Lauréat du Prix de l’OMI: Professeur Zaviša Janjić

Le cinquante-septième Prix de l’Organisation météorologique internationale (OMI) a été décerné au Professeur Zaviša Janjić afin de souligner le travail remarquable qu’il a accompli sa vie durant pour faire avancer les aspects théoriques et pratiques de la modélisation de l’atmosphère et de la prévision numérique du temps. On lui doit notamment la mise au point de plusieurs générations de modèles de l’atmosphère à partir de méthodes numériques et de schémas de paramétrisation novateurs. Le Professeur Janjić a joué un rôle de premier plan dans l’élaboration des fondements scientifiques de plusieurs modèles, dont celui de l’Institut d’hydrométéorologie et de l’Université de Belgrade (HIBU), l’Eta du NCEP, le modèle non hydrostatique d’échelle moyenne pour la recherche et la prévision météorologique (WRF NMM) et le récent NMMB multi-échelles unifié. Ces systèmes ont servi à étudier et à anticiper les conditions météorologiques dans le monde entier, ont inspiré les travaux de nombreux chercheurs et ont fourni des prévisions à des millions d’utilisateurs. Le Professeur Janjić a accepté de répondre à nos questions à l’occasion de la cérémonie de remise du Prix de l’OMI, en mai 2013.

Qu’êtes-vous le plus fier d’avoir accompli?

«Ma carrière a été parsemée de défis. Il m’a fallu des années pour résoudre certains problèmes, et plusieurs ne sont toujours pas résolus. À part l’enseignement, j’ai surtout travaillé dans les Services météorologiques, où on est constamment confronté à des difficultés qu’il faut régler sur-le-champ. C’était exigeant, mais stimulant sur le plan scientifique et, je pense, très bénéfique puisque je pouvais avoir une meilleure vue d’ensemble et apporter une réponse plus cohérente aux diverses questions qui se posaient.

Cérémonie de remise du Prix en mai 2013

«En début de carrière, je me suis surtout intéressé aux méthodes numériques de discrétisation des processus hydrostatiques. Quand j’étais doctorant, j’avais trouvé une solution stable et efficace au problème de découplage sur des grilles horizontales semi-décalées, en ciblant uniquement les termes les plus pertinents de l’équation de continuité. Cela a donné lieu à mon premier article dans une revue scientifique digne de ce nom.

«Je me suis également attaqué à l’erreur de la force du gradient de pression dans les systèmes de coordonnées qui suivent le terrain et aux transformations de l’énergie cinétique et potentielle par le biais du terme “oméga-alpha” de l’équation thermodynamique. J’ai trouvé une explication pour l’erreur de la force du gradient de pression, j’ai proposé une façon de la minimiser et j’ai élaboré un schéma de conservation de l’énergie pour le terme oméga-alpha de l’équation thermodynamique. Contrairement à la méthode classique de division temporelle, j’ai conservé l’advection de pression dans le terme oméga-alpha au sein du groupe du mode rapide. Le système était ainsi divisé en sous-systèmes conservant l’énergie.

«Mais le problème qui m’a toujours fasciné est la nonlinéarité des flux atmosphériques. Dans ce domaine, je me suis inspiré des travaux d’Akio Arakawa. Son jacobien conservant l’énergie, l’enstrophie et la quantité de mouvement qui contrôle la cascade non linéaire d’énergie est peut-être l’apport le plus important du siècle dernier aux méthodes numériques utilisées dans les modèles atmosphériques. Cependant, quand j’ai commencé à étudier les flux non linéaires, on n’était même pas certain de pouvoir appliquer convenablement le jacobien d’Arakawa aux grilles horizontales semi-décalées. Le premier schéma non linéaire que j’ai conçu conservait l’énergie et l’enstrophie; mais je me suis vite rendu compte que la conservation formelle de l’énergie et de l’enstrophie sur des grilles horizontales semi-décalées n’était pas suffisante pour bien contrôler la cascade d’énergie non linéaire sur toute la gamme du spectre. En étudiant davantage le jacobien d’Arakawa, j’ai découvert certaines propriétés inconnues jusque-là; je les ai utilisées pour élaborer un nouveau schéma d’advection pour les grilles semi-décalées qui conservait plusieurs propriétés intrinsèques et contrôlait la cascade non linéaire de manière plus stricte que tout autre schéma. Ces efforts ont été récompensés; comme je l’espérais, les calculs étaient remarquablement stables et exempts de bruit dans tous les modèles à partir du modèle HIBU, et dans la reproduction réussie de la forme du spectre atmosphérique qui n’était pas un simple effet cosmétique dû aux filtres numériques. C’est ce dont je suis le plus fier.

«Par la suite, j’ai “isotropisé” tous les opérateurs de divergence et d’advection, suivant la particularité du jacobien d’Arakawa voulant que chaque point de grille échange des flux avec huit points adjacents. J’ai aussi élaboré une physique temporaire «minimum». Pour commencer, j’ai introduit toutes ces nouveautés dans le modèle HIBU. Mes travaux sur l’erreur de la force du gradient de pression et sur le terme oméga-alpha, ainsi que mon premier schéma conservant l’énergie et l’enstrophie étaient décrits dans ma thèse de doctorat et dans un article qui m’a valu le Prix de l’OMM destiné à récompenser de jeunes chercheurs. Pour un autre article, sur la façon de prévenir la séparation aux échelles inférieures à la grille dans le modèle HIBU, j’ai reçu le Prix de l’OMM attribué au titre du Fonds d’affectation spéciale Borivoje Dobrilovic.»

Quels défis scientifiques ont marqué la suite de votre carrière?

«La dynamique du modèle Eta du NCEP reposait sur les mêmes principes que ceux utilisés dans le modèle HIBU, mais avec la possibilité de bloquer le flux par des montagnes en escalier. Deux grands défis se sont présentés à moi quand je suis arrivé au CMN/CNEP, où j’allais rester plus de vingt ans. Le premier concernait la vectorisation de la dynamique; le deuxième était beaucoup plus complexe, il s’agissait d’élaborer un ensemble physique complet (mis à part le rayonnement). Cet ensemble faisait appel aux méthodes les plus modernes, à l’époque, pour représenter la turbulence, les processus en surface, la convection humide et les précipitations stratiformes. En ce qui concerne les montagnes en escalier, j’ai aidé à spécifier les conditions aux limites latérales internes. Il fallait absolument résoudre ce problème pour introduire le blocage sans interférer avec des caractéristiques intéressantes du modèle HIBU. La dynamique vectorisée avec l’option de montagnes en escalier et l’ensemble physique complet allaient devenir le modèle Eta, qui a été grandement modifié et amélioré au fil des ans. La représentation de la topographie dans les modèles atmosphériques n’est toujours pas parfaite, mais les scientifiques continuent d’étudier la question.

«J’ai élaboré un modèle de sous-couche visqueuse pour l’interface entre l’atmosphère et l’océan et j’ai conçu un modèle beaucoup plus fin de la surface des terres émergées; pourtant, ma plus grande contribution à l’ensemble physique a porté, au bout du compte, sur la paramétrisation de la turbulence et de la convection humide. Afin de résoudre certains problèmes de convection dans le modèle Eta, j’ai généralisé le schéma pour la convection profonde de manière à englober une large gamme de régimes convectifs et à permettre un passage sans heurt vers les précipitations à l’échelle de la grille. Pour la convection peu profonde, j’ai dérivé la fermeture du deuxième principe de la thermodynamique. Le schéma Betts-Miller-Janjić, qui comprend ces extensions et généralisations, a été largement utilisé.

«Les questions soulevées par le modèle de turbulence Mellor-Yamada d’ordre 2.5 étaient plus difficiles. Le principal problème était une singularité dans l’équation de production et de dissipation de l’énergie cinétique de turbulence dans le cas d’une turbulence croissante régie par la convection. Là, j’ai créé le critère de réalisabilité et élaboré une méthode non singulière, inconditionnellement stable, pour résoudre l’équation d’énergie cinétique de turbulence dans la gamme instable. En ce qui concerne la stratification stable, j’ai établi un critère pour l’échelle de longueur principale à partir des relations internes du modèle de turbulence, qui a remplacé le critère habituel fondé sur la stabilité. Grâce au schéma Mellor-Yamada-Janjić étendu, l’application sans discontinuité est devenue possible sur toute la gamme de stabilité, incluant la turbulence croissante sous l’action de la convection et la convection libre.»

Quelles modifications ou approches originales avezvous introduites dans vos modèles non hydrostatiques pour la prévision numérique du temps?

«Au sein de l’initiative WRF (recherche et prévision météorologique), j’ai conçu un modèle non hydrostatique applicable à la prévision numérique du temps, appelé WRF NMM. Il a remplacé l’Eta dans les activités du NCEP et constitue l’un des deux coeurs dynamiques des modèles WRF. Le coeur du modèle WRF NMM commande aussi le modèle WRF de prévision des ouragans au NCEP.

«La mise au point de la plupart des modèles non hydrostatiques de prévision numérique du temps se faisait en reproduisant, aux échelles synoptiques et au-delà, les principes de la modélisation non hydrostatique à moyenne échelle. Ma technique était différente. Elle consistait à assouplir l’approximation hydrostatique dans ma précédente formulation hydrostatique, qui avait été validée pour la prévision opérationnelle du temps et l’étude du climat régional, tout en évitant de spécifier exagérément le système non hydrostatique d’équations. La dynamique non hydrostatique est introduite par le biais d’un module surajouté qui peut être activé ou non. Les essais classiques de modèles non hydrostatiques ont démontré la validité de la méthode.

«La séparation des apports non hydrostatiques montre parfaitement l’effet que l’assouplissement de l’approximation hydrostatique a sur les équations hydrostatiques et permet de comparer les solutions hydrostatiques et non hydrostatiques. On a obtenu une efficacité de calcul remarquable avec le modèle tridimensionnel complet en évitant la division temporelle et la différenciation temporelle itérative.

«Ces dernières années, j’ai développé un modèle non hydrostatique multi-échelles unifié pour une large gamme d’échelles spatiales et temporelles (NMMB). Il repose sur les expériences conduites avec le WRF NMM. Dans la version mondiale, on tient compte du problème de la singularité polaire en filtrant les tendances des variables du modèle de base, ce qui ralentit les mouvements aux échelles qui deviendraient sans cela instables. Le NCEP exploite déjà la version régionale du NMMB à la place du WRF NMM.»

Vers quels domaines devrait s’orienter la recherche scientifique?

«La modélisation des processus atmosphériques a accompli d’immenses progrès depuis les premiers résultats intéressants obtenus il y a soixante ans. Il reste toutefois plusieurs questions à régler. Je n’en mentionnerai que quelques-unes ici, mais il y en a d’autres.

«La modélisation de l’atmosphère a toujours progressé au même rythme que l’informatique. La puissance des ordinateurs que nous utilisons aujourd’hui permet d’appliquer en exploitation des résolutions horizontales de l’ordre de 10 km à l’échelle du globe. L’architecture parallèle est bien établie, et certains paradigmes courants de modélisation devraient peut-être évoluer afin de tirer pleinement parti de la puissance du traitement parallèle.

En l’occurrence, l’emploi des méthodes eulériennes locales et de la différenciation temporelle explicite présente plus d’intérêt pour minimiser les communications entre les processeurs qui travaillent en parallèle.

«Aux échelles mondiales, le traitement de la géométrie sphérique n’est toujours pas résolu. La simple grille latitude-longitude avec différenciation spatiale locale et temporelle explicite évite la non-localité bidimensionnelle inhérente aux discrétisations de Galerkin et à la différenciation temporelle implicite, et exige aussi des halos de sous-domaines plus étroits. Cependant, le filtrage polaire fondé sur les transformations de Fourier rapides classiques nécessite des transpositions qui induisent des communications supplémentaires. Des recherches sont donc en cours pour trouver un meilleur moyen de traiter la géométrie sphérique et/ou utiliser des transformations de Fourier plus rapides en parallèle.

«Une autre difficulté à l’échelle mondiale est que l’on approche très vite de la limite de validité de l’approximation hydrostatique. Vu la sensibilité que les prévisions déterministes à échéance prolongée présentent à l’égard de petites perturbations, nous aurons peut-être besoin de modèles non hydrostatiques mondiaux plus tôt que nous le croyons, ce qui risque de poser d’autres problèmes liés à l’efficacité de calcul des schémas non locaux.

«La théorie et la pratique montrent cependant que la prévision d’ensemble permet de réduire et de quantifier statistiquement les incertitudes dans la prévision des processus atmosphériques. Mais on ne sait pas trop quand les limites de la prévision déterministe seront atteintes et quand la prévision d’ensemble restera la seule technique susceptible d’apporter de nettes améliorations. Ce point n’est pas encore atteint selon moi et il est encore possible d’affiner les prévisions à toutes les échelles spatiales en perfectionnant les systèmes déterministes.

«La paramétrisation de la convection humide est un autre problème tenace, même si la question a progressé récemment. En effet, les hypothèses qui sous-tendent le paradigme de paramétrisation le plus largement accepté ne sont plus valides aux résolutions horizontales que l’on utilise déjà en exploitation. On cherche donc à obtenir un comportement asymptotique plus réaliste quand la résolution horizontale augmente.

«Il faudrait aussi pousser les recherches sur la prévision de la nébulosité et sur l’interaction des nuages et du rayonnement. Cette question relève de la paramétrisation à la fois des processus microphysiques et du rayonnement. Étant donné que le rayonnement solaire est la source d’énergie qui conditionne l’atmosphère, cette question est particulièrement importante pour la prévision à échéance prolongée et pour l’étude du climat.»

Quels défis attendent les jeunes météorologistes à votre avis?

«Rien ne saurait compenser le fait que certains processus atmosphériques soient négligés ou que les conditions initiales et aux limites soient inexactes ou inadéquates. C’est pourquoi je pense qu’il faudra intégrer davantage les systèmes, par exemple coupler les modèles de l’atmosphère, des terres émergées, des glaces et des océans, et tenir compte des effets plus complexes des aérosols et de la chimie de l’atmosphère. Je crois cependant que la plupart des améliorations qui surviendront dans le domaine de la prévision déterministe découleront de l’affinement des techniques d’assimilation et de l’assimilation d’un plus grand nombre de types de données provenant de sources d’observation additionnelles. C’est dans ce domaine que les jeunes générations pourraient apporter le plus.»

Quels éléments extérieurs ont contribué à votre carrière scientifique?

«Je n’ai pas vécu et travaillé en vase clos. J’ai été en relation avec de nombreux chercheurs extraordinaires, dont Aksel Wiin-Nielsen, Lennart Bengtson et Eugenia Kalnay qui ont, eux aussi, reçu le Prix de l’OMI. Un élément très important et, à bien des égards, décisif a été le cadre de travail privilégié et productif qu’offrait le CMN/ NCEP, ainsi que la compréhension et le soutien dont j’ai bénéficié, notamment de la part de Ron McPherson, Louis Uccellini, Steve Lord et Geoff DiMego. J’ai pu clarifier et formuler plusieurs idées importantes grâce à de longues discussions avec Joe Gerrity et j’ai reçu beaucoup d’aide d’autres membres du NCEP. Je dois énormément à une foule d’autres personnes avec lesquelles j’ai travaillé et coopéré. Je commets une injustice en ne citant pas leur nom, mais toute liste que je pourrais dresser maintenant serait incomplète, ce qui serait encore plus injuste. Quoi qu’il en soit, ma carrière n’aurait pas été aussi longue, et rien n’aurait été possible, sans l’encouragement et l’aide de ma famille, en particulier de ma femme Gordana.»

Spectre d’énergie cinétique (losanges bleus) à 300 hPa dans un domaine limité au dessus de l’océan Atlantique, moyenne temporelle sur 36 48 heures, produit par l’une des premières versions du NMMB. Les pentes –3 (carrés roses) et –5/3 (triangles jaunes) sont incluses à des fins de comparaison. Début du passage à 12 UTC, 09/07/2003, avec une résolution de 15 km et 32 niveaux. Un cyclone extratropical vigoureux a traversé le domaine. (Source: Janji ć, Z., 2004: «The NCEP WRF Core», Extended abstract, 20th Conference on Weather Analysis and Forecasting/16th Conference on Numerical Weather Prediction, AMS, Seattle, Washington, 10-15 janvier 2004, 21 p.)

Distribution spatiale de l’humidité spécifique à 500 hPa extraite de l’unité VASS du satellite FY-3B, le 01-09-2013; a) observation ascendante b) observation descendante.

Lauréat du Prix de l’OMI:
Professeur Zaviša Janjić

Lieu et date de naissance: Čačak (Serbie), 1949

Diplômes: Licence en météorologie (1971) de l’Université de Belgrade, maîtrise (1974) et doctorat (1977) ès sciences de l’Université de Zagreb

Principal champ de recherche: Modélisation numérique de l’atmosphère

Parcours professionnel

1971-1973: Centre des sciences atmosphériques, Université de Belgrade

1973-1985: Institut fédéral d’hydrométéorologie de Yougoslavie

1985-1986: Institut d’hydrométéorologie de Serbie

Université de Belgrade: Professeur adjoint (1978),  professeur agrégé (1987), professeur titulaire (1991); poste à plein temps au Collège de physique à compter de 1987

1975-1976: Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT)

1989-1990: Directeur du programme scientifique de l’UCAR [Coopération universitaire pour la recherche atmosphérique] au Centre météorologique national (CMN) de Washington, D.C.

1994-2009: Centre national de prévision environnementale (NCEP) de Washington par le biais de l’UCAR

2009: Entrée au NCEP

Associations scientifiques: Correspondant de l’Académie des sciences et des arts de Serbie à compter en 2000

Organes scientifiques internationaux: Membre du Groupe de travail de la prévision météorologique à courte et moyenne échéance relevant de la Commission des sciences de l’atmosphère de l’OMM (1982-1986); président du Comité directeur du Projet de modèles à domaine limité pour les phénomènes extratropicaux relevant de la Commission des sciences de l’atmosphère de l’OMM (1983-1988);  membre du Groupe de travail de l’expérimentation numérique relevant de la Commission des sciences de l’atmosphère de l’OMM et du Conseil international pour la science (1985-1990); membre du Comité consultatif scientifique du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (1985-1993)

Principales réalisations
 

Distinctions scientifiques

1978: Prix de l’OMM destiné à récompenser de jeunes chercheurs de la Région VI (Europe)

1981: Prix de l’OMM en météorologie attribué au titre du Fonds d’affectation spéciale Borivoje Dobrilovic

2007: Prix Francis W. Reichelderfer de l’American Meteorological Society (pour sa «contribution exceptionnelle à la mise au point et à l’exploitation des modèles de prévision du temps à domaine limité du NCEP (Eta et NMM). Les méthodes numériques et les schémas de paramétrisation qu’il a développés conjuguent parfaitement les solutions théoriques et concilient au mieux l’élégance et la commodité»)

2012: Cinquante-septième Prix de l’Organisation météorologique internationale (OMI)