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Les modèles de prévision météorologique calculent l'état futur de l'atmosphère. MétéoSuisse utilise le modèle numérique COSMO (Consortium for Small-scale Modeling) pour la production de prévisions régionales et locales dans la région alpine, très exigeante sur le plan topographique. Afin de fournir des prévisions probabilistes adaptées au plus grand nombre possible d'applications, MétéoSuisse utilise deux configurations différentes de COSMO pour les simulations d’ensemble. Associées aux prévisions du Centre européen pour les Prévisions Météorologiques à Moyen Terme (CEPMMT), celles-ci constituent la base, pour l’élaboration des prévisions météorologiques quotidiennes de MétéoSuisse ainsi que des avertissements pour les situations météorologiques dangeureuses, comme par exemple, les tempêtes ou les fortes précipitations. COSMO-1E est constitué d'un ensemble de 11 simulations avec un maillage de 1,1 km calculé huit fois par jour. Pour COSMO-2E, l'ensemble est composé de 21 prévisions avec un maillage de 2,2 km calculé quatre fois par jour.
Le système de prévision COSMO
Prévision météorologique avec le modèle de prévision numérique
L'évolution du temps peut être simulée grâce à des modèles informatiques complexes. Un modèle de prévision numérique décrit les processus pertinents pour les prévisions météorologiques intervenant dans l'atmosphère et à la surface de la terre. Il est basé sur des lois physiques telles que la conservation de l'énergie, la conservation de la masse et la conservation de la quantité de mouvement, et simule des phénomènes tels que les transitions de phase de l'eau ou les processus de rayonnement. Avec des champs initiaux et des conditions limites appropriés, l'état futur de l'atmosphère peut être calculé. De nombreux processus atmosphériques peuvent être ainsi décrits à différentes échelles temporelles et spatiales, comme par exemple, le développement d'une zone de basse pression, le foehn, les chutes de neige, ou la convection. Les calculs sont effectués sur une grille tridimensionnelle. Les distances verticales entre les points de grille sont plus faibles à basse altitude qu'à haute altitude afin de mieux décrire les phénomènes proches du sol. Les calculs incluent également l'évolution des propriétés des sols, de la couverture neigeuse et de la température des lacs.
MétéoSuisse utilise différentes configurations du modèle de prévision numérique COSMO et calcule plusieurs fois par jour des prévisions météorologiques à haute résolution pour la région alpine. Le modèle COSMO est développé en étroite coopération internationale. Tous les calculs de MétéoSuisse sont effectués au Centre suisse de calcul scientifique (CSCS) de Lugano sur le supercalculateur "Pigne d'Arolla".
COSMO-1E et COSMO-2E : Prévisions probabilistes pour la région alpine
Les systèmes de prévision COSMO-1E et COSMO-2E, basés sur le modèle COSMO, calculent l'évolution future de l'état de l'atmosphère pour l'ensemble de l'arc alpin, avec la Suisse au centre de la zone du modèle. Les simulations sont effectuées sous forme d'ensemble - cela signifie que différents scénarios sont produits pour une même prévision de l'état futur possible de l'atmosphère. Cela permet de déduire l'évolution la plus probable du temps et d'indiquer la probabilité d'occurrence de certains événements météorologiques. En outre, à la différence d’une simulation déterministe (unique), les prévisions probabilistes permettent d’améliorer la qualité des prévisions à court et moyen terme, en particulier pour les événements météorologiques extrêmes ou très locaux et d’évaluer la fiabilité de la prévision.
COSMO-1E et COSMO-2E, avec des grilles de 1,1 km et 2,2 km respectivement ont une résolution spatiale plus élevée que le modèle global IFS ENS du CEPMMT qui dispose d’un maillage d'environ 20 km,. Cela permet de mieux prendre en compte la topographie complexe de la Suisse et de calculer ainsi des prévisions probabilistes plus fiables, en particulier pour la représentation les événements extrêmes tels que les tempêtes ou les fortes précipitations.
Les conditions aux limites, c'est-à-dire les informations météorologiques pertinentes en dehors de la zone du modèle, sont fournies par le système d'ensemble global IFS ENS. Les états initiaux de la prévision, appelés analyses, sont déterminés au moyen d'un système d'assimilation de données d'ensemble, en tenant compte des données de mesure. Cette procédure permet de déterminer un ensemble cohérent et optimal d'états atmosphériques.
Pourquoi calcule-t-on des prévision d’ensemble ?
De petites inexactitudes dans l'enregistrement de l'état actuel de l'atmosphère peuvent avoir un impact majeur sur le déroulement des prévisions météorologiques. Les conditions aux limites du modèle global utilisé pour piloter COSMO-1E et COSMO-2E, l'IFS ENS du CEPMMT, sont également sujettes à des erreurs et entraînent des incertitudes dans les prévisions régionales. Enfin, le modèle lui-même n'est pas parfait pour diverses raisons, ce qui entraîne également des incertitudes dans les prévisions.
L'objectif des prévisions d'ensemble ou probabilistes est de prendre en compte toutes ces incertitudes et de les caractériser au mieux. À cette fin, de nombreuses simulations sont calculées avec des conditions initiales et aux limites légèrement différentes, ainsi qu'avec différentes perturbations stochastiques du modèle. À partir de cet ensemble de simulations (aussi appelées membres de l'ensemble) qui sont toutes également probables, on peut alors calculer une probabilité d'occurrence pour un certain événement. La dispersion au sein de l’ensemble des simulations donne également une mesure de la prévisibilité de la situation météorologique, ce qui permet d'estimer la fiabilité de la prévision.
Spécifications
Le système de prévision d'ensemble à haute résolution COSMO-1E, avec 11 membres d'ensemble, est calculé huit fois par jour avec un maillage horizontal de 1,1 km. Toutes les 3 heures (00, 03, ... 21 UTC), l'évolution du temps est recalculée pour une durée de prévision allant jusqu'à 33 heures. La simulation qui commence à 03 UTC dure plus longtemps (jusqu'à 45 heures), de sorte que la prévision couvre l'ensemble du jour suivant. La zone de modélisation de COSMO-1E s'étend horizontalement sur 1075x691 points de grille. Il couvre tout l'arc alpin, avec la Suisse au centre de la zone du modèle. Verticalement, COSMO-1E comporte 80 couches atteignant une hauteur de 22 km. À son point culminant, la topographie du modèle atteint 4268 m au-dessus du niveau de la mer. Pour chacun des 73'569'600 points de la grille, la prévision est calculée par pas de temps de 10 secondes.
COSMO-2E est calculé pour une plus longue durée de 5 jours. Il se compose de 21 membres d'ensemble et est calculé quatre fois par jour (00, 06, 12 et 18 UTC) avec un maillage horizontal de 2,2 km. La zone du modèle avec 538 x 346 points de grille couvre également tout l'arc alpin. Verticalement, COSMO-2E calcule avec 60 couches jusqu'à une hauteur de 22 km. La prévision pour les 13'618'800 points de grille est calculée avec un pas de temps de 20 secondes.
Des produits de prévision peuvent être obtenus pour les deux modèles à l'intérieur de ces points cardinaux :
- NW 49,52° N, 0,16° E ;
- NE 49,73° N, 16,75° E ;
- SW 42,67° N, 1,33° E ;
- SE 42,85° N, 15,94° E.
Cela correspond à 1075x691 points de grille pour COSMO-1E et 538x346 points de grille pour COSMO-2E. Il contient l'ensemble du domaine moins une petite marge qui ne peut être utilisée en raison d'effets de bord.
COSMO : une coopération internationale réussie
Pour que les prévisions météorologiques deviennent encore plus précises à l'avenir, MétéoSuisse développe en permanence le modèle de prévision numérique dans le cadre d'une coopération internationale. Les services météorologiques nationaux d'Allemagne, de Grèce, d'Israël, d'Italie, de Pologne, de Roumanie, de Russie et de Suisse travaillent en étroite collaboration au sein du Consortium pour la modélisation à petite échelle (COSMO). Ce consortium a été fondé en octobre 1998 dans le but de développer et d'améliorer continuellement un modèle atmosphérique régional non hydrostatique. Ce modèle est utilisé sur le plan opérationnel et à des fins de recherche.