Directives sur les techniques de prévision immédiate – Résumé

27 novembre 2019
  • Author(s):
  • Franziska Schmid, Yong Wang et Abdoulaye Harou

Une équipe internationale d’experts spécialisée dans la prévision immédiate a élaboré les Directives de l’OMM concernant les techniques de prévision immédiate (OMM, 2017), afin d’engager la mise en place d’un Système de traitement des données et de prévision (STDP) intégré et sans discontinuité renforcé à l’OMM. L’objectif est de fournir aux Services météorologiques et hydrologiques nationaux (SMHN) des informations et des connaissances leur indiquant comment ils peuvent établir un système de prévision immédiate avec les ressources dont ils disposent et leur permettant de comprendre l’état actuel de la science et de la technologie. Le présent article résume ces directives.

C’est Keith Browning qui, en 1981, a donné la première définition de la prévision immédiate: «la description en détail de l’état actuel du temps et la prévision des changements qui peuvent être attendus dans un délai de quelques heures à l’avance.» En 2010, le Groupe de travail de l’OMM sur la recherche en prévision immédiate a défini la prévision immédiate comme une prévision assurant un grand niveau de détail local, de l’instant actuel jusqu’à 6 heures d’échéance, quelle que soit la méthode, et comprenant aussi une description détaillée du temps présent. C’est cette définition qui est utilisée dans cet article.

La prévision immédiate s’applique généralement aux conditions météorologiques de méso-échelle et d’échelle locale à très brève échéance. Elle répond essentiellement à la nécessité d’obtenir des observations haute résolution, mises à jour rapidement, de phénomènes tels qu’orages, tornades, grêle, fortes précipitations, vents violents, visibilité (brouillard) et précipitations hivernales. Un spécialiste de la prévision immédiate qualifié a besoin d’un système d’affichage intégré pour pouvoir visualiser les observations issues de différents instruments et capteurs sur le même écran, avec la même maille pour chaque jeu de données. Les observations peuvent provenir de radars, de satellites, de réseaux de détection de la foudre, de stations d’observation en surface, de profileurs de vent ou encore de radiosondes. En cas de phénomènes météorologiques à fort impact, les prévisionnistes doivent suivre en continu les toutes dernières observations au moyen de systèmes d’affichage intégrés fréquemment mis à jour. Outre les observations haute résolution, ils doivent pouvoir visionner, sur le même écran, les champs et produits de la prévision et de l’analyse issus des modèles de prévision numérique du temps (PNT) utilisés par les systèmes de prévision immédiate.

 

Observations et techniques de prévision immédiate

Si les observations en surface et en altitude sont importantes pour la prévision immédiate, seuls les systèmes de télédétection peuvent procurer une couverture spatiale haute résolution adéquate. Les pays développés dotés de systèmes radar matures et robustes ont été en mesure de concevoir des techniques de prévision immédiate très élaborées. Mais dans les pays moins développés et les zones reculées, les radars opérationnels nécessaires à la prévision immédiate font défaut.

Les radars météorologiques sont les instruments les plus importants pour la prévision immédiate, notamment pour la prévision des phénomènes convectifs. Cependant, ce sont aussi des instruments très coûteux, très élaborés, et difficiles à entretenir. Les radars sont supérieurs à l’ensemble des autres systèmes d’observation pour ce qui est de la prévision immédiate des phénomènes associés aux précipitations, dans la mesure où ils observent directement les particules précipitantes en trois dimensions sur une vaste surface, avec des mises à jour toutes les quelques minutes. Avec des radars d’une portée inférieure à 60 km, la résolution des précipitations est inférieure à 1 km. Cela permet: a) d’estimer l’intensité et le volume des précipitations; b) d’observer la structure tridimensionnelle (3D) d’une tempête, approche qui s’est révélée utile pour estimer l’intensité de ces phénomènes; et c) de déterminer le mouvement des tempêtes, paramètre qui revêt une importance centrale pour la prévision immédiate. En équipant les radars d’un Doppler, on peut en outre mesurer les vents. Cette fonction est particulièrement utile pour l’émission d’avis de tornades, de microrafales et autres vents destructeurs. Si, de surcroît, le radar est à polarisation double (transmission et réception de deux formes d’onde polarisées différemment), il est possible de différencier le type de particule précipitante (pluie, neige ou grêle) et de distinguer les échos ne venant pas de précipitations, insectes et échos de sol par exemple. Il s’agit là d’un avantage précieux pour le contrôle de la qualité des données, la détermination du type de précipitations et l’amélioration des estimations des précipitations.

Les stations météorologiques d’observation en surface sont dispersées et/ou de qualité médiocre dans de nombreuses régions du monde. Il arrive que les stations existantes soient mal situées (selon les normes de l’OMM), mal entretenues et dotées de communications limitées, peu adaptées à la surveillance en temps réel. Dans les pays en développement, le manque de ressources disponibles pour l’acquisition et le déploiement des instruments et le fait que le personnel météorologique local ne soit pas formé pour choisir les sites d’installation idoines et calibrer et entretenir correctement le matériel exacerbent les problèmes de qualité des observations. Les instruments météorologiques disponibles sur le marché coûtant relativement cher, il est fréquent, en cas de panne ou de vol, que les instruments ne soient pas remplacés. Par conséquent, les observations météorologiques sont manquantes pour certaines régions critiques.

The Guidelines for Nowcasting Techniques

Les Directives concernant les techniques de prévision immédiate (Guidelines for Nowcasting Techniques) ont été publiées par l’OMM en 2017 et peuvent être consultées en ligne à l’adresse: https://library.wmo.int/doc_num.php?explnum_id=3795

Une initiative internationale a été lancée pour faciliter l’élaboration et le déploiement d’instruments météorologiques à faible coût dans ces régions où les données sont rares. L’objectif est de fournir aux services météorologiques des pays en développement des technologies qui leur permettront de construire, déployer et entretenir leur propre réseau d’observation en surface. Les instruments ont été conçus à l’aide de nouvelles technologies innovantes à faible coût telles que les imprimantes 3D, de petits systèmes informatiques bon marché (par exemple, Raspberry Pi) et les communications sans fil. En cas de destruction d’une station ou de panne d’un capteur, les équipements endommagés peuvent être remplacés à moindre coût par des modèles imprimés en 3D. Grâce à Internet, aux communications sans fil, à la couverture mobile et à l’arrivée d’ordinateurs plus rapides, les données des stations d’observation en surface peuvent aujourd’hui être transmises rapidement.

Les techniques de prévision immédiate sont multiples, allant de l’extrapolation simple des échos radar des précipitations ou d’animations en boucle d’images de nuages observés par satellite à des systèmes élaborés associant sorties d’algorithmes de détection et de prévision immédiate des caractéristiques et affichage intégré et rapidement mis à jour d’observations et de sorties de modèles PNT. La nature transitoire et l’échelle plus réduite de certains types de phénomènes météorologiques (tornades et microrafales par exemple) dictent généralement le type de technique de prévision immédiate pouvant être appliquée pour l’émission d’avis de conditions météorologiques extrêmes; dans ces situations, on utilise fréquemment des techniques d’extrapolation simples. (Pour les phénomènes météorologiques à plus longue échéance et plus étendus dans l’espace, les systèmes de prévision immédiate ont été conçus pour exploiter les observations en association avec les prévisions PNT, de manière à étendre l’échéance des directives d’aide à la prévision immédiate jusqu’à 6 heures.)

Un système expert de prévision immédiate des orages peut s’appuyer sur: a) des satellites, pour surveiller les lignes de cumulus (lignes de convergence) et la croissance des cumulus; b) des radars, pour identifier les orages, leur intensité et leur mouvement, et déterminer la localisation et le mouvement des lignes de convergence dans la couche limite; c) la foudre et ses tendances pour remplacer les éléments manquants relatifs à la localisation de la cellule orageuse et son évolution qui ne sont pas observés par les radars; d) la température, l’humidité et les vents en altitude, pour obtenir les profils de cisaillement vertical du vent et de stabilité, et estimer la nature potentielle de la perturbation; et e) les stations d’observation en surface pour surveiller les changements potentiels de la stabilité atmosphérique. On ne dispose que d’observations limitées en de nombreux endroits de la planète. Par conséquent, la capacité d’établir des prévisions immédiates de phénomènes spécifiques est très variable.

Les prévisions immédiates quantitatives des précipitations reposent sur une extrapolation des champs de précipitations dans le futur. L’advection utilisée pour établir les prévisions immédiates est déduite du mouvement apparent analysé à l’aide des images radar les plus récentes. En règle générale, l’advection est estimée au moyen d’une corrélation croisée ou d’une méthode de flux optique utilisant des dalles de 20–40 km. Le plus souvent, la méthode employée pour projeter l’image à un moment donné dans le futur par advection nécessite de calculer une estimation de l’advection à chaque pixel du champ. Il faut procéder à une certaine forme d’interpolation pour répartir les estimations d’advection à l’échelon des dalles sur l’image entière. Dans un premier temps, l’algorithme d’extrapolation identifie les tempêtes en tant qu’objets sur l’image du balayage radar en cours; il suit ensuite le mouvement de la tempête en identifiant le même objet sur les images de balayage successives. Cette méthode dite de suivi des cellules orageuses est adaptée pour l’identification et le suivi des tempêtes convectives intenses. La plupart du temps, les données obtenues sont utilisées comme données d’entrée par les systèmes qui émettent des avis pour différentes catégories de dangers associées aux phénomènes convectifs intenses: tempêtes de grêle, vents destructeurs, fortes pluies et foudre.

Les laps de temps associés à la prévision immédiate étant très courts, il est hautement souhaitable de disposer d’outils et de systèmes automatisés. Des systèmes de prévision immédiate automatisés sont utilisés dans le monde entier pour l’extrapolation des précipitations et des orages violents. D’autres outils de prévision immédiate sont employés pour la détection rapide des tendances des caractéristiques des orages, par exemple leur intensité, leur taille et leur mouvement. Bon nombre de ces outils se sont révélés particulièrement efficaces pour l’émission d’avis de phénomènes tels que les microrafales, les mésocyclones et l’accumulation de fortes pluies. Les utilisateurs des systèmes de prévision immédiate ont souvent besoin d’informations en temps réel pour leurs applications en aval et pour pouvoir évaluer rapidement la situation météorologique présente. Par conséquent, le temps de calcul disponible est limité, en particulier pour les paramètres météorologiques ayant une fréquence d’actualisation élevée, tels que les précipitations.

À l’inverse des modèles PNT, qui sont extrêmement élaborés et utilisent des paramètres physiques complets, induisant de longs temps de calcul, les systèmes de prévision immédiate doivent rester relativement simples, et la plupart sont conçus selon une approche heuristique. Dans ce contexte, le choix de l’heuristique signifie que l’utilisateur est disposé à accepter les inconvénients de la méthode adoptée (incertitudes, inexactitudes et possibilités d’application limitées par exemple), compte tenu des investissements en temps et en ressources disproportionnés qu’imposerait le choix d’une autre méthode. Ces méthodes ou outils de prévision immédiate présentent des limites différentes en fonction des régions où ils sont supposés être utilisés et de leur finalité principale.

L’intervention humaine est nécessaire pour produire des avis de conditions convectives dangereuses les plus fiables possibles. Premièrement, le prévisionniste doit examiner le régime synoptique et les prévisions PNT. En s’appuyant sur sa propre connaissance de la climatologie locale et sur les modèles conceptuels de l’évolution des orages violents pour la zone locale, il devrait être capable de déterminer s’il est probable que des conditions météorologiques extrêmes surviennent dans la journée. Deuxièmement, le prévisionniste doit analyser le sondage local le plus récent s’il est disponible, pour déterminer les conditions de cisaillement vertical du vent et de stabilité ainsi que les changements à attendre dans la journée. À partir de cette analyse, il va ensuite estimer le type d’orage qui est susceptible de se produire – par exemple, cellule géante, orage multicellulaire, unicellulaire ou ligne de grains. Troisièmement, s’il a accès à des images satellite et/ou radar rapidement mises à jour, le prévisionniste devra surveiller en continu les lignes de convergence dans les couches limites – zones où, généralement, les orages commencent à se former. Lorsque les orages apparaissent, et sous réserve que des images radar soient disponibles, il convient en premier lieu de chercher les éventuelles caractéristiques ou signatures indiquant l’imminence de conditions météorologiques extrêmes. Ces signatures comprennent une réflectivité élevée, les doublets de rotation relatifs à la vitesse du vent, les doublets de divergence de la vitesse du vent, et les échos de grains en arc et échos en étincelles. Le prévisionniste aura ensuite recours à des méthodes d’extrapolation automatisées pour déterminer la localisation future des conditions météorologiques extrêmes.

Qualité des résultats de prévision immédiate et formation

La méthodologie et les mesures employées pour la vérification des prévisions immédiates doivent être judicieusement choisies pour produire des informations pertinentes pour l’utilisateur. Il est nécessaire d’engager un dialogue interactif pour s’assurer que les utilisateurs obtiennent les informations dont ils ont besoin. Pour donner quelques orientations élémentaires concernant la vérification des prévisions immédiates, précisons que les personnes responsables devraient: a) comprendre les besoins des utilisateurs intéressés par la vérification des prévisions immédiates; b) déterminer les méthodes de vérification et les attributs qui peuvent répondre aux questions considérées; c) sélectionner des indicateurs et des graphiques qui mesurent et représentent correctement les attributs; d) déterminer et rassembler un jeu représentatif de prévisions et d’observations correspondantes; e) calculer les mesures de vérification en utilisant, par exemple, les outils et logiciels de vérification disponibles gratuitement, tels que la suite logicielle Model Evaluation Tools (MET) et le logiciel de vérification en R; f) décrire les résultats de la procédure de vérification dans des termes pertinents pour les utilisateurs; et g) évaluer régulièrement la qualité des prévisions immédiates pour fournir continuellement des informations sur la performance de ces prévisions. (Pour plus de précisions sur la vérification des prévisions immédiates, voir la publication intitulée Projets de démonstration concernant la prévision des conditions météorologiques extrêmes en Afrique: vérification des prévisions (OMM, 2014), ainsi que le site Web du Groupe de travail mixte de l’OMM pour la recherche sur la vérification des prévisions, www.cawcr.gov.au/projects/verification.)

Les activités de prévision immédiate doivent générer des produits scientifiquement corrects, et les clients être initiés à l’utilisation de ces produits. Par conséquent, le succès de ces activités est subordonné à la mise en place de formations continues en météorologie et en communication. Les formateurs doivent mobiliser des connaissances scientifiques de haut niveau ainsi que des compétences sociales et pédagogiques (voir OMM (2013) pour plus de précisions). Il est nécessaire de disposer de prévisionnistes et de formateurs qualifiés dans un grand nombre de disciplines météorologiques différentes, et un institut de formation unique peut difficilement répondre à la totalité de ces besoins. Par conséquent, une coopération internationale est requise pour dispenser des formations relatives à la prévision immédiate qui répondent aux critères fixés par l’OMM. Plusieurs organisations proposent des ressources qui peuvent être utiles aux formateurs en prévision immédiate. Voici quatre exemples notables qui méritent considération:

  1. OMM: le lien www.caem.wmo.int/moodle/ donne accès à des ressources didactiques sur la météorologie aéronautique qui peuvent aussi servir à la formation en prévision immédiate. Le lien etrp.wmo.int/moodle/ contient des ressources destinées aux instructeurs et aux gestionnaires des formations. D’autres aides à l’enseignement et à la formation, également en lien avec la prévision immédiate, sont accessibles à partir de la page public.wmo.int/fr/ressources/enseignement-et-formation.
  2. Organisation européenne pour l’exploitation des satellites météorologiques (EUMETSAT): le lien www.eumetsat.int/website/home/Data/Training/ amène à des séances de formation et à une didacthèque.
  3. European Meteorological Training (EUMeTRAIN) (www.eumetrain.org): projet international de formation commandité par EUMETSAT qui offre du matériel didactique (manuels, modules interactifs de formation, études de cas et cours en ligne) et un appui pédagogique dans le domaine de la météorologie satellitaire.
  4. Cooperative Program for Operational Meteorology, Education and Training MetEd (COMET MetEd) (www.meted.ucar.edu/): des ressources didactiques en ligne sont disponibles pour tous les domaines de la météorologie, de l’hydrologie et de la climatologie, et pour différents groupes cibles.

Applications de la prévision immédiate

L’une des fonctions importantes de la prévision immédiate est la détection précoce des situations justifiant l’émission d’avis et la diffusion rapide de ces informations auprès des populations. L’application judicieuse des produits de prévision immédiate et des réactions appropriées aux avis peuvent largement contribuer à l’optimisation des mesures de protection et à la réduction des pertes dues aux catastrophes. La croissance démographique et la croissance économique ont entraîné une augmentation du nombre de vies menacées pendant les épisodes météorologiques extrêmes et de l’impact financier des orages violents. Parallèlement, avec la modernisation des sociétés, les informations météorologiques sont devenues indispensables dans la vie quotidienne. En comparaison des exigences plus spécifiques et étroites que doit satisfaire la prévision immédiate appliquée à des domaines spécialisés (applications aéronautiques, routières, hydrologiques et maritimes), les produits de prévision immédiate destinés au grand public doivent répondre à un éventail d’exigences plus large. Ces exigences concernent non seulement les phénomènes météorologiques extrêmes, mais aussi différents types d’éléments qui ont une incidence sur la sécurité, la santé, la vie quotidienne, le tourisme et les loisirs.

Certains systèmes de prévision immédiate pour l’aviation, tels que le système Convective Nowcasting Oceanic (CNO), combinent des observations de satellites à orbite polaire et à orbite géostationnaire et des prévisions issues de modèles globaux pour produire des prévisions immédiates à 0–2 heures des dangers associés aux orages (turbulences, givrage et foudre) dans les couloirs aériens au-dessus des océans. Les précipitations se congelant peuvent entraîner l’accumulation de glace sur les voies de circulation, les pistes et les aéronefs, ce qui influe grandement sur la sécurité et l’efficacité des opérations aériennes. Développé aux États-Unis par le Laboratoire pour l’application de la recherche du Centre national de recherche atmosphérique des États‑Unis d’Amérique (NCAR), le système d’appui météorologique à la prise de décision concernant le dégivrage est un système opérationnel en temps réel utilisé dans les aéroports, qui donne aux usagers du secteur aéronautique les prévisions en cours et à court terme des conditions météorologiques, y compris, lors des tempêtes hivernales, l’équivalent en eau des précipitations neigeuses. Le système combine les données de réflectivité radar et l’intensité des précipitations mesurée par un réseau d’instruments de mesure des précipitations en surface et utilise un algorithme de poursuite par corrélation croisée pour produire des prévisions immédiates à 60 minutes de l’intensité des précipitations au sol. Si des conditions de givrage sont observées (bruine se congelant, pluie se congelant, brouillard givrant et gelée), le système fournit également des avis d’alerte. Les produits de détection et de prévision immédiate s’affichent sur les écrans des installations opérationnelles de l’aéroport, ce qui permet au personnel technique d’exploitation de l’aéroport d’observer et surveiller l’évolution des conditions météorologiques en temps réel.

Recommandations

Pendant qu’elle travaillait sur les Directives sur les techniques de prévision immédiate, l’équipe spéciale d’experts a élaboré les recommandations suivantes à l’intention des SMHN qui souhaitent se doter de capacités de prévision immédiate ou renforcer leurs capacités existantes:

  • Contacter la division DPFS de l’OMM pour être mis en relation avec des experts et solliciter leur aide;
  • Établir un dialogue avec les utilisateurs finals pour déterminer et hiérarchiser leurs besoins et exigences en matière d’avis de conditions météorologiques à fort impact;
  • Évaluer l’ensemble des observations disponibles en termes de bonne qualité des données, de transmission rapide des données vers un point central, et d’affichage et stockage des données, et remédier aux lacunes éventuelles;
  • En consultation avec des experts, repérer les lacunes des observations, des infrastructures et des ressources disponibles et trouver des solutions réalistes en matière de prévision immédiate, afin de pouvoir répondre aux besoins hautement prioritaires des utilisateurs finals;
  • Élaborer un plan pour l’établissement d’un système de prévision immédiate sans discontinuité performant, qui intègre observations, techniques de prévision immédiate automatisées et modèles, tous ces éléments pouvant s’afficher sur le même poste de travail; ce plan devrait prévoir une collaboration avec les pays voisins pour l’échange de données et de produits de modélisation;
  • Élaborer un plan de soutien technique, de formation et d’accès à des compétences spécialisées à long terme pour s’assurer que les équipements, le matériel et les logiciels seront continuellement mis à jour, calibrés et opérationnels;
  • Élaborer un plan qui garantisse l’utilisation de techniques de prévision immédiate pérennes et la formation continue des prévisionnistes sur tous les aspects des processus de prévision immédiate et, le cas échéant, mettre à profit les ateliers de formation et matériels du projet de démonstration concernant la prévision des conditions météorologiques extrêmes de l’OMM;
  • Vérifier la qualité des produits de prévision immédiate au regard des phénomènes météorologiques considérés et des besoins des utilisateurs;
  • S’assurer que les prévisionnistes jouent un rôle primordial dans les processus de prévision immédiate, même si des techniques de prévision immédiate automatiques sont disponibles.

Les Directives sur les techniques de prévision immédiate contiennent beaucoup plus d’informations qu’il n’est possible d’en donner dans un court article. Nous encourageons l’ensemble des SMHN à s’appuyer sur cette publication pour développer leurs capacités de prévision immédiate.

Remerciements

L’équipe internationale d’experts spécialisée en prévision immédiate:

  • Yong Wang (Institut central de météorologie et de géophysique, Vienne);
  • Wilfried Jacobs (Service météorologique de la République fédérale d'Allemagne, Offenbach, Allemagne);
  • Larisa Nikitina (Service d’hydrométéorologie et de surveillance de l’environnement de la Fédération de Russie, Moscou);
  • Rita Roberts (NCAR, Boulder, États-Unis d'Amérique);
  • Jianjie Wang (Administration météorologique chinoise, Beijing);
  • Jim Wilson (NCAR, Boulder, États-Unis d'Amérique);

Le Secrétariat de l’OMM (Abdoulaye Harou, Estelle de Coning et Paul Joe) a apporté son concours à la préparation de cet article et en a assuré la coordination.

Références

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Auteurs

Franziska Schmid, Institut central de météorologie et de géodynamique (ZAMG), Autriche

Yong Wang, Secrétariat de l’OMM

Abdoulaye Harou, WMO Secretariat 

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