Reflets de la Physique n°57 avr/mai 2018
Reflets de la Physique n°57 avr/mai 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°57 de avr/mai 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 5,8 Mo

  • Dans ce numéro : dossier micronageurs naturels et artificiels.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
< Pages précédentes
Pages : 8 - 9  |  Aller à la page   OK
Pages suivantes >
8 9
Prévision d’ensemble et prise en compte des non-linéarités Le présent encadré illustre la sensibilité aux conditions initiales et la mise en place d’une prévision d’ensemble dans un cadre simplifié. Plu et Arbogast (2005), en utilisant un modèle idéalisé, ont montré comment les incertitudes sur la position et l’amplitude de précurseurs à la cyclogenèse se situant en altitude et à la surface pouvaient conduire à une relative diversité des scénarios de cyclogénèse. Ainsi, la prise en compte de ces incertitudes a permis de définir un ensemble de 30 états initiaux différents, dont l’évolution s’avère échantillonner correctement la densité de probabilité obtenue à partir d’un ensemble de prévisions de Monte-Carlo contenant 2000 réalisations différentes du même modèle. On voit que la densité de probabilité pour cet ensemble de Monte-Carlo (fig. E2e) prend localement un aspect bimodal après 96 heures d’intégration du modèle. Deux scénarios émergent avec un premier scénario « anticyclonique » (la vorticité négative dans le carré de la figure E2b) et un second scénario « cyclonique » (uniquement de la vorticité positive dans le carré de la figure E2d). La différence entre ces deux scenarios est très peu visible après 12 h d’intégration (figures E2a et E2c), ce qui montre bien la croissance dans le temps des erreurs liées aux incertitudes sur les conditions initiales. L’aspect bimodal de la distribution de Monte-Carlo est bien reproduit par la prévision d’ensemble effectuée avec les 30 états initiaux reposant sur les incertitudes des précurseurs de la cyclogenèse (fig. E2f) (voir le texte principal pour plus de détails). a c e 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% ° 8 Reflets de la Physique n°57 +12h +12h Encadré 2 0 -6 -4 -2 0 2 4 6 -6 -4 -2 0 2 4 6 Vorticité relative (10 -5 s -1) Vorticité relative (10 -5 s -1) E2. Deux scénarios de développement, et densité de probabilité (pdf) de l’ensemble. Les vignettes (a) à (d) représentent des coupes horizontales de vorticité relative au niveau du sol sur un domaine s’étendant jusqu’à 16 000 km en longitude et 8000 km en latitude, respectivement. Les valeurs positives de la vorticité relative sont en rose, tandis que les valeurs négatives sont en bleu. Chaque scénario est pris à deux instants. Le scénario « anticyclonique » dans la boite verte est présenté en (a) et (b), et le scénario « cyclonique » en (c) et (d). La pdf de la vorticité relative sur la zone à l’intérieur du carré obtenue par l’expérience de Monte-Carlo est en (e). La pdf de l’ensemble des 30 simulations obtenues à partir de perturbations des précurseurs de la cyclogenèse est en (f). +96h +96h b d f » > probabilité ou même quelques moments de cette dernière est complexe, le résoudre numériquement inenvisageable. Il est possible de contourner cette difficulté en discrétisant les fonctions de densité de probabilité en lançant de multiples simulations du modèle de prévision avec des états initiaux légèrement différents (prévision dite d’ensemble). La méthode de Monte Carlo consiste à construire les états initiaux différents à partir de perturbations aléatoires. Cependant, son coût numérique devient rapidement prohibitif lorsque le nombre de degrés de liberté dépasse la centaine. La prévision d’ensemble telle qu’elle est implémentée dans les centres de prévisions permet d’atteindre le but recherché pour un coût numérique maîtrisé, grâce à un guidage astucieux des perturbations des conditions initiales réduisant la taille de l’échantillonnage. Diverses stratégies de perturbations des conditions initiales ont alors été mises en place dans le but d’échantillonner la distribution de probabilité de manière satisfaisante à partir de quelques dizaines de perturbations seulement. Une des approches consiste à projeter les perturbations initiales sur un ensemble de structures maximisant la croissance des erreurs sur un intervalle de temps fini, sous l’hypothèse souvent trop simplificatrice d’évolution linéaire des erreurs. D’autres types de perturbations ont été développés, prenant mieux en compte les non-linéarités ou encore les incertitudes inhérentes au processus d’assimilation des observations. L’encadré 2 montre, dans le contexte du développement d’une tempête idéalisée, comment la prévision d’ensemble peut être mise en œuvre. Aujourd’hui, les centres de prévision numérique du temps météorologique dans le monde développent, et font tourner, des ensembles de quelques dizaines de simulations chaque jour, qui intègrent à la fois les incertitudes initiales et celles liées aux équations du modèle. Dans le but d’enrichir la dimension probabiliste de ses prévisions, Météo-France s’est doté d’un système global de 35 simulations, s’étalant chacune sur 102 heures. Ce système se révèle particulièrement utile pour prévoir le risque de survenue d’un phénomène dangereux, tel qu’une tempête ou des précipitations intenses.
5 - 7,5 7,5 - 10 10 - 12,5 12,5 - 15 15 - 17,5 17,5 - 20 20 - 22,5 22,5 - 25 unité  : m/s p Images de la physique Prévision opérationnelle du vent à 10 m de hauteur Observation du vent à 10 m de hauteur Prévision modifiée du vent à 10 m de hauteur 4. Impact de la modification des conditions initiales sur le vent prévu à 09 UTC le 24 janvier 2009, aux points où le vent est observé (en m/s). À gauche  : prévision opérationnelle démarrant le 23 janvier 2009 à 12 UTC. Au milieu  : observations du vent moyen (moyenné sur une dizaine de minutes) à 09 UTC le 24 janvier 2009, obtenues à partir du réseau de stations de Météo-France dans le sud-ouest de la France. À droite  : prévision après modification des conditions initiales le 23 janvier 2009 à 12 UTC. L’amélioration concerne notamment l’Aude, ainsi que les départements situés le long de la Garonne. Conclusion L’un des objectifs du présent article était de montrer que pour mieux comprendre la dynamique des tempêtes hivernales et améliorer leur prévision, il est nécessaire de suivre plusieurs approches en parallèle. Les résultats numérico-théoriques obtenus dans un contexte fortement idéalisé complètent utilement les observations et les résultats de simulations de modèles atmosphériques sophistiqués, comme ceux utilisés pour la prévision opérationnelle du temps. Par le passé, ces diverses approches étaient trop souvent abordées séparément, ce qui a abouti dans certains cas à un manque de réalisme et dans d’autres à une difficulté d’interprétation. ❚ Ont également participé aux travaux présentés dans cet article  : J.-B. Gilet, A. Joly, G. Lapeyre, K. Maynard,L. Oruba, M. Plu. Pour en savoir plusL. Oruba, G. Lapeyre, G. Rivière, «On the poleward motion of midlatitude cyclones in a baroclinic meandering jet», J. Atmos. Sci., 70 (2013) 2629-2649. G. Rivière, P.Arbogast, G. Lapeyre, K. Maynard, «A potential vorticity perspective on the motion of a midlatitude winter storm», Geo. Res. Lett., 39 (2012) L12808. M. Plu et P.Arbogast, «A cyclogenesis evolving into two distinct scenarios and its implications for short-termensemble forecasting», Mon. Wea. Rev., 133 (2005) 2016-2029. Site de projet de la campagne de mesure sur l’Atlantique Nord en 2016, appelée NAWDEX  : North Atlantic Waveguide and Downstream Impact Experiment», www.nawdex.org/ ,. Glossaire Barocline  : se dit d’un écoulement pour lequel les gradients de pression et de densité ne sont pas colinéaires. Cela correspond également à un mouvement horizontal qui dépend de la coordonnée verticale. Courants-jets de la haute troposphère  : en anglais jet-stream, ils représentent des tubes de maximum de vent situés à 8-10 km d’altitude, qui peuvent onduler et s’intensifier. Cyclogenèse  : apparition d’une nouvelle dépression qui peut se mesurer par l’apparition d’un minimum local de pression ou d’un maximum local de vorticité relative. Processus sous-maille  : dans les modèles de prévision numérique du temps, les variables météorologiques telles que le vent ou la température sont définies sur une « maille », c’est-à-dire une grille à trois dimensions. Pour les modèles globaux, les points de la grille sont horizontalement espacés d’une dizaine de kilomètres, tandis que pour les modèles régionaux ils sont espacés d’environ 1 km. Les processus qui se produisent à plus fine échelle que les points adjacents sur cette grille sont dits « sous-maille ». Il s’agit, par exemple, de la turbulence ou de la microphysique des nuages, qui sont pris en compte sur la maille du modèle via ce qu’on appelle une paramétrisation. Relation du vent thermique  : relation bien connue en météorologie, qui permet de calculer la variation du vent horizontal entre deux altitudes à partir des variations horizontales de la température. Cette relation n’est valide que pour des échelles suffisamment grandes (milliers de kilomètres). Vent zonal  : composante du vent allant d’ouest en est. Vorticité relative  : rotationnel du champ de vitesse du fluide projeté le long de la verticale à la surface de la Terre. Cette quantité (unité  : s -1) mesure la vitesse de rotation par rapport à un point fixe situé sur la Terre. À taille fixe, plus une dépression est creuse plus sa vorticité relative est élevée. Dans l’hémisphère nord, si la vorticité relative est positive, c’est un cyclone ; si elle est négative, c’est un anticyclone. Vorticité potentielle  : c’est la somme de la vorticité relative et de la rotation terrestre, pondérée par la stratification du fluide. Elle possède deux propriétés remarquables  : c’est une quantité conservée d’un point de vue lagrangien, en l’absence de processus diabatiques comme le frottement ou les transitions de phase de l’eau ; c’est aussi une quantité à partir de laquelle les autres variables météorologiques comme le vent ou la température peuvent être déduites. L’unité standard est m².s -1.K.kg -1, mais une unité de vorticité potentielle (1 PVU) est définie comme 10 -6 m².s -1.K.kg -1. a Reflets de la Physique n°57 9



Autres parutions de ce magazine  voir tous les numéros


Liens vers cette page
Couverture seule :


Couverture avec texte parution au-dessus :


Couverture avec texte parution en dessous :