B.13 - Prévisions numériques de précipitation

Contexte

Il existe deux familles de méthodes permettant de prévoir les précipitations futures :

• la modélisation de l'atmosphère, à laquelle cette fiche est consacrée ;
• les méthodes des analogues hydrométéorologiques (fiche B.14).

Principes de la prévision numérique en météorologie

Les systèmes numériques de prévision météorologique travaillent en deux grandes étapes :

• l'assimilation de données qui permet de prendre en compte les observations récentes pour définir au mieux l'état de l'atmosphère au démarrage de la prévision,
• et la modélisation du comportement de l'atmosphère pour faire évoluer l'état initial jusqu'à l'échéance recherchée.

Pour rendre compte des évolutions « à grande échelle » de l'atmosphère décrites par la mécanique des fluides, l'atmosphère est représentée sous une forme maillée qu'on peut se représenter comme un Rubik's cube géant avec des intersections tous les 10 à 20 km à l'horizontale pour une grille régulière et sur plus de 70 niveaux sur la verticale (Fig. 1). Certains comportements « physiques » (décrits notamment par la thermodynamique pour les changements de phase) doivent être pris en compte à une plus petite échelle (infra-maille).

Assimilation des observations

La première étape correspond à l'assimilation des observations. Il s'agit d'intégrer ces données aux points de grille du modèle numérique (Fig. 1) pour définir les conditions initiales et les conditions limites (aux frontières de la zone modélisée). On peut comparer cette étape à la prise en compte en temps réel (assimilation) de l'estimation de l'humidité du sol ou de l’observation d’un niveau dans un karst pour mettre à jour le niveau d'un réservoir dans un modèle hydrologique conceptuel continu.

Cette étape débute par le tri des observations (stations météorologiques au sol, radio-sondages, données satellitales...) pour refuser des données potentiellement fausses ou amenant des instabilités du modèle.

Toutefois, la connaissance imparfaite des conditions initiales et des conditions aux limites liée aux incertitudes sur les observations, à leur densité plus ou moins forte est une première cause d'incertitude sur les prévisions. Cette incertitude aura pour conséquence de limiter la prévisibilité (« effet papillon »). L'assimilation proprement dite est une procédure probabiliste qui vise à trouver le juste équilibre entre l'incertitude associée à chaque observation et l'incertitude de modélisation.

Une prévision à une échéance supérieure à 2 jours nécessite d'avoir assimilé les observations faites sur la majeure partie de l'hémisphère nord. Pour un horizon supérieur à 5 jours, les observations sur l'ensemble du globe doivent être assimilées.

Modélisation de la dynamique de l'atmosphère

L'atmosphère est décrite comme un milieu continu et la résolution des équations de la dynamique (formules de Navier-Stokes) permet de prévoir son évolution. Les variables de base (la pression, le vent (vecteur vitesse sur ses 3 composantes x,y,z), la température...) sont discrétisées sur la maille du modèle pour permettre une résolution numérique de ces équations.

L'incertitude sur cette étape est fortement liée à la finesse de la maille et à la validité de l'hypothèse de variations modérées des grandeurs physiques d'une maille à l'autre.

Modélisation des processus physiques infra-maille

Certains processus physiques ont lieu à une échelle inférieure à la maille (par exemple les changements de phase). La complexité et la méconnaissance des processus, ainsi que le délai limité de calcul pour élaborer la prévision, imposent de traiter certains processus par une paramétrisation « physique » : ces derniers sont simulés de façon implicite (en estimant les entrants et sortants interagissants avec le reste de l'atmosphère sans décrire explicitement la physique interne du processus). Il s'agit en quelque sorte de « modèles conceptuels » (comme en hydrologie). Un exemple de processus qui intéresse les hydrologues en est la prévision des précipitations (cf. ci-dessous).

Prévision des précipitations

Précipitations stratiformes

Méthode de prévision

Les précipitations stratiformes (fiche B.01) sont générées par des structures atmosphériques de moyenne à grande échelle dont l'évolution peut être suivie par la partie dynamique du modèle. L'humidité de l'air est calculée dans chaque maille du modèle et à chaque pas de temps. Si elle atteint le niveau de saturation dans une maille, le modèle fait précipiter le « surplus » en eau dans la maille juste en dessous. Le processus se poursuit de maille en maille jusqu'à désaturation d'une maille inférieure ou jusqu'au sol (pluie). Des paramétrisations supplémentaires essayent de prendre en compte le temps de chute, voire le décalage spatial...

Incertitudes sur les prévisions

La qualité des prévisions de précipitation dépend du bon positionnement des centres d'actions (dépressions..), des zones de conflit (fronts) et de la bonne estimation du contenu en eau, des vents et des forçages d'altitude associés (stage Météo-France « Étude de cas »).

L'incertitude relative à la localisation et/ou la chronologie des précipitations stratiformes frontologiques est liée à la grande échelle. À l'intérieur des fronts, certaines parties peuvent être plus actives en lien avec les forçages d'altitude. Les précipitations stratiformes orographiques sont relativement faciles à prévoir à grande échelle. L'intensité des pluies dépend beaucoup de l'axe du flux par rapport à l'axe du relief et de la force du flux. La localisation des plus forts cumuls peut varier ainsi de 30 à 50 km. Des intensités horaires maximales sont données par certains CPR de la DIRSE avec une fiabilité satisfaisante pour le SPC Med Est.

Le tableau 1 (section 6) donne quelques ordres de grandeur des incertitudes, tels que vécus par les prévisionnistes de crue. Il est toutefois délicat d’être précis, notamment, car les modèles sont régulièrement améliorés (2 fois par an environ) pour réduire ces incertitudes. Météo-France évalue ses prévisions et donc leurs incertitudes (cf. section 5).

Précipitations convectives

Les précipitations convectives proviennent de structures atmosphériques plus petites que les précédentes (fiche B.01) et dont l'évolution, souvent rapide, ne peut pas être suivie en détail par la partie dynamique des modèles. En particulier, il n'est pas possible de simuler les ascendances et subsidences locales dont l'échelle spatiale est inférieure à celle d'une maille.

Prévision par des modèles hydrostatiques (de type ARPEGE ou CEPMMT)

L'activité convective est modélisée comme uniforme sur toute la maille. Cette simplification n'est pas sans conséquence, notamment sur les zones de relief où la finesse de la maille ne permet pas de rendre compte des vents locaux (convergence...): on constate que les résultats des modèles sont nettement moins bons dans les régions à relief, et ce dès 500 à 600 m d'altitude hors plateaux à relief non tourmenté. Elle peut entraîner quelques fois des rétroactions indésirables à plus grande échelle.

Prévision par des modèles non hydrostatiques (de type AROME)

Les phénomènes convectifs marqués sont caractérisés par des échelles spatiales inférieures à celles permettant d'employer l'hypothèse hydrostatique employée par la plupart des modèles météorologiques. Les modèles à maille très fine comme AROME n'utilisent plus cette hypothèse et simule explicitement la convection marquée. Ces modèles bénéficient d'une meilleure description du relief et d'une assimilation plus riche (dont réflectivité et vents 3D par les radars météorologiques Doppler).

Les travaux de ces dernières années ont permis des apports significatifs permettant de confirmer des modèles conceptuels. AROME peut ainsi prévoir des systèmes fortement convectifs, voire différencier leur localisation contre le relief ou plus en aval du flux. Cependant des limites persistent, liées :

• au spin-up du modèle météorologique ;
• aux interactions aux limites du domaine modélisé par le modèle fin avec le modèle de grande échelle définissant ces conditions aux limites, qui peuvent entraîner un décalage de 100 à 150 km d'un phénomène, la création ou l'absence de création erronée de convection... ;
• à une mauvaise assimilation de petite échelle amenant un déclenchement intempestif ou mal localisé (avec un décalage de l'ordre de 50 km ou erreur de convection)

Incertitudes sur les prévisions

Il faut distinguer les précipitations convectives de traîne océanique, les précipitations convectives dues à l'évolution diurne et les systèmes convectifs de plus grande ampleur (souvent d'origine méditerranéenne) qui se créent à l'intérieur de la masse d'air chaud d'une perturbation (et non dans la traîne) et qui peuvent prendre plusieurs formes (super-cellule, ligne de grains, ou multi-cellule).

De façon générale, il n'est aujourd'hui pas possible de prévoir la localisation fine des intensités maximales de pluie. Les prévisionnistes météorologistes peuvent actuellement repérer les conditions favorables au développement des systèmes orageux de grande ampleur 24 heures à l'avance environ (avec une incertitude spatiale de 50 à 150 km environ, cf. annexe). Une prévision à une échelle plus fine n'est pas possible actuellement. Les perspectives d’amélioration de ces prévisions concernent les échéances de 1 à 3 h (développement par Météo-France de nouveaux outils de prévision immédiate comme l’extrapolation de la lame d'eau observée) et les échéances de 3 à 6 h (utilisation à fréquence horaire du modèle AROME « Prévision Immédiate »). Une approche ensembliste (fiche C.03) à petite échelle est également envisagée à partir du modèle Arôme mais présente également des limites.

Les cumuls sont généralement faibles à l'échelle d'un bassin versant pour des orages de traîne, ce qui n'est pas le cas des précipitations convectives de grande ampleur. Les orages d'évolution diurne peuvent conduire à des montées rapides (notamment sur le pourtour méditerranéen).

Des ordres de grandeur de ces incertitudes sont fournis dans le tableau 1 (section 6).

Exemple 1. Le SPC Méd Est applique subjectivement le cumul « max local » du bulletin de prévision à une surface d’environ 200 km² pour ce qui concerne les activités orageuses en air chaud : l’incertitude spatiale « moyenne » est de l’ordre de 100 km (des erreurs plus importantes ont été observées, par exemple sur Draguignan). Le ressenti de la prévisibilité météorologique conduit ce SPC à chercher à mettre à jour ses sorties toutes les 3 à 6 h.

Post-traitements statistiques

Comme pour les modèles hydrologiques et hydrauliques, l'incertitude associée à la modélisation peut être réduite et caractérisée par des approches statistiques complémentaires à la modélisation dynamique et physique. Ces opérations sont appelées post-traitement des prévisions brutes. Plusieurs approches sont possibles : analyse a posteriori des erreurs (comparaison des prévisions aux observations, fiche C.07), par exemple pour déterminer un biais sur les températures ; emploi de méthodes séquentielles comme le filtre de Kálmán.

Comme toute approche statistique, ces méthodes apportent une plus-value sur les situations fréquemment rencontrées. Elles doivent être cependant critiquées, en particulier en cas de situation extrême (arrivée d'air saharien en Corse ou sur le Sud-Ouest par exemple) ou phénomène particulier comme les isothermies importantes amenant une grande baisse de la limite pluie/neige.

Les premières variables à avoir bénéficié de post-traitement ont été les prévisions de température. Ces dernières années, ce type de traitement a été appliqué également à l'humidité et au vent. L'échelle de traitement est de l'ordre de 50 km² (à comparer à une maille de 100 à 400 km²) autour d'un point d'observation à 24 h à 48 h. Il n'y a pas à ce jour de post-traitement statistique opérationnel pour affiner l'estimation des précipitations.

Expertise humaine dans l'élaboration des prévisions

Les prévisions de précipitation brutes peuvent faire l'objet d'une critique humaine avant leur diffusion (notamment pour la transmission aux SPC). Cette expertise repose sur la connaissance des erreurs des modèles météorologiques et de la comparaison entre les observations et prévisions récentes.

Analyse synoptique et cascade d'échelle

La qualité d'une prévision météorologique dépend fortement de la résolution recherchée : le plus souvent, plus l'échelle spatio-temporelle est petite, plus la prévision est difficile.

Les prévisionnistes du Centre national de la Prévision (CNP) de Toulouse comparent différents modèles de grande échelle français et étrangers (entre eux et à l'observation des phénomènes moteurs de la situation du jour). Cette comparaison leur permet :

• de proposer aux prévisionnistes des Centres de Prévision régionaux (CPR) un scénario de référence avec un modèle et un run privilégié ;
• de modifier manuellement les sorties du modèle pour atténuer ou intensifier certaines variables, redessiner certaines zones, lisser certaines variations ou encore modifier la chronologie d'un événement... ;
• de quantifier subjectivement les incertitudes associées à cette prévision expertisée.

Les CPR quant à eux vont analyser la déclinaison régionale de ce scénario privilégié en fonction de leur connaissance de la région, des biais régionaux du modèle, de ses limites, de son adéquation aux observations récentes... Dans certains cas, le modèle de référence pour une région peut-être différent que pour les autres régions (en accord avec le CNP dans la quasi-totalité des cas). Il peut être choisi un scénario donné mais avec des cumuls de pluie plus importants...

Pour expertiser les prévisions aux échéances de 24 à 48 h, le CNP découpe la France en quelques grandes zones (4 à 5). De même, les CPR découpent leurs « régions » de compétence en quelques zones pour réaliser une expertise similaire.

L'expertise humaine vient de la compréhension des phénomènes (modèles conceptuels), de la pratique régulière et de la focalisation sur le sujet traité. L’échelle spatiale des petits bassins versants (de 200 à 700 km²) ne correspond pas, à ce jour, au travail habituel du prévisionniste du CNP ou du CPR. De même il n'y a pas généralement de travail sur la lame d'eau horaire. Ce travail est fait en général sur demande d'un usager externe (par exemple un SPC) ou lors de situation de crise marquée.

Base Symposium

Symposium est l'outil d'expertise des prévisions de Météo-France. Dans sa version 1.5, les prévisionnistes du CDM ou du CPR peut modifier directement les valeurs des paramètres par zone Symposium (en dehors des cumuls de précipitation tri-horaires, calculés de façon indirecte à partir du temps sensible). Cette méthode peut introduire des biais ou des incohérences spatiales.

La nouvelle version de cet outil (Symposium 2), fera intervenir un plus petit nombre de prévisionnistes et la cohérence des différentes interventions y sera améliorée. Les prévisionnistes pourront désormais effectuer des modifications sur des « objets météorologiques » qu'ils dessinent et non plus sur des zones fixes. Cette version introduit également de nombreuses adaptations statistiques permettant une extrapolation robuste (aux points de grille et en tenant compte de l'altitude) des modifications effectuées par le prévisionniste. Par ailleurs, les valeurs de certains paramètres pourront être accompagnées d'une indication quantitative sur leur incertitude.

Dans Symposium 2, la modification des cumuls de précipitation tri-horaires est encore initiée par le temps sensible. Le signal peut donc encore être « écrasé » par l'allongement de l'épisode pluvieux prévu (lissage).

Cette procédure peut se révéler inadaptée (par exemple autour du Golfe du Lion pour les très fortes pluies orageuses). Cette version permet une intervention humaine sur les RR3 dans le cadre d'un RR24.

À l'échelle des SPC : les bulletins de prévision (AP/BP)

L'attention du CPR sur les bulletins de prévision – la référence pour les SPC – est plus ou moins grande selon la charge du travail du CPR et le classement des priorités fait par celui-ci. En effet, le CPR gère en priorité les phénomènes qu'il juge les plus dangereux et les plus immédiats. Le CPR ne peut cependant pas intégrer la réactivité des cours d'eau (très forte en cas de saturation des bassins versants) dans son analyse : une action pro-active du SPC pour indiquer les cumuls critiques du jour peut aider à une meilleure focalisation du CPR sur les besoins.

La répartition des cumuls du BP selon la chronologie de la base Symposium reste la technique la plus pertinente actuellement en dehors du régime méditerranéen.

Évaluation des prévisions

Évaluation des prévisions de variables quantitatives

La plupart des variables météorologiques sont continues. Un contrôle qualitatif des champs prévus et des mises-à-jour est réalisé de façon systématique par Météo-France. Les prévisionnistes du CNP classent également les prévisions quotidiennes en catégories en fonction de la proximité des champs prévus aux champs observés. Ces catégories permettent d’avoir un ordre de grandeur des incertitudes communes.

Exemple 2. Le « contrôle » des prévisions du CNP à grande échelle (sur le domaine Aladin) se fait en classant les prévisions en 4 classes. La classe A correspond à des erreurs spatiales sur le positionnement des structures synoptiques (thalweg/dorsale/gradients/centres d’action) de l’ordre d’un huitième du pays et des décalages temporels inférieurs à 3 h pour les éléments dynamiques. Cette situation se rencontre dans 80 à 90 % des cas pour les modèles ARPEGE et CEP à une échéance de un jour (Fig. 2).

Exemple 3. Pour les variables en basse couche (précipitation sur 6 h (RR6), HU 850 hPa et 925 hPa, etc.), la classe A correspond à des décalages temporels inférieurs à 6 h et des erreurs spatiales inférieures à un quart du pays. Ces critères sont atteints environ une fois sur deux par les modèles ARPEGE et CEP à une échéance d’un jour.

Des scores qualitatifs sont également calculés pour décrire la précision et la fiabilité des prévisions. Avec l'arrivée d'AROME, des scores ont été définis à Météo-France qui peuvent être associés à une taille de bassins versants et non à un point de grille.

Exemple 4. Évaluations de la prévision du dépassement d'un seuil de 10 mm par le cumul de précipitation sur 6 heures en un point donné par le BSS (fiche D.10), en fonction de la plage horaire choisie (matin ou soirée) et de la tolérance spatiale (Fig. 3). On peut noter que le score est meilleur en hiver en été pour le score calculé sur la plage de 18 à 24 h (TU) du fait de la convection d'évolution diurne.

Évaluation des produits finaux expertisés

La vigilance météorologique est souvent évaluée sur la réalisation des phénomènes dangereux des domaines spatiaux de 2 à 3 départements : la réalisation du phénomène prévu sur au moins un de ces 3 départements est considéré en interne comme une vigilance réussie (même si certains utilisateurs finaux des départements où le phénomène ne s'est pas produit peuvent considérer ces situations comme étant des fausses alertes). Ainsi cette évaluation tient compte de l'incertitude (notamment spatiale) inhérente à la notion de vigilance. Cette évaluation fait l'objet d'une publication nationale annuelle.

Les productions issues de Symposium (au niveau de la zone) sont également évaluées de façon systématique. Les évaluations des bulletins de prévision de précipitation (BP) devraient bientôt fournir leurs premiers résultats (au moins pour la DIRSE).

Tableau récapitulatif sur les incertitudes de prévision des précipitations

Le tableau 1 donne quelques indications (ordre de grandeur) sur les incertitudes portant sur les prévisions de précipitation que les prévisionnistes de crue sont susceptibles de rencontrer.

Annexe - systèmes orageux de grande ampleur : très forte convection de type méditerranéen

Ces systèmes orageux peuvent être classés dans les 3 catégories décrites dans les diapositives ci-dessous. La multi-cellule est le phénomène le plus dangereux d'un point de vue inondation potentielle (cf. inondations historiques sur le Gard, Draguignan...). Les termes « orage peu mobile », « orage stationnaire », « orages multi-cellulaire » indiquent ce phénomène potentiellement très dangereux et nécessite une vigilance constante du SPC.

Voir également

Fiche A.05 – Évolution de l'incertitude avec l'horizon de prévision

Fiche B.01 – Précipitations stratiformes et convectives

Fiche B.14 – Méthode des analogues hydrométéorologiques

Fiche B.24 - Initialisation des modèles hydrologiques et incertitude résultante

Fiche C.03 – Emploi de prévisions d'ensemble météorologiques

Fiche C.07 – Apprentissage : analyse a posteriori des erreurs de prévision

Fiche D.10 – Score de Brier et BSS

Pour aller plus loin

• Météorologie : étude de cas. Stage de formation IFORE / Météo-France

https://catalogue.ifore.developpement-durable.gouv.fr/content/meteorologie-etude-de-cas

• Page Internet de Météo-France sur l'hypothèse hydrostatique.

http://comprendre.meteofrance.com/jsp/site/Portal.jsp?&page_id=2834&document_id=1049&portlet_id=1768

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