Programme mondial de recherche sur la prévision du temps: perspectives pour les 10 prochaines années

Par Gilbert Brunet[1], Thomas Jung[2], Neil Gordon[3], Frédéric Vitart[4], Andrew Robertson[5], Brian Golding[6], Sarah Jones[7], Helge Goessling[8] et le Secrétariat de l'OMM[9]
 

La prévision du temps a fait des progrès immenses grâce à la recherche et aux avancées réalisées dans les domaines des télécommunications, des technologies de l'information et des infrastructures d'observation. Les limites des capacités de prévision dépassent désormais les 10 jours dans certains cas, et on arrive de plus en plus souvent à diffuser, plusieurs jours à l'avance, des alertes précoces concernant les phénomènes météorologiques extrêmes. Les méthodes de prévision d’ensemble fournissent régulièrement des informations sur la probabilité d'événements particuliers et jouent un rôle clé dans de nombreux systèmes de prise de décisions. Du fait notamment de ces avancées, les besoins des utilisateurs des services météorologiques se sont simultanément diversifiés et comprennent désormais les prévisions «environnementales» – par exemple prévisions de la qualité de l'air et prévisions hydrologiques.

Toutes ces avancées ont été rendues possibles grâce aux activités de recherche et de développement technique menées par les centres opérationnels et les universités, par les fournisseurs de données d'observation en surface et de données d'observation spatiale, et par le secteur de l’informatique. Au cours des récentes décennies, plusieurs programmes de recherche internationaux d'envergure ont joué un rôle de premier plan dans la promotion d'une collaboration essentielle. En particulier, le Programme mondial de recherche sur la prévision du temps (PMRPT) de l'OMM et l’Expérience concernant la recherche sur les systèmes d'observation et la prévisibilité (THORPEX), menée de 2005 à 2014, ont largement contribué à accélérer ces progrès..

Conscients du fait que des sources possibles de prévisibilité, encore mal comprises à ce jour, pourraient renforcer la capacité de prévision à toutes les échelles spatiales et temporelles, les spécialistes de la météorologie sont prêts à passer à une étape supérieure.In this context, the Earth system – and environmental prediction – encompasses the atmosphere and its chemical composition, the oceans, the sea-ice and other cryosphere components and the land-surface, including surface hydrology, wetlands, and lakes. The relevant parts of the system also include the short time-scale phenomena that result from the interaction between one or more components such as severe storms, floods, heat waves, smog episodes, ocean waves and storm surges. On longer – beyond seasonal – time scales, the terrestrial and ocean ecosystems including the carbon and nitrogen cycles and slowly varying cryosphere components, such as the large continental ice sheets and permafrost, are also part of the Earth system; these time scales, however, are the subject of the World Climate Research Programme (WCRP) with which WWRP strongly interacts.

À cet égard, les méthodes de prévision concernant le système terrestre et l'environnement portent sur l'atmosphère et sa composition chimique, les océans, la glace de mer et les autres composantes de la cryosphère, ainsi que sur les terres émergées, y compris les conditions hydrologiques de surface, les milieux humides et les lacs. Les éléments pertinents du système comprennent également les phénomènes de courte durée tels que les fortes tempêtes, les crues, les vagues de chaleur, les épisodes de smog, les vagues océaniques et les ondes de tempête. À plus long terme – au-delà de l'échelle saisonnière –, les écosystèmes terrestres et océaniques, y compris les cycles du carbone et de l'azote et les composantes de la cryosphère qui évoluent lentement (par exemple, les vastes inlandsis et les zones de pergélisol) font également partie du système terrestre. Les phénomènes qui évoluent à ces échelles temporelles intéressent au premier chef le Programme mondial de recherche sur le climat (PMRC), avec lequel le PMRPT collabore étroitement.

Le PMRPT, travaillant en partenariat avec d’autres organismes, veillera à la mise en œuvre d'une stratégie de recherche visant à porter l'échéance des prévisions continues des éléments du système 

terrestre de quelques minutes à plusieurs mois. Trois projets lancés pour perpétuer l'héritage du programme THORPEX serviront de piliers à cette stratégie au cours des dix prochaines années:

• Le Projet de prévision polaire, relevant du PMRPT, qui vise à encourager des travaux de recherche coordonnés à l'échelle internationale en vue d’améliorer les services de prévision dans les domaines du temps et de l'environnement pour les régions polaires, qu'il s'agisse de prévisions à quelques heures d'échéance ou de prévisions saisonnières;
• Le Projet de prévision infrasaisonnière à saisonnière, une initiative commune du PMRPT et du PMRC, qui a pour objet d’améliorer la qualité et la compréhension des processus de prévisions à l’échelle infrasaisonnière à saisonnière en attachant une attention particulière au risque de phénomènes météorologiques extrêmes, y compris les cyclones tropicaux, les sécheresses, les inondations, les vagues de chaleur et l’augmentation et la diminution des précipitations de mousson;
• Le Projet de recherche du PMRPT sur la prévision des conditions météorologiques à fort impact (HIWeather), qui vise à promouvoir des travaux de recherche coordonnés à l’échelle internationale pour accroître de façon notable la résilience face aux phénomènes météorologiques à fort impact dans le monde entier en améliorant les prévisions météorologiques aux échelles temporelles allant de quelques minutes à deux semaines et en favorisant leur diffusion et leur exploitation à des fins socio-économiques et environnementales.

Les régions polaires ont beaucoup retenu l'attention au cours des dernières années à cause des préoccupations suscitées par l'amplification des changements climatiques anthropiques et du fait que ces régions comptent parmi les derniers territoires de la planète dont les ressources naturelles restent à découvrir et à exploiter. Les progrès de la technologie et du génie réalisés au cours des 40 dernières années – en particulier dans les domaines des télécommunications, du transport et des processus industriels – conjugués à la hausse de la demande de matières premières comme le pétrole, le gaz naturel et les minéraux sur les marchés internationaux ont fortement stimulé l'investissement, la recherche et le développement, les migrations (dans certaines régions) dans les territoires polaires ainsi que l'intérêt politique manifesté pour ces régions.

Ayant pris conscience de cette évolution, le Congrès météorologique mondial a décidé en 2011 de s'engager dans un vaste projet décennal: la mise en place d'un Système mondial intégré de prévision polaire (GIPPS). Pour réaliser ce projet, nous devrons effectuer des recherches afin d'accroître notre connaissance de phénomènes comme les nuages polaires, la dynamique des glaces de mer et des océans, le pergélisol et la dynamique des nappes de glace. Ces recherches permettront de mieux comprendre les liens qui existent entre les zones polaires et les zones de plus basse latitude, d'optimiser le système d'observation polaire, d'élaborer des systèmes d'assimilation des données, de renforcer les systèmes de modélisation et de perfectionner les éléments de la prévision d'ensemble afin d'améliorer la qualité des prévisions sur un large éventail d'échelles temporelles.

Deux projets étroitement liés, le Projet de prévision polaire relevant du PMRPT et l’Initiative du PMRC concernant la prévisibilité du climat polaire, visent à contribuer à la mise en place du GIPPS.

Pour répondre à l'augmentation rapide de la demande pour des services de prévision plus compétents et plus fiables dans les régions polaires et au-delà, huit grands objectifs de recherche ont été définis:

• Mieux comprendre la nécessité de renforcer les  services de prévision dans les régions polaires et en évaluer les avantages;
• Élaborer et mettre en œuvre des méthodes de vérification adaptées aux régions polaires;
• Donner des directives pour l'optimisation des systèmes d’observation dans les régions polaires et coordonner les observations supplémentaires requises à l'appui de la modélisation et de la vérification;
• Améliorer la représentation des principaux processus dans les modèles de l'atmosphère, des terres, des océans et de la cryosphère polaires;
• Mettre au point des systèmes d'assimilation des données prenant en compte les caractéristiques uniques des régions polaires;
• Élaborer et exploiter des systèmes de prévision d'ensemble assurant une représentation appropriée des conditions initiales et de l’incertitude liée aux modèles pour les régions polaires;
• Caractériser la prévisibilité et définir les sources principales d'erreurs de prévision dans les régions polaires;
• Améliorer les connaissances sur les rapports réciproques entre les régions polaires et les régions de plus basse latitude et sur leurs incidences sur les prévisions à l'échelle mondiale.

La réalisation de ces huit objectifs exigera une collaboration internationale et interdisciplinaire renforcée rendue possible par l'établissement de liens étroits avec des initiatives connexes, le renforcement des liens entre les universités, les instituts de recherche et les centres de prévision, l'amélioration des interactions et de la communication entre les chercheurs et les parties prenantes, et la promotion de l'éducation et de la sensibilisation du public. Les avantages escomptés s'étendront cependant au-delà des échelles de temps (échéance horaire à saisonnière) et des régions (Arctique et Antarctique) considérées par le Projet de prévision polaire:

• Une meilleure représentation des principaux processus polaires – par exemple les couches limites stables et la dynamique des glaces de mer – dans les modèles (couplés) devrait réduire les erreurs systématiques constatées dans les modèles du climat et, partant, les incertitudes qui entachent les projections sur l’évolution du climat à l’échelle régionale et mondiale;
• Une amélioration des prévisions environnementales dans les régions polaires, qui conduira à des prévisions plus précises dans les autres régions du monde, du fait des téléconnexions qui existent à l'échelle de la planète.

Pour bénéficier pleinement des retombées de ce domaine de recherches véritablement intégré, il est essentiel de créer et d'entretenir des liens étroits avec les milieux de la recherche en climatologie et les spécialistes de la prévision du temps qui ont traditionnellement concentré leur attention sur les régions autres que les régions polaires.

Les observations jouent un rôle transsectoriel dans le contexte d'un système couplé de prévision polaire. Elles sont essentielles à la compréhension des processus physiques qui doivent être pris en compte dans la modélisation du système formé de l’océan, de l’atmosphère, des terres émergées, des vagues et de la glace, ainsi qu'à l'initialisation, à l'assimilation et à la vérification des modèles, et jouent un rôle de premier plan dans l'amélioration du paramétrage et des prévisions. Les mesures in situ sont indispensables pour améliorer les divers aspects de la collecte de données par satellite et constituent le seul moyen d'observer les conditions qui existent sous la surface des océans. Les observations traduisent la réalité de terrain, que le système de prévision soit couplé ou non, polaire ou mondial. Il est donc important de porter attention aux enjeux – modélisation, assimilation des données et prévision d'ensemble – propres au problème des prévisions polaires couplées.

L'Année de la prévision polaire, une campagne d'observations qui s'étendra du deuxième semestre de 2017 au deuxième semestre de 2019, sera la clé de voûte d'un effort international ciblé et intensif visant à améliorer considérablement les systèmes d'observation polaire et les capacités de prévision. Cette campagne devrait inclure la mise en place d'une ou plusieurs stations d'observation de l'évolution pluriannuelle de l’étendue des glaces de mer (notamment dans le cadre du projet d'observatoire multidisciplinaire dérivant pour l'étude du climat de l'Arctique – MOSAiC), le déploiement d'échantillonneurs autonomes, le renforcement de la surveillance exercée à partir de navires naviguant régulièrement en zones polaires et des études coordonnées intensives effectuées sur le terrain par des navires, des aéronefs et des stations d’observation en surface. L'Année de la prévision polaire sera mise en œuvre en étroite collaboration avec l'Initiative sur la prévisibilité du climat polaire et d'autres initiatives connexes. Elle comportera quatre grands volets: une période d'observation intensive; une période complémentaire de modélisation et de prévision; une période de suivi intensif et de vérification de l'utilisation des prévisions pour la prise de décisions; et une campagne spéciale d'éducation. (Pour en savoir plus, voir le Bulletin de l'OMM, volume 63 (1) 2014)
 

On attache depuis longtemps beaucoup plus d'importance à la prévision saisonnière ou à moyenne échéance qu'à la prévision à l'échelle infrasaisonnière, cette échelle de temps ayant longtemps été considérée comme «terra incognita» pour la prévisibilité. Or, les recherches récentes ont montré que la prévisibilité dans cette plage temporelle pourrait être grandement améliorée grâce à plusieurs facteurs – par exemple, meilleure compréhension et représentation de phénomènes atmosphériques tels que l’oscillation de Madden–Julian et amélioration de l’initialisation et du couplage avec les terres émergées-l’océan-la cryosphère et la stratosphère.

Du point de vue de l’utilisateur final, une foule de décisions de gestion touchant l’agriculture, la sécurité alimentaire, les ressources en eau, la réduction des risques de catastrophes et la santé tombent dans la plage infrasaisonnière à saisonnière. Une meilleure connaissance de ces sources potentielles de prévisibilité et les progrès réalisés dans les domaines de l'élaboration des modèles, de l'assimilation des données et des moyens de calcul devraient conduire à des prévisions plus fiables.

Le projet de prévision infrasaisonnière à saisonnière comportera les éléments que voici:

• Évaluation de la qualité des prévisions infrasaisonnières, y compris les possibilités d’amélioration des prévisions, en s’attachant particulièrement aux phénomènes météorologiques à fort impact;

• Compréhension des erreurs et biais systématiques dans la gamme des prévisions infrasaisonnières à saisonnières;

• Comparaison, vérification et mise à l'essai de combinaisons multimodèles à partir de ces prévisions et mesure de l’incertitude qui leur est attachée;

• Examen approfondi d'études de cas portant sur des phénomènes extrêmes particuliers comme la vague de chaleur qui s'est abattue sur la Russie en 2010, les inondations qui ont frappé le Pakistan en 2010 et l'Australie en 2011 et la vague de froid qui s'est abattue sur l'Europe en 2012. (Pour en savoir plus, consulter le Bulletin de l'OMM, volume 61 (2), 2012)

Les possibilités offertes par la prévision des risques liés aux conditions météorologiques ne sont plus à démontrer. Ce type de prévision est fort précieux s’agissant de protéger les vies humaines et le bien-être des collectivités. Ce projet a pour objectif d’«encourager des travaux de recherche coordonnés à l’échelle internationale pour améliorer de façon notable la résilience face aux phénomènes météorologiques à fort impact dans le monde entier» et ce grâce à une amélioration  des prévisions météorologiques aux échelles temporelles allant de quelques minutes à deux semaines, de leur diffusion et de leur exploitation à des fins socio-économiques et environnementales.

Les conséquences des phénomènes météorologiques dépendent à la fois de leur gravité et de la vulnérabilité de ceux qui y sont exposés. Pour accroître la résilience de ces derniers, il faut poursuivre les recherches afin d'améliorer la surveillance et la prévision des conditions météorologiques et des risques qu'elles présentent, et apprendre à mieux évaluer les conséquences sur l'homme et à communiquer efficacement les informations pertinentes aux populations les plus vulnérables. Le projet compte donc intégrer des activités relevant de plusieurs disciplines des sciences physiques et sociales.

Le projet mettra l'accent sur la réduction de la mortalité et de la morbidité, des dégâts et des perturbations liées à cinq catégories de risques:

• Crues en milieu urbain dues à de grosses pluies, aux débordements de cours d'eau et aux vagues côtières et aux ondes de tempête extrêmes, et glissements de terrain provoqués par ces phénomènes;
• Incendies de forêts et fumée engendrée par ces derniers;
• Bourrasques très violentes et débris soufflés par le vent lors de cyclones tropicaux et extratropicaux, tempêtes orographiques et tempêtes convectives, y compris les tornades;
• Conditions hivernales extrêmes – neige, glace et brouillard – perturbant les transports, l’approvisionnement en énergie et les communications;
• Chaleur et pollution de l'air dans les mégapoles.

Le projet abordera cinq thèmes de recherche:

• Approfondissement de nos connaissances des processus et de la prévisibilité des systèmes météorologiques qui peuvent présenter un danger, en insistant sur les moyens de réduire les erreurs de prévisions de phénomènes météorologiques extrêmes, sur les interactions à diverses échelles entre systèmes, sur les causes de la stationnarité, sur les rôles de la couche limite planétaire et sur les processus de surface et ceux liés à des dangers particuliers;
• Prévision multi-échelles des risques au moyen de modèles numériques couplés de prévision du temps fondée sur les interactions entre les océans, la surface des terres émergées, la glace et la qualité de l'air, les prévisions immédiates, l’assimilation des données et les systèmes de post-traitement des données, en portant une attention particulière aux observations à l'échelle de la convection, à l'assimilation des données, au paramétrage des nuages et aux processus de surface, à la prévision d'ensemble et aux outils pratiques de prévision des risques à courte échéance;
• Prévision des incidences sur la population, de l'exposition et de la vulnérabilité de celle-ci et des risques qui pèsent sur les personnes, sur les bâtiments, sur les entreprises, sur les infrastructures et sur l'environnement, en insistant sur la collecte des données d'observation, le partage des méthodes existantes, la représentation de la vulnérabilité et l'accumulation des connaissances dans ce domaine d'activités;
• Diffusion de prévisions et d’alertes à l'intention des collectivités vulnérables et sensibilisation des responsables de la gestion des risques et du public en vue d'accroître leur capacité d'adaptation en insistant sur le partage et l'élaboration de bonnes pratiques, l'observation et la compréhension des raisons qui justifient les divers types de réactions et le renforcement des capacités en matière de recherche;
• Évaluation des prévisions, avis et alertes concernant des conditions météorologiques extrêmes, de leurs incidences et des risques associés, des avis et alertes et des réactions qu'ils suscitent selon des critères spécifiques au contexte, en insistant sur la collecte de données d'observation utiles, l'évaluation des risques de perte de données de modélisation tout au long de la chaîne de production, l'élaboration de méthodes de vérification des risques, des incidences et des réactions, l'évaluation de l’utilité économique et le renforcement des capacités en matière de recherche.

De ces thèmes se dégagent huit activités transsectorielles: recensement des avantages de la prévision opérationnelle; conception de stratégies d’observation; démonstrations et campagnes sur le terrain; définition des sources d'incertitude et communication de cette information à tous les maillons de la chaîne décisionnelle; vérification du transfert des connaissances; prévision des incidences; gestion et archivage des données.

La gestion du projet sera confiée à un groupe directeur composé de deux coprésidents représentant les secteurs des sciences physiques et des sciences sociales et d'une équipe de chercheurs principaux – un par thème de recherche. Un conseil consultatif stratégique assurera la surveillance des travaux pour le compte des divers secteurs concernés: Services météorologiques et hydrologiques nationaux, prévention des catastrophes, hydrologie, santé, développement économique, prévision, observations et technologie. Les résultats seront intégrés dans des projets de démonstration en matière de prévision menés en collaboration par les universités, les services opérationnels et les utilisateurs finals afin d'évaluer de nouvelles capacités d’alerte dans des contextes particuliers.

Nous sommes au seuil d'une ère nouvelle d'innovations technologiques et d'utilisation et d'intégration de diverses sources d'information pour assurer le bien-être des populations et renforcer leur capacité à faire face à de multiples dangers. Au cours des dix prochaines années, les activités de recherche en météorologie conduiront à l'élaboration de nouveaux outils de prévision qui fourniront des détails sur les conditions météorologiques à l'échelle du quartier ou de la rue et permettront de diffuser des messages d'alerte précoce un mois à l'avance et de prévoir les précipitations pour le bénéfice des producteurs d'énergie. Une meilleure compréhension des processus à petite échelle et de leur prévisibilité inhérente devrait aller de pair avec une meilleure compréhension de la façon dont les informations relatives au temps influent sur les processus de prise de décision et avec une meilleure stratégie de communication.