Module 9: Prévision numérique du temps et du climat

Question 1

OBJECTIFS

Answer 1

Au terme de ce cours, vous serez en mesure de:

• Différencier la prévision numérique du temps de la prévision numérique du climat (NC);
• Énumérer les différentes sources d’observations météorologiques utilisées pour préparer les prévisions (NC);
• Comprendre les anciennes méthodes de prévision (NC);
• Expliquer à quoi correspond la partie dynamique et physique des modèles de prévision (NC);
• Identifier les étapes à suivre pour la réalisation d’une prévision numérique du temps (NC);
• Définir sommairement ce que sont “les méthodes numériques” et leurs utilités (LO);
• Décrire sommairement les défis posés par la résolution des grilles et l’augmentation de la résolution spatio-temporelle (LO).

Question 2

Qu’est-ce que prédit les prévisions du temps?

Answer 2

Les prévisions numériques du temps permettent de prédire les principaux paramètres des conditions atmosphériques (ex. température, précipitations, vent, humidité…) pour les prochains jours.

Question 3

Combien de jours on peut faire le prévision du temps?

Answer 3

Ces dernières ne dépassent habituellement pas un horizon de cinq jours.

Question 4

Pourquoi le métier de météorologue est difficile?

Answer 4

Le métier de météorologue représente un niveau de difficulté variable selon l’endroit pour lequel on fait la prévision.

Question 5

Quelle région est plus difficile a évalué?

Answer 5

Par exemple, les météorologues des régions tempérées (ex. les météorologues d’Environnement Canada) ont un taux de succès dans leurs prévisions qui est
habituellement moindre que celui des météorologues qui réalisent les prévisions du temps pour
des régions plus tropicales. En effet, aux latitudes moyennes, la variabilité météorologique est
très importante comparativement au climat des régions tropicales et intertropicales. En fait, à nos latitudes, il existe une très grande variété de conditions atmosphériques qui peuvent être observées. Dans une journée, la neige peut côtoyer la pluie, le brouillard, des vents violents et un soleil radieux. Pour cette raison, dans nos régions, on dit que les prévisions sont assez
bonnes pour les deux prochains jours (exactes pour 75% du temps).

Question 6

Après combien de temps les prévision sont fiable et pas?

Answer 6

Après deux jours, les prévisions sont de moins en moins fiables, et après 10 jours, aucune confiance n’est accordée aux prévisions, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de différence significative entre la prévision numérique et celle faite au hasard.

Question 7

Comment Environnement Canada fait ses prévisions?

Answer 7

Les prévisions sur cinq jours que réalise Environnement
Canada sont faites au moyen de modèles informatiques sophistiqués (appelés modèles numériques) de données observationnelles et de son savoir-faire météorologique.

Question 8

Qu’est-ce qu’on offert au public pour voir les prévisions? Et à qui ça sert?

Answer 8

Les prévisions météorologiques profitent à tous pour la planification d’activités extérieures grâce, entre autres, aux cartes météorologiques produites quotidiennement (figure 9.1). Mais les prévisions sont aussi essentielles pour l’aviation, la navigation et les agriculteurs

Question 9

À quel domaine est associé la prévision du temps?

Answer 9

Météorologie

Question 10

À quel domaine est associé la prévision du climat?

Answer 10

Climatologie

Question 11

À quoi sert la modélisation climatique?

Answer 11

La modélisation climatique sert à prédire les changements globaux que pourrait subir la Terre
dans les 30, 100 ou 1 000 prochaines années (ex. effets de l’augmentation des gaz à effet de serre (GES) sur la température moyenne de la planète).

Question 12

À quoi sert la prévision numérique du climat?

Answer 12

La prévision numérique du climat cherche à évaluer quelles seront les nouvelles normales climatiques pour une région donnée dans un horizon assez lointain (ex. 2071–2100) et ne cherche surtout pas à prévoir précisément quel temps il fera le 13 mai 2082!

Question 13

Comment on peut évaluer les changements climatiques?

Answer 13

Actuellement, les prévisions numériques du climat servent surtout à mieux évaluer les transformations climatiques associées à l’augmentation croissante des gaz à effet de serre dans l’atmosphère, afin de mieux évaluer l’effet des changements climatiques sur l’environnement physique et humain.

Question 14

Sur quoi sont basés les modèles numérique du climat et du temps?

Answer 14

Les modèles numériques de prévision du temps et du climat sont à la base très similaires car ils sont tous deux basés sur les lois physiques qui gouvernent l’évolution du fluide atmosphérique

Question 15

Comment on fait pour prévoir les changements futurs de l’atmosphère?

Answer 15

Pour prévoir les changements futurs de l’atmosphère, il faut être en mesure de connaître l’état de l’atmosphère à un moment précis, c’est-à-dire les conditions initiales. Comme le nom l’indique, ces conditions servent de point de départ aux simulations qui sont réalisées avec les modèles informatiques sophistiqués.

Question 16

Qui s’occupe de superviser la collecte des données au niveau International?

Answer 16

C’est l’Organisation météorologique mondiale (OMM) qui s’occupe de superviser la collecte de ces données au niveau international. Bref, toutes les données que les pays amassent servent aux autres, et l’OMM fait la gestion de tous ces échanges. Pour cela, l’OMM a créé des centres régionaux (figure 9.2) qui s’assurent de répartir les différentes données météorologiques aux États membres de l’OMM.

Question 17

Pourquoi les services de données météorologique dans le monde s’échangent des données?

Answer 17

Dans les faits, les différents services de prévision météorologique dans le monde échangent des données avec les autres services météorologiques nationaux, car ils ont besoin de connaître les conditions initiales pour un territoire beaucoup plus vaste que celui pour lequel ils réalisent les prévisions.

Question 18

De quelle façon les données s’échangent?

Answer 18

Les systèmes de télécommunication utilisés sont très performants, car un volume considérable de données est échangé plusieurs fois par jour. En effet, les météorologues réalisent leurs prévisions numériques du temps, en lançant des simulations sur leur modèle, de nombreuses fois par jour.

Question 19

Les observations météorologiques proviennent de différentes sources. Lesquelles? (5)

Answer 19

1. Stations météorologiques de surface
2. Stations de sondage aérologique
3. Stations au-dessus des océans
4. Contribution de l’aviation civile
5. Satellites météorologiques

Question 20

Qu’est-ce que les stations météorologique du surface mesurent et à quelle intervalle? Combien il en a dans le monde?

Answer 20

Il y a plus de 11 000 stations (figure 9.4) météorologiques réparties dans le monde qui mesurent différents paramètres (pression atmosphérique, vitesse et direction du vent, température de l’air et humidité…) à un intervalle inférieur à trois heures.

Question 21

Station de sondage aéorologique. Il y en a combien dans le monde? Elle mesure quoi et à quelle fréquence?

Answer 21

Il y a 900 stations (figure 9.5) qui mesurent, à l’aide
de ballons-sondes, différents paramètres météorologiques (pression atmosphérique, vitesse et direction du vent, température de l’air et humidité…) entre la surface et 30 km d’altitude. Le 2/3 de ces stations lancent des ballons-sondes deux fois par jour à 00h00 UTC et 12h00 UTC. Les autres stations lancent un seul ballon-sonde par jour. Les sondages mesurés au-dessus des océans sont réalisés à partir de ballons-sondes, envoyés par des systèmes automatisés, installés sur une quinzaine de bateaux.

Question 22

Station au-dessus des océans. Combien il y en a et elle mesure quoi?

Answer 22

Il y a 7 000 bateaux, 750 bouées ancrées ou dérivantes, et plusieurs plateformes (figure 9.6) qui mesurent les mêmes paramètres météorologiques que les stations terrestres. De plus, ces stations mesurent la température de l’eau, la hauteur et la fréquence des vagues

Question 23

Contribution de l’aviation civile. Combien il y en a et elle mesure quoi?

Answer 23

Il y a plus de 3 000 avions qui, lors du décollage et de
l’atterrissage, prennent des mesures de pression, de vitesse du vent et de température dans l’atmosphère. La contribution de l’aviation civile permet de couvrir les secteurs qui ne sont pas desservis par une station aérologique. Au total, c’est 300 000 rapports (profils) qui sont transmis à l’OMM chaque jour

Question 24

Satellites météorologiques. Combien il y en a et il servent à quoi?

Answer 24

: Il y a cinq satellites en orbite polaire qui fournissent des profils verticaux de température et d’humidité dans les zones sans nuages. À cela s’ajoutent six satellites géostationnaires qui mesurent la vitesse du vent entre les tropiques en suivant le déplacement des nuages et de la vapeur d’eau de cette région.
D’autres satellites sont aussi utilisés pour la transmission des données entre les différents centres régionaux de l’OMM.

Question 25

Quels sont les anciennes méthodes de prévision avant l’arrivée des ordinateur? (2)

Answer 25

1. Méthode des tendances

2. Méthode par analogie

Question 26

Qu’est-ce que la méthode des tendances?

Answer 26

Dans un premier temps, il s’agit de connaître la vitesse et la direction de déplacement des systèmes météorologiques (ex. dépressions, zones de
précipitations). Dans un deuxième temps, on considère que cette direction et cette vitesse sont relativement constantes au cours du temps et de l’espace et ainsi on peut donc prédire à quel moment le système atteint une nouvelle région donnée.

Question 27

Qu’est-ce que la méthode par analogie?

Answer 27

Cette méthode consiste à analyser les patrons des cartes météorologiques issues des observations et à rechercher un cas similaire dans le passé. Le prévisionniste prédit alors que le temps évolue de la même façon que dans le passé.

Question 28

Pourquoi le temps de calcul est si important?

Answer 28

Un des principes de base est que le temps de calcul nécessaire à la production de la simulation numérique doit être nettement inférieure à la durée de l’évolution réelle de l’atmosphère que l’on simule. Autrement dit, la simulation du temps qu’il fera dans 24 heures ne doit pas prendre 48 heures!

Question 29

Qu’est-ce que la partie dynamique des modèles numériques? Et à quoi obéit le système climatique?

Answer 29

Le système climatique obéit à des lois physiques qui ne sont que la version mathématique de l’expression « rien ne se perd, rien ne se crée ». C’est en fait la partie dite dynamique des modèles numériques.

Question 30

Sur quoi s’appui les lois de la physique?

Answer 30

Ces lois physiques s’appuient sur des principes de conservation de la masse, d’énergie et de quantité de mouvement

Question 31

Quelles sont les équations des lois de la physique?

Answer 31

• l’équation de conservation de la quantité de mouvement (vent);
• l’équation du transfert radiatif (rayonnement);
• l’équation hydrostatique (gravité, pression et densité);
• l’équation de continuité (conservation de la masse);
• l’équation d’état (pression, volume, température);
• l’équation thermodynamique (température);
• l’équation de conservation pour l’eau (humidité, densité)

Question 32

Qu’est-ce que les lois dictent? Et quelles variable elles utilisent?

Answer 32

Ces lois dictent l’évolution du fluide atmosphérique en gouvernant les variables météorologiques suivantes : la température, la pression, la vitesse du fluide (vent), le contenu en eau de l’atmosphère et la densité du mélange de gaz atmosphériques

Question 33

Sous quelle forme sont présentée ces lois?

Answer 33

Les lois physiques apparaissent sous forme d’équations mathématiques où les différents termes représentent les mécanismes (ex. le rayonnement solaire, infrarouge…) qui influent sur les variables
météorologiques.

Question 34

À quel moment on trouve un système de sep équations à sept inconnus?

Answer 34

Lorsque les lois sont exprimées sous forme mathématique pour représenter l’écoulement d’un fluide à la surface d’une sphère en rotation (c’est-à-dire la circulation atmosphérique à la surface de la Terre), on trouve un système de sept équations à sept
inconnues

Question 35

Quels sont les 7 inconnus?

Answer 35

1- la densité de l’air;
2- la vitesse ouest–est de l’air (vent zonal);
3- la vitesse nord–sud de l’air (vent méridional);
4- la vitesse verticale de l’air (vent vertical);
5- la température de l’air;
6- la pression atmosphérique;
7- la quantité de vapeur d’eau dans l’air.

Question 36

Comment ces inconnus se présentent?

Answer 36

Ces inconnus se présentent sous forme d’équations différentielles non linéaires couplées pour lesquelles il n’existe pas de solution exacte.

Question 37

Qu’est-ce que les ‘‘recettes mathématiques’’?

Answer 37

Il existe cependant des sortes de « recettes
mathématiques » qu’on appelle méthodes numériques et qui permettent de trouver une solution approximative. Cependant, cela demande d’énormes capacités de calcul d’où la nécessité de recourir à la puissance de calcul des ordinateurs

Question 38

Dans la partie physique d’un modèle de prévision numérique, on cherche à évaluer quoi exactement?

Answer 38

L’effet des phénomènes qui jouent un rôle significatif dans l’évolution de l’état du fluide atmosphérique,
mais qui ne sont pas pris en compte dans la partie dynamique.

Question 39

Pourquoi l’effet des phénomènes n’est pas inclut dans la partie dynamique?

Answer 39

Souvent, ils ne sont pas inclus dans la partie dynamique, car ces phénomènes sont plus petits que la maille (résolution spatiale) du modèle (cela se nomme des phénomènes d’échelle sous-maille).

Question 40

Donnez un exemple de phénomènes plus petits que la maille?

Answer 40

Par exemple, un orage est considérablement plus petit que la maille de la plupart des modèles. Dans le cas d’un orage pris isolément, on pourrait se permettre de le négliger dans le cadre d’une prévision à
l’échelle d’un pays ou d’un continent. Mais une zone orageuse, comprenant de nombreux petits orages dans un domaine géographique étendu, a un impact important sur le déroulement du cas qui fait l’objet de la prévision, de par la production d’une quantité appréciable de pluie et de son effet sur le bilan énergétique de l’atmosphère. On doit donc donner aux orages une existence au sein du modèle afin de dissiper l’énergie convective en respectant les considérations d’échelle.

Question 41

Quels sont les phénomènes d’échelle sous-maille représentés par les concepteurs des modèles?

Answer 41

1- la convection verticale (dont font partie les orages);
2- la physique des nuages (condensation, collection et collision des gouttes…);
3- l’effet des montagnes et des irrégularités du terrain

Question 42

Quel mot utilise-t-on pour dire les phénomènes d’échelle sous-maille?

Answer 42

Dans le jargon des modélisateurs, ces phénomènes sont dits « paramétrés ».

Question 43

Qu’est-ce que le paramétrage?

Answer 43

Le paramétrage d’un phénomène est variable selon l’échelle temporelle de travail.

Question 44

Donnez un exemple du paramétrage.

Answer 44

Par exemple, si une simulation climatique est réalisée sur une période de 30 ans, les nuages ne sont pas paramétrés de la même façon que dans un modèle qui réalise des prévisions à court terme (ex. 5 jours). La résolution spatiale (grandeur de la maille/grille) du modèle influence elle aussi le paramétrage choisi pour un phénomène.

Question 45

Les paramétrages des phénomènes d’échelle sous-maille prennent quelle forme?

Answer 45

Les paramétrages des phénomènes d’échelle sous-maille prennent habituellement la forme de petits modèles souvent très simplifiés, qui permettent d’évaluer leur effet moyen sur une maille pour compenser le fait qu’ils ne sont pas résolus dans la partie dynamique du modèle.

Question 46

Qu’est-ce qu’on doit savoir si on veut connaître l’évolution de l’atmosphère à un temps ‘‘x’’?

Answer 46

Pour connaître l’évolution de l’état de l’atmosphère à un temps t + dt (t = présent et dt étant le pas de temps du modèle), il faut connaître l’état de l’atmosphère à l’instant t (conditions initiales du moment présent).

Question 47

Pourquoi l’état initial est si important?

Answer 47

La détermination de l’état, à l’instant initial de la prévision, des variables traitées par les équations différentielles est donc une étape fondamentale de la
prévision numérique. Cet état, qui est une estimation de l’état réel de l’atmosphère, est évalué
à partir de l’ensemble des données d’observation disponibles (voir section 9.2).

Question 48

Première étape du déroulement d’une prévision du temps à l’aide d’un modèle numérique?

Answer 48

Tout d’abord, le service météorologique national (ex. le service météorologique d’Environnement Canada) qui fait une prévision obtient l’ensemble des observations météorologiques nécessaires pour initialiser leur modèle de prévision numérique. L’OMM permet d’échanger rapidement et facilement les données météorologiques à l’échelle de la planète.

Question 49

Deuxième étape du déroulement d’une prévision du temps à l’aide d’un modèle numérique?

Answer 49

Par la suite, les simulations informatiques sont lancées, c’est-à-dire que l’état futur des paramètres météorologiques est calculé par le modèle numérique dans chacune des cellules (les « petites boîtes ») qui composent la grille du modèle et cela pour chacun des pas de temps que dure la simulation. Dans les faits, il faut savoir que les simulations sont relancées plusieurs fois par jour afin d’obtenir de meilleures prévisions.

Question 50

Troisième étape du déroulement d’une prévision du temps à l’aide d’un modèle numérique?

Answer 50

À la fin des calculs, le modèle donne les nouvelles valeurs des variables météorologiques (ex. température, humidité, vent…) pour chacune des cellules. Ces valeurs sont ensuite transcrites
automatiquement sur une carte météorologique pour être évaluées par les prévisionnistes. Ceux-ci comparent les résultats de la prévision numérique à d’autres sources d’information, comme les images radars et satellites pour confirmer la validité de la prévision.

Question 51

Quatrième étape du déroulement d’une prévision du temps à l’aide d’un modèle numérique?

Answer 51

Finalement, les prévisions sont diffusées sur le site web d’Environnement Canada.

Question 52

Différence entre la prévision du temps et du climat? (1ère)

Answer 52

Le premier aspect les distinguant est que les modèles de prévision du temps travaillent à très court terme (5 jours habituellement) et que ceux destinés à des simulations climatiques réalisent des intégrations sur des périodes supérieures à 30 ans

Question 53

Différence entre la prévision du temps et du climat? (2e)

Answer 53

Cependant, les deux types de modèles partagent la même dynamique, car les lois physiques qui
dictent l’évolution du fluide atmosphérique restent les mêmes, à l’exception de la partie physique du modèle, qui elle, change selon la résolution spatiale et temporelle désirée.

Question 54

Différence entre la prévision du temps et du climat? (3e)

Answer 54

Les modèles de prévisions du temps ont habituellement une résolution spatiale plus fine que les modèles climatiques. Cependant, les modélisateurs qui travaillent sur le climat ont eux aussi développé des modèles de prévision du climat (modèles régionaux du climat) qui permettent d’obtenir des résolutions spatiales comparables aux modèles utilisés par les météorologues pour la prévision à court terme.