction du temps et sur l'axe Y en km/h.  À droite : Le texte indique que la probabilité que les rafales de vent les plus fortes se situent entre 17 et 28 km/h est également de 80 %, avec une estimation optimale de 21 km/h. Le graphique correspondant montre une visualisation similaire à celle de gauche, mais avec des vitesses de vent plus élevées.  Les deux graphiques illustrent des zones d'incertitude représentées par des ombrages de différentes nuances.
Incertitude de la prévision du vent

L'incertitude des prévisions de température et de vent est représentée à travers une zone semi-transparente. Plus celle-ci est large, plus l'incertitude est importante. La probabilité que la valeur se situe dans cet intervalle est de 80%.

L'incertitude des prévisions de précipitations est représentée sous différentes formes. Les colonnes transparentes indiquent l'incertitude de l'intensité des précipitations. Les pourcentages en bleu sont la probabilité qu'il pleuve une quantité perceptible sur 3 heures. Les intervalles sur l'aperçu hebdomadaire indiquent l'incertitude des cumuls journaliers.