Un modèle numérique global du système terrestre est à la base de toutes les prévisions du CEPMMT. Il a été développé pour prendre en compte non seulement l'atmosphère, mais aussi l'océan, les vagues, la terre et la glace de mer, ainsi que leurs interactions.
Cet article est la traduction de l'article du blog du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) dont voici l'adresse originelle : https://www.ecmwf.int/en/about/media-centre/focus/2022/global-numerical-modelling-heart-ecmwfs-forecasts
Un modèle numérique global du système terrestre est à la base de toutes les prévisions du CEPMMT (souvent nommé sous son nom anglais « ECMWF » dans nos articles de blog). Il a été développé pour prendre en compte non seulement l'atmosphère, mais aussi l'océan, les vagues, la terre et la glace de mer, ainsi que leurs interactions. Notre modèle est la clé du système intégré de prévision (IFS) du CEPMMT, qui est utilisé pour produire toutes nos prévisions, des jours aux saisons à venir. Aujourd'hui, le système de prévision du CEPMMT est reconnu comme l'un des meilleurs au monde.
L'approche globale du système terrestre utilisée par le CEPMMT est motivée par notre mission fondamentale qui consiste à fournir des prévisions à moyen terme précises à nos États membres et coopérants. En outre, elle a ouvert la possibilité de fournir un large éventail de services environnementaux plus larges, tels que la surveillance du changement climatique et la prévision des inondations, de la pollution atmosphérique et des incendies de forêt.
Notre modèle a été développé pendant des décennies en étroite collaboration avec nos États membres et coopérants et avec la contribution de nombreux autres collaborateurs. L'infrastructure du code est partagée et co-développée, et les mises à jour du système de prévision sont coordonnées avec Météo-France, qui a travaillé avec nous en particulier sur la composante du modèle atmosphérique. D'autres composants ont été développés à partir de modèles communautaires, tels que le modèle océanique NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean) et le modèle de glace de mer de Louvain-la-Neuve (LIM2).
Lorsque le CEPMMT a émis ses premières prévisions il y a plus de 40 ans, notre modèle numérique ne représentait que l'atmosphère, avec des interactions simplifiées avec la surface terrestre. Les informations sur l'océan, la glace de mer et de nombreux aspects de la surface terrestre, par exemple, étaient introduites dans le modèle à partir d'ensembles de données externes et n'évoluaient donc pas de manière dynamique en réponse aux changements du flux atmosphérique.
La nécessité de représenter les interactions entre les composants du système terrestre a été motivée en partie par le développement des prévisions saisonnières au CEPMMT, mais elle est également importante pour la compétence à moyen terme.
Par exemple, le couplage entre l'océan, la glace de mer et l'atmosphère a considérablement amélioré les prévisions des cyclones tropicaux, qui puisent leur énergie dans la surface chaude de l'océan et peuvent également affecter l'état de l'océan. Les interactions terre/atmosphère doivent être bien représentées pour produire des prévisions fiables des conditions météorologiques proches de la surface, telles que la température, pour lesquelles l'échange d'énergie et d'humidité entre la terre et l'atmosphère est très important.
Dans un modèle numérique du système terrestre, les processus à des échelles plus grandes que la grille du modèle sont directement représentés en résolvant des équations qui représentent le mouvement de l'air (et de l'eau dans l'océan). Les processus à plus petite échelle (nuages, turbulence ou processus radiatifs et de surface terrestre) sont paramétrés en faisant des hypothèses sur leurs effets sur la température, l'humidité ou les vents.
Au fil du temps, davantage de composantes et de processus sont pris en compte dans le modèle du CEPMMT, avec une attention particulière sur le couplage entre eux. Les processus sont représentés de manière plus réaliste et à plus haute résolution. Par exemple, les prévisions à haute résolution du CEPMMT ont un espacement de grille d'environ 9 km dans l'atmosphère, à comparer à une résolution de plus de 100 km dans les premières prévisions météorologiques opérationnelles.
La qualité des prévisions du CEPMMT doit beaucoup à la précision des conditions initiales de départ, ainsi qu'au réalisme de son modèle du système terrestre. Les conditions initiales de départ (ou analyses) sont produites par assimilation de données - où des millions d'observations du système terrestre sont combinées de manière optimale avec des prévisions à court terme.
Pour l'atmosphère, le CEPMMT utilise un système appelé assimilation de données variationnelle quadridimensionnelle (4D-Var) - une approche lancée en 1997 qui a été continuellement développée et améliorée. La puissante capacité de 4D-Var à assimiler une grande variété d'observations donne lieu à des analyses de haute qualité, et dépend en partie de la qualité de notre modèle du système terrestre.
Cette capacité 4D-Var permet de rejeter des observations qui sont franchement erronnées en les comparant à celles calculées dans une prévision à court terme. Ainsi, en plus des améliorations apportées à l'assimilation des données elles-mêmes, une prévision à court terme plus précise améliore également l'utilisation et l'impact des observations, et donc les conditions initiales pour la prévision suivante.
4D-Var et la grande qualité de notre modèle de système terrestre, y compris la modélisation des observations elles-mêmes, ont ouvert la voie à une percée connue sous le nom d'assimilation de données "tout ciel" (all-sky). Auparavant, il était difficile d'utiliser les données satellitaires provenant de zones affectées par les nuages et les précipitations. De vastes zones du globe ne disposaient donc que de rares mesures au sol pour que les prévisions soient fondées sur les observations.
Le système "tout ciel", qui continue à apporter des avantages, n'a été possible que grâce à des recherches approfondies visant à améliorer la représentation des nuages et des précipitations dans le modèle de prévision, et à notre compréhension de la manière dont ces "processus humides" affectent les radiances des satellites.
Le modèle de système terrestre du CEPMMT est désormais utilisé pour un large éventail d'applications et de services environnementaux liés aux impacts, tels que la prévision des risques d'inondation et de la qualité de l'air.
Le CEPMMT met en œuvre le service Copernicus sur le changement climatique (C3S) et le service Copernicus de surveillance de l'atmosphère (CAMS). Nous contribuons également au Copernicus Emergency Management Service (CEMS) et travaillons en étroite collaboration avec le Copernicus Marine Environment Management Service (CMEMS). Ces applications ont été rendues possibles par des efforts soutenus pour étendre notre modélisation afin d'englober un large éventail de processus et d'interactions du système terrestre.
La qualité de l'air et l'augmentation des niveaux de gaz à effet de serre dans l'atmosphère sont très préoccupants. L'IFS du CEPMMT est utilisé au sein du CAMS pour fournir une série de services opérationnels, tels que des prévisions de la qualité de l'air en Europe, des informations pour le secteur de l'énergie solaire et la surveillance de la couche d'ozone.
Les réanalyses du CEPMMT fournissent l'image la plus complète possible du temps et du climat passés à travers le monde. Elles sont obtenues en mélangeant les prévisions à court terme avec les observations passées grâce à notre processus d'assimilation de données IFS 4D-Var. La dernière réanalyse du CEPMMT, ERA5, constitue la base des bulletins climatiques mensuels du C3S.
Le CEPMMT gère le centre de calcul pour le Système européen de surveillance des inondations (EFAS) - un élément du CEMS. Le Centre gère également le Système mondial de surveillance des inondations (GloFAS) et joue un rôle dans un système d'information sur les feux de forêt dans le cadre du CEMS. C'est la qualité des analyses et des prévisions du CEPMMT qui permet de modéliser de manière réaliste les risques d'inondation et d'incendie.
OpenIFS est une version de l'IFS largement utilisée par les universités, les instituts de recherche et les services météorologiques des États membres et coopérants du CEPMMT pour une série d'utilisations (y compris la modélisation climatique).
OpenIFS et d'autres éléments de l'IFS du CEPMMT font partie d'EC-Earth, un modèle européen du système terrestre développé comme un outil communautaire par un consortium européen. EC-Earth est largement utilisé pour faire progresser les connaissances scientifiques sur le système terrestre et son climat, et pour aider à développer des services climatiques.
L'un de nos objectifs opérationnels est d'améliorer les prévisions des phénomènes météorologiques à fort impact plusieurs semaines à l'avance. Notre modèle de système terrestre restera au cœur des développements scientifiques pour y parvenir.
Dans le cadre de sa stratégie à l'horizon 2030, le CEPMMT lance également une nouvelle initiative en matière d'assimilation de données, appelée "all-sky, all-surface", afin d'utiliser davantage les données satellitaires sur les terres, la neige et la glace de mer. Ce développement dépend fortement de l'amélioration de la façon dont nous représentons les processus de la surface terrestre et de la glace de mer dans notre modèle du système terrestre.
Une plus grande précision et un meilleur niveau de détail près de la surface terrestre dans nos analyses et nos prévisions seront également extrêmement bénéfiques pour des applications et des secteurs environnementaux plus larges.
L'émergence des supercalculateurs exascale rend désormais possible la modélisation du système terrestre mondial à l'échelle du kilomètre. À titre de comparaison, au début de l'année 2022, nos prévisions à haute résolution de moyenne portée avaient une résolution horizontale de 9 km.
À des résolutions proches de 1 km, il est possible de résoudre, au moins en partie, la convection profonde - une avancée majeure dans les modèles numériques globaux du système terrestre. La convection profonde désigne les panaches d'air chaud et humide qui s'élèvent dans l'atmosphère et se produit à des échelles plus petites que les grilles des modèles globaux actuels. Elle joue un rôle clé dans la redistribution de l'énergie et de l'humidité dans les tropiques, en alimentant la circulation à plus grande échelle et en influençant le temps aux latitudes moyennes.
Le projet NextGEMS contribue à faire progresser la modélisation du système terrestre à l'échelle kilométrique. Deux prototypes de modèles globaux du système terrestre à l'échelle du kilomètre (résolution des tempêtes et des tourbillons) seront développés - l'un basé sur l'IFS du CEPMMT (couplé avec NEMO et le modèle FESOM2 de l'Institut Alfred Wegener), l'autre sur le modèle ICON de l'Institut Max Planck de météorologie (MPI-M) et du service météorologique allemand. NextGEMS offre la possibilité de s'attaquer à certaines des plus grandes lacunes dans les connaissances de la science météorologique et climatique.
Les simulations à l'échelle du kilomètre seront à la base des prévisions opérationnelles du CEPMMT d'ici la fin de la décennie.
Les capacités de modélisation du système terrestre du CEPMMT devraient apporter une contribution majeure à une initiative ambitieuse de la Commission européenne visant à créer une réplique numérique de la planète Terre. Dans ce programme Destination Terre (DestinE), nous travaillerons aux côtés d'institutions telles que l'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Organisation européenne pour l'exploitation de satellites météorologiques (EUMETSAT).
Notre rôle est de construire l'infrastructure logicielle et de données du "moteur de jumeaux numériques" et de l'utiliser pour fournir les deux premiers jumeaux numériques hautement prioritaires. Le jumeau numérique sur les extrêmes météorologiques et géophysiques fournira des capacités d'évaluation et de prévision des extrêmes environnementaux. Le jumeau numérique sur l'adaptation au changement climatique permettra de générer des analyses et de tester des scénarios prévisionnels à l'appui des politiques d'adaptation et d'atténuation du changement climatique à des échelles pluridécennales, aux niveaux régional et national.
Les jumeaux numériques s'appuieront sur notre expertise de premier plan dans le domaine de la prévision numérique du temps à l'échelle mondiale et sur notre savoir-faire en matière de calcul avancé à haute performance, de traitement des données et d'apprentissage automatique, démontré sur certaines des plus grandes infrastructures au monde. C'est la qualité du système de modélisation du système terrestre et d'assimilation des données du CEPMMT, fruit de nombreuses années de développement en collaboration, qui rend cet objectif ambitieux possible.
DestinE poursuit les investissements à long terme des États membres du CEPMMT dans la mise en place d'une capacité de prévision européenne unique et soutiendra la poursuite du développement des services des États membres et européens, tels que les services Copernicus.
Les évolutions de notre modèle numérique global et du système d'assimilation des données sont régulièrement prises en compte dans nos prévisions opérationnelles. Les mises à jour sont effectuées généralement une fois par an, et exceptionnellement deux fois par an comme en 2021.
En 2023, nous assisterons à une mise à niveau majeure de notre système de prévision. Le principal changement sera une augmentation significative de la résolution horizontale de nos prévisions d'ensemble à moyenne portée, qui passera de 18 km à 9 km, ce qui portera l'‑ensemble de 50 membres au même niveau que nos prévisions actuelles à haute résolution. Le cycle 48r1 apportera également une amélioration majeure à la configuration de l'ensemble à portée étendue. Plutôt que d'être une extension des prévisions à moyenne portée commençant deux fois par semaine au jour 15, il s'agira d'un système complètement distinct, fonctionnant quotidiennement de 00 UTC jusqu'au jour 46 avec 100 membres. Le cycle 48r1 sera la première mise à jour des prévisions du CEPMMT à être produite dans notre nouveau centre de données à Bologne, en Italie.
Cette mise à niveau du cycle représente une étape importante dans la démarche du CEPMMT visant à fournir des prévisions toujours plus précises des phénomènes météorologiques qui nous affectent le plus.