Évaluer l’investissement dans les systèmes de traitement des données et de prévision

Implications de l’expérience de l’Administration météorologique coréenne

Par Woo-Jin Lee¹

Les trois grands volets opérationnels des systèmes de production météorologique au quotidien sont l’observation en temps réel et la collecte de données, l’échange régulier de données et d’informations à l’échelle de la planète et le traitement opérationnel systématique des données en vue de produire des analyses météorologiques, des prévisions numériques du temps, ainsi que des prévisions et des alertes météorologiques. Ainsi, ces trois composantes - Système mondial d’observation (SMO), Système d’information de l’OMM (SIO) et Système mondial de traitement des données et de prévision (SMTDP) - constituent l’ossature du Système de la Veille météorologique mondiale (VMM).

Ces systèmes requièrent d’importants investissements pour pouvoir répondre aux besoins du public en matière d’informations météorologiques et climatologiques ciblées et ainsi atténuer les risques de catastrophes et protéger les biens et les personnes. Les services mis en place valent-ils véritablement les sommes investies? Est-il possible d’évaluer un service météorologique à l’aune du retour sur investissement? Après avoir lourdement investi dans son système de traitement des données et de prévision (STDP), l’Administration météorologique coréenne (KMA) a intégré l’évaluation de ses services dans son mandat. Elle a investi dans la mise en place d’une infrastructure technologique moderne et le recrutement d’experts scientifiques spécialisés dans différents domaines: télécommunications, systèmes automatiques d’acquisition de données d’observation, installations de gestion des données (archivage, restitution, traitement, contrôle qualité), système de programmation et de contrôle des produits de prévision numérique du temps, calcul et conception de la prévision numérique du temps, système perfectionné de visualisation et d’intégration des données. Quelle est l’utilité des services météorologiques et climatologiques ainsi produits dans la vie quotidienne de la population?

L’importance relative des informations météorologiques dans la vie de tous les jours dépend de la nature de l’activité exercée, du régime climatique et du niveau de développement socio-économique du pays concerné. En outre, chaque Service météorologique national opère dans un contexte national qui lui est propre - conditions économiques, perception du temps et du climat par le grand public, importance accordée aux grandes priorités gouvernementales, processus de prise de décision en matière de financement public, intérêt social ou confiance accordée à la prévention et à la réduction des risques plutôt qu’au redressement d’après-catastrophe, etc. Il n’en demeure pas moins que les conclusions de l’étude de la KMA peuvent s’appliquer à tous. Les travaux d’évaluation démontrent que, grâce aux investissements réalisés dans le STDP, le niveau de services fournis par la KMA est hautement apprécié et revêt une véritable utilité sociale.


Investissements en matière de traitement des données et de prévision

Le Système de traitement des données et de prévision fait appel à des compétences techniques complexes et toute une gamme de technologies nécessaires à la prévision numérique du temps à toutes les échéances, notamment l’assimilation des données, l’intégration des modèles numériques de l’atmosphère, le post-traitement des données d’observation et de prévision, l’interprétation des données modélisées et la production de prévisions et d’alertes météorologiques. La KMA a investi dans le développement de son STDP sur plusieurs décennies et a progressivement mis au point les différents niveaux de l’infrastructure technique du système. Cela va de l’interprétation graphique des résultats de la prévision numérique du temps et l’application des résultats de la modélisation binaire à l’exécution d’un modèle régional de prévision numérique du temps prenant en compte les conditions aux limites latérales fournies par les autres centres, et à l’exploitation d’un modèle régional doté d’un système d’assimilation des données enregistrant en temps réel les données d’observation, et ce afin d’atteindre le plus haut niveau d’exécution d’un modèle mondial doté d’un système d’assimilation variationnelle quadridimensionnelle (4D-VAR).

La KMA s’est stratégiquement intéressée à deux domaines innovants avant l’heure. À savoir, dans un premier temps, à l’automatisation des télécommunications, actuellement à la base de son système de traitement des données, et dans un deuxième temps, à l’acquisition d’un premier système de supercalculateurs, installé en 1999. Cette acquisition a été rendue possible grâce au soutien des autorités nationales pour l’installation et l’exploitation d’un modèle perfectionné de simulation numérique à domaine limité de l’atmosphère dans un centre superinformatisé. Elle a en outre ouvert la voie à la mise en place d’un groupe de modélisation de l’atmosphère, ce qui a alors donné lieu à un soutien financier supplémentaire à l’appui du développement de logiciels et d’applications destinés à répondre aux nombreux besoins du pays. La KMA a régulièrement mis à jour ces différents éléments en adoptant les derniers progrès technologiques et en investissant dans le recrutement de jeunes chercheurs attirés par les conditions innovantes de travail au sein de la KMA, ce qui lui a permis de conserver tous les atouts de son système de traitement des données et de prévision. Cette stratégie s’est traduite par l’élaboration de produits et services opérationnels plus performants visant à répondre à une demande toujours plus forte en matière de prévisions météorologiques et environnementales.


Contexte social

Comme nous l’avons déjà vu, la valeur sociale des produits et services météorologiques et climatologiques dépend du contexte socio-économique et environnemental d’un pays. La KMA est au service d’une population qui vit dans une région sujette aux catastrophes naturelles. En effet, la Corée est exposée aux divers phénomènes climatiques généralement observés dans les pays de moyenne latitude, à savoir fortes précipitations et tempêtes de neige, cyclones tropicaux, tempêtes de poussière et de sable jaune, violents orages accompagnés de vents forts, grêle et foudre, températures extrêmes. Durant l’été, sur la péninsule coréenne, on enregistre de fortes pluies associées aux tempêtes tropicales. Le relief tourmenté sur plus de 70 % du territoire et l’environnement géographique unique exposé aux influences du continent asiatique qui viennent se heurter aux influences venant de l’océan Pacifique compliquent encore un peu plus la situation climatique de moyenne latitude que connait le pays. Ces conditions environnementales viennent s’ajouter aux difficultés auxquelles le pays est confronté pour protéger sa population et l’activité économique des perturbations météorologiques et des phénomènes extrêmes.

Les zones urbaines à forte densité de population et les zones industrialisées, tout comme le contexte démographique et social, constituent un véritable défi pour les systèmes de prévision du temps et les prévisionnistes de la KMA.

Exemple de représentation graphique des prévisions avec une résolution spatiale de 5km x 5km sur la page Web de la KMA (www.digital.go.kr)

Performance technique

L’évaluation du STDP doit s’envisager sous deux angles. En effet, il convient d’évaluer les performances techniques tout en établissant un lien avec la situation économique. Les mesures de vérification normalisées définies par la Commission des systèmes de base de l’OMM (CSB), ou toute autre mesure adaptée, peuvent efficacement être mises en oeuvre pour évaluer la performance du système. La traduction des résultats de la vérification en termes monétaires doit aller plus loin et notamment aboutir à la formulation d’hypothèses en vue de produire des informations établirait un lien entre les produits et services fournis et ceux consommés par la société.

Les prévisions météorologiques doivent se distinguer par leur précision ou fiabilité, leur pertinence, et leurs échéances, chacun de ces attributs permettant de mesurer certains aspects de la performance technique du système. Dès lors qu’on établit un lien entre performance et coûts d’exploitation, on peut en déduire la valeur de l’investissement dans un STDP et la valeur relative de chacun des attributs. La mesure objective la plus répandue et la plus largement partagée par les centres de prévision numérique du temps de l’OMM vise à vérifier la précision d’une prévision.

Les résultats récemment obtenus par le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT) témoignent de l’intérêt que représente le STDP en termes de précision. On constate une amélioration de l’erreur quadratique moyenne (EQM) à 500 hPa au cours des dernières décennies lorsqu’on utilise le modèle mondial du CEPMMT, en particulier dans l’hémisphère Sud à moyenne échéance. La KMA enregistre une tendance similaire en termes de performance pour la prévision numérique du temps avec un taux d’amélioration plus élevé au fil du temps. L’erreur quadratique moyenne dans les prévisions actuelles à cinq jours est comparable à celle enregistrée pour les prévisions à trois jours dix ans auparavant. La prévisibilité a donc augmenté de deux jours au cours de ces dix dernières années.

Les travaux de recherche et développement sur l’assimilation des données satellites et la paramétrisation des processus physiques, tout comme le transfert rapide de technologie à partir des centres météorologiques de pointe, expliquent la précision accrue des prévisions. Au cours de la dernière décennie, la fréquente mise à niveau des supercalculateurs a également contribué à améliorer les performances du modèle. Les progrès accomplis dans le domaine de la modélisation haute résolution, ainsi que le développement d’outils de prévision immédiate, des techniques d’application des données radars et de prévision d’ensemble multimodèle, ont permis de renforcer l’efficacité des avis de fortes précipitations.

L’amélioration de la prévision de la trajectoire des cyclones tropicaux, notamment l’augmentation des délais d’anticipation, a sensiblement contribué à renforcer l’efficacité des prévisions de fortes précipitations et des alertes précoces associées à échéance de cinq jours. Le perfectionnement du STDP et la densité accrue du réseau d’observation ont également permis la mise en place de nouveaux services répondant aux besoins du public. Par exemple, les prévisions à l’échelle d’un village, avec un maillage de 5 km, ont été rendues possibles dès lors que la résolution et la précision des modèles régionaux ont pu atteindre un degré acceptable de qualité. Actuellement, la KMA actualise toutes les heures les prévisions à l’échelle d’un village à partir de l’interprétation par un oeil humain de la base de données de prévision numérique, prenant en compte dix paramètres météorologiques, notamment la température, les précipitations, le vent et l’humidité relative.

On peut contrôler la valeur sociale des investissements dans un système de traitement des données et de prévision en mettant en place des enquêtes de satisfaction auprès des utilisateurs, ce qui correspond à une mesure indirecte de l’utilité des investissements réalisés dans ce domaine. La KMA réalise ce type d’enquêtes deux fois par an. Les indices de satisfaction des utilisateurs, définis à partir des résultats des enquêtes conduites entre 2007 et 2011, se situent entre 60 et 80 % pour les prévisions et les alertes à court terme, et sont légèrement moins bons pour les prévisions à échéance d’une semaine. L’indice de satisfaction a progressivement augmenté au cours des cinq dernières années, de 11,8 points pour les prévisions à court terme, 20,6 points pour les prévisions à moyen terme et 12,3 points pour les alertes. En outre, plus des deux tiers de la population s’appuie sur des prévisions à échéance d’un à trois jours dans ses décisions quotidiennes.


Utilité sociale des prévisions et des alertes

La KMA diffuse des prévisions quotidiennes et des alertes à l’intention de la population coréenne et des visiteurs étrangers afin de protéger les personnes et les biens en cas de conditions météorologiques et climatiques défavorables, ce qui correspond bien à la mission attendue d’un service météorologique national. Cette mission couvre les prévisions hebdomadaires et à échéance prolongée en termes de température, de vent et de précipitations, et la diffusion d’alertes en cas de forte pluie ou chute de neige, de vent fort, d’orage violent, d’ondes de tempête ou de cyclone tropical.

Les enquêtes et les études économiques réalisées par la KMA montrent qu’un ménage coréen moyen est prêt à débourser 20 424 KRW par an pour pouvoir disposer de services météorologiques et climatologiques, ce qui correspond à un montant total annuel de 3 589 milliards de KRW (soit 3,3 milliards de dollars É.-U.). Cela équivaut à 145 % du budget annuel de la KMA. La valeur potentielle des nouvelles améliorations à apporter aux systèmes de prévision et d’alerte au service du public dépasse 45 % du budget annuel de la KMA. Ainsi, ne serait-ce qu’en termes de service public, ces quelque 1 119 milliards de KRW (soit 1,1 milliard de dollars É.-U.) correspondent à la valeur atteinte grâce aux investissements dans les infrastructures de prévision de KMA. Il convient de noter que la valeur indiquée correspond à une estimation prudente, et ne prend pas en compte la valeur ajoutée liée aux services améliorés fournis par le secteur commercial.

La valeur des produits de prévision et d’alerte de qualité se décline généralement en avantages directs et indirects. La diffusion en temps et en heure d’alertes fiables permet de limiter les pertes en vies humaines et en biens matériels, en infrastructure et en moyens de subsistance, pertes dues à des conditions météorologiques et phénomènes climatiques défavorables et, partant, procure des avantages indirects supplémentaires au secteur commercial. Mais dans la plupart des cas, il n’est pas facile de traduire ces avantages indirects en termes monétaires.

On considère que les mesures de protection physique, comme par exemple la création de systèmes de drainage et de réseaux de digues, sont rentables à court terme alors que les mesures visant à réduire la vulnérabilité des populations, à savoir une meilleure sensibilisation aux risques, la mise en place de systèmes d’alerte précoce et de programmes d’assurance, offrent un rendement à bien plus long terme du capital investi. D’après l’étude réalisée par Hallegatte (2012), on peut obtenir un rendement pouvant atteindre 36 milliards de dollars É.-U. pour un capital investi d’un milliard de dollars dans des systèmes d’alerte précoce. L’avantage potentiel par rapport au coût d’investissement est multiplié d’un facteur 4 à 36.

Nombre d’attributs mesurables d’une prévision sont souvent le résultat d’un compromis: investir pour améliorer l’un des attributs signifie perdre en qualité sur un autre. Par exemple, on établit un compromis entre échéance de prévision et fiabilité de l’alerte. Améliorer la diffusion précoce d’alertes laisse plus de temps à l’action, mais entraîne une augmentation de la fréquence des alertes qui ne se concrétisent pas ou du taux de fausses alarmes. L’inverse est vrai pour les alertes fiables, c’est-à-dire que l’on obtient un taux plus faible de fausses alarmes avec des alertes précoces à plus brève échéance. La diffusion d’un avis de crue à échéance de six heures permet de réduire de 35 % les risques de dommages, alors qu’une échéance de douze heures réduit ces risques de 60 % (Schroter et al., 2008). D’où la difficulté d’évaluer la valeur des prévisions et des alertes en fonction des divers attributs clés des prévisions.

Réduction des dommages en fonction du délai d’anticipation, tiré de Schroter et al. (2008).

D’après nos observations, il est intéressant de noter que les pays en développement ne tirent pas parti de tous les avantages potentiels qu’offrent les systèmes d’alerte précoce. Les pays à faible revenu ne retirent que 10% de l’avantage maximal, alors que les pays à revenu moyen-supérieur en retirent environ 50 % (Hallegatte, 2012). Dans la mesure où les questions de sécurité nationale, de réduction des risques de catastrophes et de développement durable constituent des domaines hautement prioritaires, on peut améliorer la l’utilité sociale des services météorologiques en investissant dans des systèmes de prévision et d’alerte précoce.


Évaluation de l’investissement dans la prévision numérique du temps à grande échelle

dans le cadre du développement de logiciels puissants afin de démontrer comment évaluer un STDP. La KMA a été chargée de développer un modèle de prévision numérique du temps de nouvelle génération sur la période 2011-2019, sans pour autant sacrifier la qualité élevée de ses prévisions. À ces fins, elle devra régulièrement mettre à jour le modèle unifié qu’elle utilise, modèle initialement acquis auprès du Met Office (Royaume-Uni). Un tel projet implique d’obtenir des ressources supplémentaires, tant humaines que financières. L’Institut coréen de développement a estimé la valeur monétaire du projet par pas de temps de déclenchement d’une alerte. La procédure utilisée pour les estimations est schématiquement représentée dans la figure ci-après. Elle s’appuie sur la mesure de l’erreur quadratique moyenne dans les prévisions du géopotentiel à 500hPa à cinq jours d’échéance. On définit trois approches expérimentales et une approche de référence en fonction du taux de réduction de l’erreur quadratique moyenne, en partant de l’erreur quadratique initiale de 2008.

On prend pour hypothèse un taux constant de réduction de 2,6 % dans les approches expérimentales adoptées dans le projet de développement du modèle, fondé sur la moyenne des erreurs quadratiques relevées par les centres ayant mis au point leurs propres modèles (Institut coréen de développement, 2010). Les différentes erreurs quadratiques moyennes obtenues en 2008 aboutissent à une évolution différente des erreurs quadratiques moyennes estimées dans les approches expérimentales. Au contraire, on admet pour l’approche témoin, ou approche de référence, un taux constant de réduction plus faible, égal à 1,4 %, basé sur l’expérience passée en l’absence de modèle mis au point par la KMA. Le principal intérêt est de pouvoir comparer la démarche de référence, en partant de l’erreur quadratique initiale calculée par le modèle du Met Office (considéré comme l’un des meilleurs centres mondiaux de prévision numérique du temps en 2008), avec la démarche expérimentale raisonnable basée sur l’erreur quadratique initiale du centre classé au cinquième rang, et les valeurs moyennées des erreurs quadratiques des centres classés au cinquième et septième rangs en 2008.

Erreurs quadratiques moyennes (EQM) pour les prévisions du géopotentiel à 500hPa à cinq jours d’échéance, estimées sur la période du projet de développement du modèle (2010-2019), et jusqu’en 2029.

Le gain en termes d’écart entre les erreurs quadratiques moyennes de l’approche de référence et celles des approches expérimentales peut être converti en valeur monétaire. On évalue le lien entre les investissements dans le développement de logiciels de prévision numérique du temps et leur incidence sur le délai d’alerte aux fortes précipitations durant les mois d’été à partir des relevés historiques de la KMA pour pouvoir déterminer le niveau de réduction des pertes économiques grâce aux alertes précoces. Le rapport coût-avantage du projet est de 1.1 entre la valeur actuelle de l’ensemble des bénéfices qui s’élève à 79 milliards de KRW (soit 71 millions de dollars É.-U.) et les coûts d’investissement de 72 milliards de KRW sur la période 2011-2029, en rapportant la valeur monétaire estimée à la valeur actuelle, avec un taux d’actualisation de 5,5 % par an.

Au coût de développement des logiciels de prévision numérique du temps viennent s’ajouter les investissements annuels dans des outils destinés aux systèmes de prévision, pour un montant de 7 milliards de KRW, ce qui devraitpermettre d’augmenter le bénéfice escompté et atteindre 600 milliards de KRW en équivalent monétaire. On part de l’hypothèse qu’augmenter le délai d’alerte d’une minute équivaut à une réduction de 0,05 % des dommages (Park, 2002). L’installation du Centre des typhons de la KMA dans un nouveau bâtiment, avec une vingtaine d’experts et employés de soutien, devrait générer une économie de 240 milliards de KRW en termes de coûts d’exploitation et de financement de la recherche, c’est-à-dire 13 fois les coûts annuels d’exploitation. On part du postulat qu’il est possible de réduire de 5 % les dommages encourus en améliorant le système d’alerte précoce (Institut coréen d’évaluation et de planification scientifique et technologique, 2005).

Collecte de fonds

Il est indispensable de s’assurer du soutien des décideurs, et notamment du législateur et des organismes de financement, dans l’importante tâche de promotion qui nous incombe pour démontrer l’utilité sociale des services météorologiques, notamment dans le domaine de la prévision et de la diffusion d’alertes. La KMA invite les hauts responsables de l’État à s’engager activement dans les différentes actions prioritaires afin de stimuler le soutien additionnel de divers organismes publics et ainsi créer un marché le plus large possible pour les produits et services météorologiques (Kim et Renee, 2005). L’initiative du gouvernement coréen en faveur d’une croissance verte appuie la mise en place d’un système d’alerte précoce destiné à réduire les risques de catastrophes et préconise d’étendre le champ d’application des informations climatologiques aux économies d’énergie et à la production d’énergies renouvelables. La KMA compte également sur les médias pour attirer l’attention des autorités budgétaires et de l’assemblée nationale sur la nécessité d’investir dans le système de traitement des données et de prévision, surtout pendant les périodes de relèvement lorsqu’il s’agit d’effacer les conséquences désastreuses de phénomènes météorologiques ou climatologiques extrêmes.

Suite à la campagne de promotion et de collecte de fonds, les sommes réunies en faveur de la recherche météorologique ont été multipliées par dix depuis 1999 en Corée. Les financements ont doublé tous les cinq ans, ce qui coïncide avec les cycles de mise à niveau des supercalculateurs pour les applications de prévision numérique du temps. En conséquence, la recherche consacrée aux observations et aux prévisions météorologiques, au climat et à la météorologie maritime, s’est largement développée.

Le succès florissant du système coréen de traitement des données et de prévision a permis de véritablement asseoir le développement de diverses autres composantes météorologiques. C’est ainsi que le volume des fonds a augmenté pour financer la recherche appliquée dans certains domaines faisant appel à des modèles et des supercalculateurs, ainsi que des études approfondies portant sur le changement climatique, des applications destinées à la modélisation de l’environnement et de la qualité de l’air, la gestion de l’eau, les économies d’énergie et la géo-ingénierie.

Tout en reconnaissant les progrès accomplis grâce aux investissements réalisés dans son système de traitement des données et de prévision suite à l’analyse qui a conduit à attribuer une valeur sociale aux produits et services fournis, la KMA tient à mettre en garde tous ceux qui, désireux de suivre la même voie, pourraient surestimer les avantages potentiels d’une telle démarche. En survendant les avantages escomptés pour justifier l’achat d’un superordinateur, la KMA s’est exposée pendant de nombreuses années aux critiques du public car les prévisions météorologiques fournies par le superordinateur dans lequel elle avait investi ne répondaient pas aux attentes de la population, laquelle exigeait une fiabilité à 100 % des prévisions, qu’elle soit réelle ou perçue.

Résumé

L’étude de cas consacrée à la KMA montre bien l’intérêt qu’il y a à investir dans un système de traitement des données et de prévision, que ce soit en termes de réalisations techniques ou en termes économiques. L’objectif de la KMA est de partager son expérience avec les Membres de l’OMM à la recherche d’un appui financier de la part des pouvoirs publics ou des organismes de financement en vue de développer leur propre STDP. La KMA, en partenariat avec l’Agence coréenne de coopération internationale, est prête à collaborer avec les centres du Système de traitement des données et de prévision des pays en développement afin de partager avec eux connaissances et expertise.

Le Système mondial de traitement des données et de prévision (SMTDP) de l’OMM englobe les systèmes de traitement des données et de prévision de tous les Membres. Il est amené à évoluer de manière à permettre le partage de données et d’informations en complément des informations fournies par chaque système national afin de répondre aux besoins nationaux et multinationaux.


Références

Hallegatte, S., 2012, Early warning weather systems have very real benefits. http://blogs.worldbank.org/developmenttalk

Institut coréen de développement, 2010, Rapport d’évaluation relatif au projet de développement d’une nouvelle génération de modèle de prévision numérique du temps (en coréen), 199 p.

Institut coréen d’évaluation et de planification scientifique et technologique, 2005, Étude pour la mise en place d’un Centre des typhons et la planification de la recherche à long terme (en coréen), 161 pKMA, 2003, Optimization and effective operation of KMA supercomputer, 202 p.

Park, K.-H., 2002, The analysis of economic effects of KISTI supercomputing center, université de Hankyoung, série de documents, 34, 37-45.

Schroter, K., M. Otrowski. C. Velasco, H.P. Nachtnebel, B. Kahl, M. Beyene, C. Rubin, et M. Gocht, 2008: Effectiveness and efficiency of early warning systems for flash-floods (EWASE). Premier appel d’offre commun du programme CRUE ERA-NET – Évaluation et gestion du risque d’inondations: Efficacité et efficience des mesures non-structurelles de gestion des inondations, 137 p.


________________

¹ Administration météorologique coréenne