Données et chaînes de modélisation hydrologique

Prévisions météorologiques   

Prévisions d’ensemble du CEPMMT

Le CEPMMT est une organisation intergouvernementale soutenue par 34 états membres (18 états européens) ayant pour objectif principal l’émission de prévisions météorologiques à moyen terme sur l’Europe et l’avancement de la recherche scientifique dans le domaine. Les prévisions sont faites par des modèles numériques à partir de données tirées des observations atmosphériques ou au sol. Les principaux types de prévisions émises sont : ƒ les prévisions de temps à moyen terme jusqu’à 15 jours en avance ; ƒ les prévisions mensuelles, émises toutes les semaines, allant jusqu’à 30 jours d’échéance ; ƒ les prévisions saisonnières avec un horizon de 12 mois.   Ces produits alimentent ensuite les services météorologiques nationaux, où ils servent principalement comme un complément aux prévisions à plus court terme.   Le modèle global du CEPMMT émet une prévision déterministe et des prévisions probabilistes d’ensemble. Les prévisions d’ensemble émises par le système de prévision d’ensemble (EPS, Ensemble Prediction System) sont constituées d’une prévision dite « contrôle », obtenue à partir de l’état initial issu de l’assimilation des données (condition initiale non‐perturbée), et de membres qui correspondent à des trajectoires obtenues à partir des perturbations de cet état initial.  Les perturbations sont construites à partir de la méthode des vecteurs singuliers et choisies afin d’optimiser la croissance d’énergie totale sur un intervalle de 48h (Buizza et al., 2005). Plus récemment, des méthodes d’assimilation d’ensemble ont également été introduites (Buizza, 2010). Ces perturbations sont ensuite introduites dans le modèle numérique de temps, où certains processus physiques sont paramétrés. Les incertitudes liées au modèle numérique sont prises en compte en ajoutant des perturbations stochastiques dans les schémas de paramétrisation physique du modèle. Les trajectoires de l’évolution de l’atmosphère obtenues forment ainsi la prévision d’ensemble EPS. La prévision d’ensemble du CEPMMT est émise deux fois par jour (à 00h et à 12h UTC) et fait partie de son système opérationnel de prévision depuis 1992. Au fil des années plusieurs modifications ont été apportées au système afin notamment d’améliorer les résolutions horizontales et verticales des prévisions et mieux capturer les phénomènes météorologiques à prévoir. Au début, chaque ensemble était construit avec 32 membres sur un horizon maximal de 10 jours et une résolution spatiale qui s’est améliorée au fil des années (Palmer et   al.,   1993 ; Molteni et al., 1996). En 2005, les prévisions d’ensemble étaient constituées de 51 membres et émises sur une grille spatiale d’environ 80 [km] x 80 [km]. A partir de septembre 2006, les 51 prévisions d’ensemble sont émises avec une résolution spatiale variable : 32 [km] x 32 [km] jusqu’à 10 jours et 64 [km] x 64 [km] au‐delà (Buizza et al., 2007a ; Leutbecher et Palmer, 2007). Par ailleurs, depuis mars 2008 les prévisions d’ensemble à moyen terme sont fusionnées avec les prévisions mensuelles : une fois par semaine, les jeudis, les prévisions d’ensemble émises sont ainsi prolongées jusqu’à 32 jours.   Dans notre étude, nous avons utilisé une archive de prévisions météorologiques du CEPMMT qui s’étend sur la période 2005‐2008. Les 50 membres perturbés des prévisions journalières des précipitations totales et de températures émises à 12h ont été utilisés. Les données nous ont été fournies à la résolution spatiale de 0.5° lon x 0.5° lat, jusqu’à un horizon de 10‐15 jours selon la période.   La Figure 5 présente un exemple des données CEPMMT utilisées dans cette étude. Les prévisions émises sur la France par les 50 membres de la prévision d’ensemble et la prévision contrôle (la dernière figure à droite) pour le 30 mai 2008, à 7 jours d’avance (c’est‐à‐dire, prévisions émises le 23 mai 2008), sont représentées. Ce jour là, un événement pluvieux sévère a touché le sud‐est de la France. Les bassins versants de la Durance à Serre Ponçon et la Drôme à Saillans ont enregistré respectivement 35,7 [mm] et 21,1 [mm] de cumul de pluie journalier en moyenne sur la surface du bassin. Dans la figure, nous observons que la plupart des membres ont bien localisé la région affectée avec 7 jours d’avance. De plus, un tiers des membres ont bien prévu l’intensité de l’événement.

Prévisions d’ensemble de la base TIGGE

La base de prévisions TIGGE fait partie du programme THORPEX de l’Organisation Météorologique Mondiale (« The Observing System Research and Predictability Experiment »). Ce programme vise à mieux prévoir le temps et amenuiser ses effets négatifs sur la population. La base TIGGE est constituée de prévisions d’ensemble émises à partir d’octobre 2006, provenant de différents centres météorologiques (Richardson, 2005 ; Park et al., 2008 ; Bougneault et al., 2010). En effet, plusieurs études (ex., Pappenberger et al., 2008, Roulin,  2007, Goswami et al., 2007) ont montré que les prévisions d’ensemble provenant d’un centre météorologique ne prennent en compte que partiellement les incertitudes des conditions initiales. L’idée de base derrière l’initiative TIGGE est que l’utilisation combinée des prévisions fournies par les différents centres, avec leurs différentes méthodes de perturbation et paramétrisation stochastique, permettrait une meilleure description de l’incertitude prédictive (Park et al., 2008). L’archive mise en place au début des travaux de cette thèse est composée des prévisions de précipitation de 8 centres météorologiques internationaux, couvrant la période d’octobre 2006 jusqu’à septembre 2008 (Figure 6). Les centres météorologiques qui composent notre base de données sont : le centre européen (ci‐après ECMF), britannique (EGRR), japonais (RJTD), américain (KWBC), chinois (BABJ), australien (AMMC), canadien (CWAO), brésilien (SBSJ). Nous notons que, même si nous disposons de données sur environ 2 ans, la longueur de la période pendant laquelle les prévisions d’ensemble sont disponibles  varie pour chaque centre météorologique (indiquée sur la Figure 6). Nous observons, par exemple, que le centre brésilien (SBSJ), le dernier à rejoindre la base TIGGE, n’y contribue qu’avec 242 jours.   Le Tableau 1 résume les principales caractéristiques des prévisions TIGGE utilisées dans cette étude. On observe que les prévisions d’ensemble de tous les centres météorologiques combinées composent un grand ensemble d’un total maximum de 232 membres d’ensemble par bassin versant et par jour de prévision. L’horizon maximal des prévisions est de 15 jours.