Recherche et prévision météorologiques renforcées pour les Jeux olympiques et paralympiques d'hiver de Beijing en 2022

Le succès des Jeux olympiques d'hiver dépend énormé­ment des conditions météorologiques. La prochaine édition se tiendra du 4 au 20 février 2022 dans la munici­palité de Beijing et la province environnante du Hebei, en Chine. Les Jeux paralympiques auront lieu un mois plus tard, du 4 au 13 mars. La programmation des événements en plein air fera appel à la prévision immédiate et à la prévision à très courte échéance.

Les valeurs extrêmes de température, d'humidité, de visibilité et de vent influent sur le calendrier des compéti­tions, la performance des athlètes et l'état des pistes, d'où l'importance de détenir des prévisions et des avis exacts et fiables. En outre, cela garantit la sécurité des athlètes, du personnel, des spectateurs et des usagers des services de transport. Enfin, les activités de produc­tion et de stockage de neige doivent s'appuyer sur des prévisions à haute résolution, immédiates et à courte échéance, de l'enneigement et de la température, de l'humidité et du vent en surface.

L'agglomération de Beijing accueillera les cérémonies d'ouverture et de clôture, toutes les compétitions sur glace et les sauts acrobatiques sur tremplin de neige. Les épreuves de ski alpin et de glisse se dérouleront dans le secteur montagneux du Haituoshan, dans le district deYanqing (à une soixantaine de kilomètres au nord-ouest du centre de Beijing). Le ski de fond et le saut à ski auront lieu dans le comté de Chongli (ville de Zhangjiakou), dans la province du Hebei (à une centaine de kilomètres au nord-ouest de Beijing).

Projet de recherche-développement

La fourniture de prévisions pendant les Jeux d'hiver 2022 représente un défi particulier étant donné les conditions de mousson continentale qui caractérisent la région et l'insuffisance de recherches, de techniques d'exploitation et d'expérience sur la prévision météorologique à très haute résolution pendant les mois d'hiver dans ces deux zones montagneuses complexes.

Un projet en cinq volets financé par le Programme national chinois de recherche-développement sur les technologies clés a été lancé afin de résoudre les difficultés que pose la prévision et de répondre aux besoins spéciaux des différentes épreuves en plein air. De nombreux organismes relevant de l'Administration météorologique chinoise (CMA) y participent. Les cinq volets qui composent le projet sont les suivants:

1. Observation météorologique intensive;
2. Prévision immédiate et à très courte échéance;
3. Prévision à courte et moyenne échéance;
4. Prévision sans discontinuité et alerte précoce pour les emplacements et événements clés;
5. Services d'appui météorologique intelligent.

Figure 1. Emplacement des trois centres de compétition, la ligne rouge traçant la frontière Beijing-Tianjin-Hebei (BTH) (carte créée avec Google Earth Pro)

Le programme d'observation météorologique intensive prolongera et élargira une série d'expériences d'observation à haute résolution en cours dans les régions montagneuses de Chongli et du Haituoshan.Le tableau 1 énumère les systèmes in situ et les installations de télédétection employés: stations météorologiques automatiques, stations météorologiques HOBO®, radars Doppler à double polarisation en bande X, radars de détection des nuages, radiomètres à hyperfréquences, profileurs de vent à hyperfréquences, lidars Doppler vent, sodars, radiosondes, satellites, aéronef bimoteur de recherche, etc. Deux radars météorologiques Doppler en bande S sont en train d'être installés dans le secteur montagneux du Haituoshan et le comté de Kangbao (ville de Zhangjiakou).

Le programme d'observation comprendra également des réanalyses à haute résolution et des modèles conceptuels centrés sur les caractéristiques météorologiques de faible étendue dans les deux zones montagneuses, prenant appui sur l'observation multicapteurs, l'assimilation/ intégration des données à haute résolution et la simulation numérique ciblée (simulation des grandes turbulences, modélisation de la dynamique computationnelle des fluides dans différentes conditions synoptiques hivernales, etc.). Ces travaux sont dirigés par deux organismes de la CMA: le Bureau de prévision météorologique du Service météorologique du Hebei (HBMS) et l'Institut de météorologie urbaine (IUM) du Service météorologique de Beijing (BMS).

Le programme de prévision immédiate et à très courte échéance doit définir des méthodes de prévision à haute résolution pour une période de 0 à 24 heures. On recourra pour cela à plusieurs techniques: cycle de rafraîchisse­ment rapide, assimilation des données locales, affinement des processus physiques clés dans les modèles à haute résolution, intégration et synthèse des données de sources multiples (observations et prévisions) et réduction d'échelle et correction des erreurs systématiques de la prévision numérique du temps (PNT) à haute résolution en terrain complexe.

Pour les compétitions de ski et de glisse, les schémas diagnostiques de la prévision immédiate et de la prévision à très courte échéance des paramètres météorologiques clés ou ciblés reposeront sur des observations multi- capteurs et sur la prévision à haute résolution. L'objectif est d'atteindre une résolution de 500 mètres dans toute la zone Beijing-Tianjin-Hebei (BTH, voir la figure 1) et une résolution de 100 mètres dans les deux domaines limités où se dérouleront les principales activités de ski et de glisse (zones montagneuses de Chongli et du Haituoshan). Les résultats attendus sont les suivants: cycle d'actualisation de 10 minutes pour les prévisions de 0 à 12 heures fondées sur la synthèse de données et la réduction d'échelle, résolution de 1 km et actualisation toutes les heures avec la PNT déterministe et résolution de 3 km pour les prévisions de 0 à 24 heures avec la PNT d'ensemble dans la région BTH. L'IUM assure la direction de ces travaux.

Figure 2. Emplacement des principaux centres de ski et de glisse dans a) la zone montagneuse du Haituoshan et b) le secteur de Chongli

Table 1. Catégorie et nombre d'instruments météorologiques qui seront employés pendant les Jeux olympiques d'hiver

Le Centre météorologique national de la CMA se charge des activités touchant la prévision à courte et moyenne échéance. Cela comprend l'élaboration de techniques de prévision pour une période de 1 à 10 jours fondée sur le système chinois GRAPES (analyse et prévision d'échelle mondiale et régionale), l'assimilation des données de satellites, la prévision d'ensemble à haute résolution et la correction des erreurs systématiques de la PNT en terrain complexe. On met également au point des schémas diagnostiques pour la prévision de 1 à 10 jours, au profit des épreuves de ski et de glisse sensibles aux conditions météorologiques, en se basant sur la PNT à courte et moyenne échéance. Le but est de parvenir à un cycle d'actualisation de 3 heures pour les prévisions déterministes, une résolution de 3 km pour les prévisions d'ensemble de 1 à 3 jours et un cycle d'actualisation de 6 heures pour les prévisions déterministes de 3 à 10 jours.

Le Bureau de prévision météorologique du BMS met au point des techniques de prévision sans discontinuité de paramètres météorologiques essentiels - vitesse et direction du vent, intensité des rafales, température, humidité, visibilité, neige, nuages bas, etc. - sur une période allant jusqu'à 240 heures pour différents événements de ski, lieux de rassemblement et sites clés. Des techniques d'alerte précoce de mauvais temps sont également élaborées pour chaque lieu de compétition et autres sites clés; elles utilisent des modèles conceptuels, la correction des erreurs systématiques, des schémas interprétatifs (statistiques de sortie de modèles dynamiques, ensembles d'analogues, par exemple) et l'apprentissage machine à partir des observations et données de prévision aux points de grille issues des programmes susmentionnés et d'autres sources (Centre européen des prévisions météorologiques à moyen terme, entre autres). Enfin, on développe des réseaux numériques de prévision sans discontinuité et d'alerte de risque, incluant la définition des critères particuliers dont a besoin le Comité d'organisation des Jeux olympiques de Beijing pour arrêter le calendrier des épreuves de ski.

Le Centre CMA des services météorologiques destinés au public étudie les aspects techniques de la prestation d'un appui météorologique intelligent au profit d'un éventail d'applications (compétitions de ski, sports sur glace, grandes voies de communication, sauvetage héliporté, projections publiques, médias, etc.), grâce au renforcement du réseau d'observation et à l'élaboration ou l'amélioration des modèles et des techniques de prévision. Différentes approches novatrices seront employées, dont les technologies de l'information, l'intelligence artificielle, la prospection de données et l'informatique en nuage. Des applications météorologiques et des plates-formes d'affichage intelligentes et interactives, nouvelles et affinées, sont également en cours de préparation pour répondre aux besoins de différents groupes d'utilisateurs.

Une entreprise internationale

Figure 3. Liens et contributions des cinq programmes du projet de recherche-développement

La direction des activités opérationnelles et des travaux de recherche-développement exécutés en concertation par les cinq grands organismes de la CMA est peut-être aussi complexe que l'organisation des Jeux eux-mêmes. Les experts d'une quinzaine d'organisations chinoises et de plusieurs instances internationales collaboreront avec les chercheurs et les spécialistes des communications sur place. D'autres unités opérationnelles du BMS, du HBMS et de la CMA, l'Institut de physique atmosphérique (Académie chinoise des sciences) et l'Université de Pékin, entre autres, seront membres de l'équipe nationale. Parmi les institutions étrangères figurent le Centre national de recherche atmosphérique et les programmes d'appui scientifique de la Corporation universitaire pour la recherche atmosphérique, l'Institut central de météorologie et de géodynamique d'Autriche, Environnement et changement climatique Canada, l'Université de l'Oklahoma, l'Université de l'Utah et l'Administration météorologique coréenne.

D'autres organisations pourraient s'ajouter dans les mois et les années à venir. Leur objectif commun sera de fournir aux Jeux olympiques et paralympiques d'hiver 2022 des services et un appui météorologiques «fantastiques, extraordinaires et exceptionnels», comme a promis de l'être cette grande rencontre sportive.

Authors

Mingxuan Chen (contact: mxchenium [dot] cn (mxchen[at]ium[dot]cn))

Jiannong Quan, Institut de météorologie urbaine, Administration météorologique chinoise (CMA), Beijing, (Chine)

Shiguang Miao,  Institut de météorologie urbaine, Administration météorologique chinoise (CMA), Beijing, (Chine)

Ju Li,  Institut de météorologie urbaine, Administration météorologique chinoise (CMA), Beijing, (Chine)

Min Chen, Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration (CMA), Beijing, China

Walter Dabberdt, Centre national de recherche atmosphérique (membre émérite) et Vaisala Inc. (retraité), Boulder, Colorado, (États- Unis d'Amérique)

Zongmin Wang, Bureau de prévision météorologique, Service météorologique du Hebei, Shijiazhuang, Hebei, (Chine)

Guo Deng, Centre météorologique national, CMA, Beijing

Chongping Ji, Bureau de prévision météorologique, Service météorologique de Beijing

Jinjun Pan, Centre de services météorologiques destinés au public, CMA, Beijing

Wei Tang, Centre de services météorologiques destinés au public, CMA, Beijing