Surveiller, prévoir et gérer les catastrophes météorologiques

La protection des personnes et des biens contre les catastrophes liées au temps, au climat et à l'eau a toujours été cruciale pour le développement durable dans le monde. La météorologie est particulièrement concernée puisque le temps est en cause dans près de 90 % des catastrophes naturelles.

La Chine se situe dans une zone de mousson sujette à des conditions météorologiques et climatiques très variables et à de fréquentes catastrophes naturelles de grande ampleur. Menacée depuis des millénaires par ces phénomènes, la population a appris à se prémunir et à comprendre le temps. Ainsi, quelque 2200 à 2100 ans avant notre ère, l'Empereur Yu a aidé le peuple chinois à lutter contre les crues et à aménager les rivières. L'atténuation des catastrophes liées au temps, au climat et à l'eau reste une grande priorité de l'Administration météorologique chinoise (CMA) et des projets de recherche qui lui sont associés.

L'OMM déploie d'immenses efforts dans ce domaine. Elle coordonne les observations, les activités de surveillance et l'échange de données dans le monde et soutient les recherches qui tentent d'améliorer la prévision des phénomènes météorologiques extrêmes. Son Système de traitement des données et de prévision, par exemple, facilite la diffusion des informations ainsi que la mise en commun des capacités de prévision numérique du temps et du climat. Les météorologistes chinois bénéficient des travaux de l'OMM et y contribuent, pour le bien-être de l'humanité.

 

Progrès et réalisations récentes

La surveillance, la prévision et la gestion des catastrophes liées au temps, au climat et à l'eau ont nettement progressé en un siècle. Les scientifiques ont pu exploiter les données de la télédétection spatiale, les produits de la prévision numérique du temps ou du climat et les résultats du traitement des données par des ordinateurs puissants, techniques apparues dans les années 1960 qui sont parvenues à maturité 30 ans plus tard.

On dispose aujourd'hui des moyens suivants: une constellation de satellites météorologiques capables de suivre n'importe quel système, n'importe quand et n'importe où; des modèles perfectionnés capables de prévoir le temps plusieurs heures à plusieurs jours à l'avance et d'anticiper les anomalies climatiques plusieurs mois à plusieurs années à l'avance; des superordinateurs capables de traiter avec rapidité d'immenses volumes de données.

L'étude de quelques cyclones tropicaux (ouragans dans l'Atlantique, typhons dans le Pacifique) et du délai d'anticipation des crues montrera les progrès accomplis et les réalisations survenues récemment. Les premiers relèvent généralement des catastrophes météorologiques, les deuxièmes font partie des catastrophes climatiques classiques.

Cyclones tropicaux (ouragans et typhons)

Figure 1. Formation et trajectoire du centre du typhon Rammasun (12-20 juillet 2014)

Figure 2. Prévisions de la trajectoire du centre du typhon Rammasun produites par les modèles de PNT le 16 juillet (3 jours avant l'arrivée dans la province du Hainan)

En 1900, aucun avis n'a été émis quand l'ouragan Galveston a balayé la ville du même nom sur les côtes du Texas, provoquant l'une des pires catastrophes naturelles de l'histoire des États-Unis d'Amérique; il n'existait pas de systèmes de surveillance et de prévision à l'époque. La ville a été complètement détruite et 6 000 à 8 000 personnes ont perdu la vie.

En 1992, les satellites météorologiques ont suivi de près l'ouragan Andrew. L'alerte véritable n'a été lancée que 24 heures avant l'arrivée sur les côtes, la prévision numérique du temps (PNT) n'étant pas encore très avancée.

À peine 20 ans plus tard, l'arrivée de l'ouragan Sandy (2012) sur le littoral américain a été annoncée 5 jours à l'avance, malgré la trajectoire inhabituelle de la tempête. On le doit aux progrès de la PNT qu'a permis l'assimilation des données satellitaires. De fait, les modèles de PNT n'utilisant pas ces données prévoyaient que l'ouragan poursuivrait sa course vers l'est, sans bifurquer vers les côtes.

Du 12 au 20 juillet 2014, les satellites chinois FengYun-2 et FengYun-3, tout comme des satellites géostationnaires américains et japonais, ont suivi la formation et la progression (figure 1) du super typhon Rammasun. La figure 2 présente la trajectoire du centre du système prévue par divers modèles de PNT le 16 juillet (3 jours avant l'arrivée sur l'île de Hainan).

Grâce aux images satellitaires et aux modèles de PNT, la CMA a pu prévenir les navires et les pêcheurs avant que Rammasun atteigne la mer de Chine méridionale et déclencher l'alerte 36 heures à l'avance dans la province du Hainan. Les autorités provinciales et municipales ont eu assez de temps pour dresser des plans et prendre des mesures en vue d'atténuer les dégâts. Lorsque le typhon a pénétré dans les terres pour la deuxième puis la troisième fois, respectivement dans les provinces du Hainan et du Guangdong, de graves dommages ont été causés par les vents violents (60 à 63 m s^-1 max.), les pluies abondantes, la montée des eaux (3 m) sur le littoral et les hautes vagues (13 m) en mer.

Le typhon Rammasun n'a fait aucune victime dans le Guangdong grâce à la surveillance continue, l'exactitude des prévisions, la planification stratégique et la prise de mesures adaptées. En revanche, les pertes économiques ont été importantes, étant donné la force du système et sa structure asymétrique complexe. Ces éléments restent difficiles à anticiper et exigent de poursuivre les recherches.

Délai d'anticipation des crues

Figure 3. Prévision en temps réel d'anomalie pluviométrique (%) pendant l'été (JJA) 1998, établie par le modèle IAP-DCP, du 1er au 28 février: A)  prévision d'ensemble d'anomalie pluviométrique pendant l'été (JJA) 1998, B)  écart type des éléments de la prévision d'ensemble et C)  probabilité d'anomalie positive

Figure 4. Ampleur des anomalies pluviométriques (%) pendant l'été 1998: A) observations et B) prévisions

Les régions de mousson sont souvent très peuplées et vouées à une agriculture traditionnelle - production céréalière surtout. La sécurité des habitants et le volume des récoltes souffrent grandement des catastrophes de nature climatique, telles les inondations et les sécher­esses. La prévision de ces phénomènes revêt donc une importance cruciale.

L'OMM a créé le Programme mondial de recherche sur le climat (PMRC) en 1983, lorsque la PNT est devenue pratique courante dans plusieurs pays développés. Elle a adopté un plan décennal visant à développer la prévision dynamique (numérique) du climat.

Alors que la Chine mettait en œuvre le PMRC, des expériences conduites en 1989 ont montré qu'il serait éventuellement possible d'étendre la prévision dynami­que du climat à deux saisons, voire à une année entière. En 1994, la CMA a fait de la prévision plurisaisonnière du climat, avec le modèle dynamique IAP-DCP, l'une de ses techniques de prévision régulière en exploitation.

Si l'on prend l'exemple de la prévision d'anomalie plu- viométrique pour l'été (juin, juillet, août), le modèle IAP- DCP comprend trois parties: les prévisions d'ensemble lancées au début de chaque mois de février; la correction des biais de modèle à l'aide de statistiques fondées sur des simulations rétrospectives; la prévision définitive formée de trois volets, comme l'illustre la figure 3 (A à C). On y voit la prévision en temps réel des anomalies de précipitation pendant l'été (JJA) 1998 établie par le modèle IAP-DCP du 1^er au 28 février.

Vu la probabilité élevée et l'écart type réduit, la prévision était crédible. La figure 4 montre, par la vérification, que la prévision des conditions cli­matiques était juste. Les anomalies pluviométriques observées et prévues pendant l'été 1998 sont très similaires. L'anomalie positive est particulière­ment forte dans les deux cas (quoique sous-estimée par la prévision).

Dans l'exemple des figures 3 et 4, la prévision montre que des crues pourraient se former dans le cours moyen et le cours inférieur duYang- Tsé et le long de la rivière Nen (nord- est de la Chine). Au début du mois de mars, un bulletin d'avis a été transmis aux autorités centrales et provinciales afin que soient lancées les premières mesures de prévention des inondations.

Les crues ont atteint un niveau inhabituel. Les digues du Yang-Tsé ont cédé brusquement à un endroit inattendu, dans la ville de Jiu Jiang. Les responsables des interventions d'urgence ont dû faire venir du per­sonnel et du matériel de tout le pays. Le Président chinois, Jiang Zemin, s'est rendu sur place pour superviser les efforts déployés afin de réduire les dommages et de colmater la brèche. Plus tard, la surveillance par satellite et la PNT ont grandement aidé les ingénieurs à réparer la digue. On le voit, la prévision numérique du climat a permis de se préparer tôt à la crue, tandis que la surveillance par satellite et la PNT ont été très utiles pour gérer la catastrophe.

L'exercice n'a pas été parfait: les prévisions ont sous-es­timé la hauteur des pluies estivales et une attention insuf­fisante a été portée au risque de catastrophe (notamment la zone touchée, l'ampleur de la crue et le moment et le lieu d'effondrement des digues, qui ont entraîné de graves problèmes).

Figure 6. Plans orbitaux possibles: FengYun-3 (début de matinée), NPP (après-midi) et Metop (milieu de matinée)

Gérer les catastrophes météorologiques

En résumé, la gestion des risques de catastrophe doit comporter les étapes suivantes lorsque surviennent des phénomènes météorologiques extrêmes:

1. Suivre la situation météorologique/climatique et prévoir son évolution;
2. Anticiper les conséquences ou les catastrophes et estimer les pertes possibles;
3. Déclencher l'alerte;
4. Définir un plan de prévention stratégique;
5. Mettre en œuvre le plan et organiser les interventions en temps réel (ajustement selon la surveillance continue du temps et de la situation de crise);
6. Vérifier et évaluer les pertes subies (à partir des données et des cas antérieurs);
7. Conserver les données et les documents dans les archives et bases de données pertinentes (ou spécialisées).

Chaque étape de la gestion et de la prévention des catastrophes devrait être adaptée selon les scénarios et les besoins précis, en particulier les étapes 2, 4 et 5. Une étroite collaboration entre les météorologistes et les experts d'autres disciplines est nécessaire pour un succès durable.

Les progrès à venir

Voici quelques suggestions pour les prochaines étapes selon les expériences, les plans et les réflexions de la Chine.

 

Améliorer la surveillance, l'observation et la télédétection

Le Système mondial intégré des systèmes d'observa­tion de l'OMM (WIGOS) est essentiel pour poursuivre l'intégration et l'échange des données d'observation. La Chine contribuera à la composante spatiale en lançant un satellite en orbite de début de matinée, dans la série FengYun-3, et plusieurs satellites géostationnaires de nouvelle génération, la série FengYun 4, offrant une grande résolution spatio-temporelle et des capacités de surveillance accrues (profils verticaux de la température et de l'humidité, structure fine des nuages et éclairs).

Le volet spatial du WIGOS comprendra trois satellites à orbite polaire (FengYun-3 en début de matinée, NPP dans l'après midi et Metop en milieu de matinée). Cette constellation permettra d'observer l'ensemble du globe et de procéder à l'assimilation des données pour la PNT toutes les 6 heures (figure 6).

La série de satellites FengYun-4 aidera à surveiller et à prévoir les systèmes tropicaux tels les typhons, les

oscillations de Madden-Julian, les activités orageuses intenses, les pluies abondantes ou les crues dans les régions du Pacifique et de l'océan Indien. Les premiers résultats de la surveillance des orages et des éclairs par FengYun-4A (version expérimentale lancée en 2016) ont montré l'utilité de ces satellites.

Les chercheurs chinois étudient la possibilité d'explorer et de suivre les systèmes météorologiques à l'aide de petits satellites et de satellites à haute résolution. Les données préliminaires transmises par le satellite de recherche scientifique Gao Fen-4 (lancé en 2016) ont révélé que l'œil du typhon Nepartak (2016) présentait une structure très fine. Jusque là, on considérait que l'œil d'un typhon était une zone de temps calme.

La CMA est en train de bâtir une station au sol intégrée à Longmen, dans le Guangdong, pour observer la micro­physique des nuages et de la pluie, leurs profils verticaux et les spectres des gouttelettes au moyen de radars, de lasers et d'autres appareils. Le but est de définir des schémas de paramétrisation fondés sur les observations et la physique au profit de la PNT.

 

Améliorer les modèles de prévision du temps et l'assimilation des données

L'assimilation des données a permis de grandes avancées de la PNT depuis 20 ans.Toutefois, les modèles complexes qui servent à prévoir les conditions climatiques, les fortes pluies, la structure des typhons, etc. doivent être sensiblement améliorés pour répondre à la demande future. L'assimilation de données spéciales peut aussi comporter des difficultés.

La Chine dispose d'un réseau de stations automatiques en surface à très haute résolution qui procurent un jeu de données météorologiques quasi continu dans le temps et dans l'espace. Ainsi, on dénombre 5 256 stations automatiques dans les trois provinces méridionales du Guangdong, Guangxi et Hainan. Il n'est pas encore possible d'assimiler ces données précieuses, mais hétérogènes, dans les modèles de PNT. Certains schémas ont été expérimentés, mais des affinements doivent être apportés avant d'autoriser une utilisation courante.

 

Mettre au point des modèles numériques pour la prévision des catastrophes et des modèles pour la gestion optimale des catastrophes et des interventions en temps réel

Les météorologistes sont en mesure de prévoir les situ­ations extrêmes à partir de leur expérience et de l'étude d'événements antérieurs. Cette façon de faire n'est cepend­ant pas totalement objective et de grands volumes de données doivent être traités, en particulier celles provenant de systèmes d'information géographique (SIG).

Une prévision (estimation anticipée) des pertes est possible à partir de données numériques ou de cartes qui représentent les conditions dangereuses et à partir de données SIG qui représentent les conditions sociales. La catastrophe anticipée et les pertes estimées peuvent être communiquées ensuite aux responsables de la gestion des risques. Les décideurs gèrent en temps réel les catastrophes selon leur expérience et le fruit de discussions de groupe.

Ces activités devraient suivre une procédure objective et exploiter la puissance des superordinateurs afin de répondre à la demande. Il est nécessaire et important de mettre au point des modèles numériques (quantitatifs) pour la prévision des catastrophes et des modèles pour la gestion optimale des catastrophes et des interventions en temps réel.

Les modèles à l'étude pour prévoir les inondations, les glissements de terrain et d'autres conditions pourront être utilisés sous peu. Ils doivent encore être affinés en conjuguant les superordinateurs et les sciences et technologies pertinentes.

La gestion est jugée optimale quand le plan établi observe certains principes (interventions avec un minimum d'effectifs et de moyens financiers, pertes minimales grâce à l'atténuation, etc.). Les interventions consistent à évacuer les habitants, mobiliser des moyens humains et matériels, évaluer les travaux et la main-d'œuvre nécessaires, organiser les transports, maîtriser la montée des eaux et régulariser l'écoulement (dans le cas d'inon­dations), par exemple. Une gestion optimale comporte donc des problèmes mathématiques compliqués dont la résolution exige une grande puissance de calcul.

La communication et la visualisation des informations sont importantes lors de l'organisation des interventions. Ces méthodes, techniques et installations permettent de suivre en temps réel les conditions météorologiques, la situation de crise et les résultats des actions antérieures afin de prendre des décisions.

 

Construire une plate-forme scientifique

Une passerelle doit accélérer le passage de la recherche à l'exploitation si l'on veut parvenir aux améliorations mentionnées plus haut. L'Allemagne, les États-Unis d'Amérique, l'Europe, le Japon et le Royaume-Uni dis­posent déjà d'une telle plate-forme scientifique.

L'Académie chinoise des sciences, la CMA et plusieurs universités chinoises collaborent à l'élaboration du Système de modélisation numérique de laTerre (ENMS).

Les buts de cette plate-forme sont les suivants:

1. Mettre au point un modèle du système Terre en vue d'étudier les changements environnementaux mondiaux et leurs répercussions dans les régions;
2. Mettre au point des systèmes de prévision numéri­que sans discontinuité (prévision climatique - météorologique -immédiate), ainsi que des modèles de prévision des catastrophes, de gestion optimale et d'intervention en temps réel;
3. Réaliser des simulations numériques de la config­uration des futurs systèmes d'observation;
4. Élaborer des méthodes d'exploitation de grands volumes de données (étude des mégadonnées et de l'intelligence artificielle).

La Chine a produit et amassé beaucoup de relevés et de jeux de données précieux (mégadonnées) au cours de sa longue histoire d'observation du temps et de gestion des catastrophes. La création de méthodes et de techniques de traitement de grands volumes de données est importante, surtout pour prévoir et gérer les catastrophes dans certains secteurs. Les scientifiques développent des systèmes théoriques et pratiques qui viennent s'ajouter aux techniques statistiques actuelles, dont les méthodes d'analyse des causalités dites quant­itatives et rigoureuses. Il sera intéressant de mettre ces innovations à l'épreuve dans des conditions réelles.