RECYF Recherche et EXpérimentation sur les CYclogénèses et les Fronts

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Matthieu Plu, si — 2020-03-19T14:09:49Z

Bienvenue sur le site de l'équipe RECYF !

Nous sommes une équipe de recherche du CNRM , Unité Mixte CNRS/Météo-France. Nos sujets de recherche concerne la prévisibilité météorologique, la prévision d'ensemble et l'intelligence artificielle appliquée à la météorologie.

Vous découvrirez sur ce site quelques résultats récents, nos projets en cours et nos offres de stages, thèses, et emploi en CDD.

Bonne visite !

Warm Conveyor Belts dans la campagne NAWDEX

Stephane Beck — 2019-11-05T13:44:15Z

par Marie Mazoyer et Philippe Arbogast

paru dans le Rapport de Recherche de Météo-France 2018 (ISSN : 2116-438X)

Les Warm Conveyor Belts (WCB) sont des bandes transporteuses de masses d'air dynamiquement importantes dans les dépressions des latitudes tempérées. Elles correspondent à l'ascension de masses d'air chaudes et humides issues des basses couches de l'atmosphère en direction de la haute troposphère.

Les WCB constituent la partie nuageuse principale des dépressions, et les dégagements de chaleur qui sont associés à la formation d'espèces nuageuses peuvent avoir un impact marqué sur la dynamique de ces dépressions. La représentation de ces processus mal-connus pourrait constituer une source importante d'incertitudes pour la prévision de ces dépressions.

La campagne de mesure aéroportée NAWDEX (North Atlantic Wave-guide Downstream and impact EXperiment) visait à améliorer leur connaissance. Elle s'est déroulée du 19 septembre au 16 octobre 2016 au large de l'Islande. L'instrumentation embarquée sur les avions Falcon et Gulf Stream V (LIDAR : LIght Detection And Ranging, RADAR : RAdio Detection And Ranging, Drop-sonde) a permis de reconstituer les profils de vent et de réflectivité des espèces nuageuses dans les WCB. Ces observations sont comparées aux résultats de simulations obtenues avec le modèle Méso-NH (modèle atmosphérique à Méso-échelle et Non-Hydrostatique). Différentes paramétrisations pour la représentation des espèces nuageuses sont alors évaluées et confrontées aux grandeurs observées par le radar aéroporté RASTA (voir figure).

Comparaison des réflectivités RADAR mesurées (en haut) dans un cas de Warm Conveyor Belt le 1er octobre 2016 et simulées par Méso-NH utilisant ICE3 (au centre) pour la paramétrisation nuageuse ou LIMA (en bas).

L'allure générale des systèmes nuageux est bien prévue par les deux modèles utilisés. Néanmoins, une étude systématique des différents processus, et de leur représentation, associés à des dégagements de chaleur lors des différents cas de WCB échantillonnés, devrait permettre de clarifier les sources d'incertitudes, ainsi que d'ouvrir des voies d'amélioration de ces paramétrisations.

Utilisation d'une climatologie du modèle pour des diagnostics d'événements de vagues intenses

Stephane Beck — 2019-11-05T13:43:58Z

par Bruno Joly

paru dans le Rapport de Recherche de Météo-France 2018 (ISSN : 2116-438X)

Nous étudions la sensibilité de la prévision des phénomènes de fortes vagues affectant la côte Atlantique de l'Europe de l'ouest, occasionnant parfois des reculs très importants du trait de côte.

Lorsqu'un modèle de vagues prévoit un événement d'une telle intensité, l'incertitude associée doit pouvoir être documentée. Dans cette étude, nous étudions le comportement du modèle de vagues MFWAM (Météo-France WAve Model), forcé par le modèle d'ensemble atmosphérique global PEARP (Prévision d'Ensemble du modèle ARPÈGE : Action de Recherche Petite Echelle Grande Echelle) qui comporte 35 membres. Une base de données de prévisions rétrospectives de MFWAM forcé par PEARP est disponible sur une période de 10 années. Grâce à cette référence appelée aussi climatologie du modèle, il est possible de comparer la distribution des valeurs des différents membres d'une prévision d'ensemble de vagues avec la distribution des valeurs de la climatologie, pour mesurer le caractère inhabituel de cette prévision.

Ce calcul d'Extreme Forecast Index (EFI) est particulièrement sensible à l'échantillonnage de la base de prévisions de référence. Dans le cas de la tempête Eleanor du 2 janvier 2018, nous montrons l'impact sur les EFI de la fréquence de répétition des prévisions de la climatologie, généralement supérieure à 1 jour, et de sa période de recouvrement de 10 ans, avec et sans l'hiver 2013-2014 marqué par un grand nombre de tempêtes intenses.

La figure ci-dessous montre des valeurs très fortes d'EFI calculées pour une fréquence de 4 jours et sans l'hiver record. L'étendue des valeurs supérieures à 0,9 montre bien l'occurrence d'un phénomène très inhabituel. Lorsqu'on augmente la fréquence de la climatologie à 1 jour en ajoutant l'hiver 2013-2014, on réduit les valeurs d'EFI de façon significative, jusqu'à un ratio de 10 %. Les zones de plus fortes valeurs d'EFI sont plus localisées et plus pertinentes en terme d'impact prévu.

Les plages de couleurs désignent les valeurs de l'Extreme Forecast Index (compris entre -1 et 1). En rouge, les isolignes 0,8 et 0,9 de cet indice dans le cas d'un climat du modèle échantillonné sur 10 années, sans l'hiver 2013-2014, à une fréquence de quatre jours. En bleu, les isolignes de mêmes valeurs dans le cas d'un climat correspondant à une fréquence d'un jour et avec l'hiver 2013-2014.

Dans le cas des phénomènes extrêmes, l'utilisation d'une climatologie d'un modèle probabiliste améliore l'information produite par la prévision, d'autant plus si l'on maximise la représentativité de cette climatologie.

Prévision d'ensemble AROME pour les cyclones tropicaux

Stephane Beck — 2019-11-05T13:42:29Z

par Sylvie Malardel

collaboration entre RECYF et la Cellule de Recherche sur les Cyclones (la CRC)

paru dans le Rapport de Recherche de Météo-France 2018 (ISSN : 2116-438X)

Un prototype pour un système de Prévision d'Ensemble du modèle AROME (Applications de la Recherche à l'Opérationnel à Méso-Echelle) en Outre-Mer (PE-AROME -OM) a été développé au LACy (Laboratoire de l'Atmosphère et des Cyclones), et testé sur des cas de cyclones tropicaux qui ont touché l'île de la Réunion et les Antilles pendant les saisons cycloniques 2017 et 2018.

Ce système est une adaptation directe du système de PE-AROME qui tourne opérationnellement sur le domaine France. Les principales spécificités d'AROME -OM qui ont été prises en compte dans ce prototype, sont l'initialisation et le couplage aux bords latéraux du domaine par le modèle haute résolution du CEPMMT (Centre Européen pour les Prévisions Météorologiques à Moyen Terme), et le couplage avec un modèle prognostique de Couche de Mélange Océanique (CMO) initialisé par les analyses océaniques MERCATOR.

Pour ce premier prototype, 12 des 50 membres de la prévision d'ensemble du CEPMMT (l'EPS : Ensemble Prediction System) sont sélectionnés grâce à une technique de clustering (partitionnement de données). Les conditions initiales et de couplages sur les bords latéraux, fabriquées à partir de ces 12 membres de l'EPS, apportent la structure des perturbations de grande échelle qui contrôlent en grande partie la dispersion de l'ensemble. Les conditions initiales de la température de surface de la mer et du profil de température de la CMO sont également perturbées, et le schéma de perturbation aléatoire des tendances produites par les paramétrisations physiques du modèle (schéma SPPT : Stochastically Perturbed Parametrization Tendency) est activé tout au long des simulations.

Les résultats de la PE-AROME pour le cyclone Fakir, qui est passé au large de la Réunion fin avril 2018, montrent que le scénario produit par certains des 12 membres aurait pu alerter les prévisionnistes de la rapidité et de l'intensité du cyclone, dont la vitesse de propagation et le creusement avaient été sous-estimés par les différents modèles déterministes et par l'EPS (voir figure).

Panaches de probabilité de Pmin (pression minimale) pour l'EPS (ECMWF : European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) et la PE-AROME -OI (Océan Indien). Cas du cyclone Fakir. (S. Kébir)

Ce prototype a été adapté au domaine Antilles, et il est utilisé pour rejouer les cas de cyclones de septembre 2017 dans le cadre du projet TIREX. Il a également été lancé pendant la campagne ReNovRisk sur l'Océan Indien, lors des alertes cycloniques de janvier à avril 2019.

Doubler le nombre de radiosondages à moindre coût : le radiosondage à la descente

Stephane Beck — 2019-10-15T10:37:05Z

par Alexis Doerenbecher

paru dans le Rapport de Recherche de Météo-France 2018 (ISSN : 2116-438X)

En dépit des progrès réalisés dans l'observation par satellite, le réseau mondial de radiosondages garde le statut privilégié de colonne vertébrale du système d'observation de l'atmosphère. Mais les coupes budgétaires parviennent à diminuer ce réseau puisque ce mode d'observation reste cher (entre 100 et 300 euros par sondage). Dans ce contexte, la collecte d'observations à la descente de la sonde permet d'augmenter fortement le nombre d'observations, à surcoût quasi nul en terrain plat. L'Allemagne et la Finlande produisent des messages de ce type depuis plus d'un an avec du matériel Vaisala. L'assimilation 4D des radiosondages en tenant compte de la pente réelle effectuée par la sonde à la montée et à la descente permettrait de réellement tirer parti de ces données nouvelles, à condition que la qualité soit au rendez-vous. Matériel et logiciels étant optimisés pour la mesure à la montée, la qualité n'est pas garantie à la descente.

Le GMAP (Groupe de Modélisation et d'Assimilation pour la Prévision) du CNRM (Centre National de Recherches Météorologiques) a procédé au monitoring des données disponibles sur plusieurs semaines au printemps 2018 (voir figure). Les données à la montée servent de référence. La comparaison au modèle ARPÈGE (Action de Recherche Petite Échelle Grande Échelle) montre une qualité équivalente en troposphère, particulièrement si la vitesse est réduite par un parachute. En stratosphère, si la température est moins bonne, le vent semble étonnamment meilleur à la descente qu'à la montée. Ce constat découle d'une confiance excessive dans le modèle. On sait d'expérience que les vents modèles sont de qualité modeste en stratosphère. La forte vitesse de chute et les algorithmes de lissage y produisent des mesures de vent trop uniformes.

Les courbes représentent une estimation de la distance entre les observations de température et de vent et le modèle (référence dans le cas présent) en fonction de la pression atmosphérique. La partie supérieure représente la stratosphère, en dessous il s'agit de la troposphère. Les courbes de montée (fines et sombres) sont très similaires aux courbes de descente (épaisses et claires) dans la troposphère. Ce n'est pas le cas en stratosphère où les écarts montée/descente sont marqués et opposés entre température et vent.

Si les fabricants de sondes n'adaptent pas leurs systèmes à cette nouvelle pratique, une partie des données de sondage à la descente seront peu utiles en Prévision Numérique du Temps (PNT ).

Utilisation des méthodes de Deep Learning pour la détection d'objets précipitants dans les prévisions AROME et AROME-PE

Stephane Beck — 2019-10-15T10:36:10Z

par Laure Raynaud

paru dans le Rapport de Recherche de Météo-France 2018 (ISSN : 2116-438X)

L'utilisation des prévisions de précipitations peut être améliorée grâce à un traitement adapté des champs en sortie des modèles. Une approche innovante et prometteuse consiste à extraire des champs prévus une information d'échelle plus large que la maille du modèle, et donc plus prévisible, sous la forme d'« objets précipitants stochastiques ». Ces objets sont définis par des contours flous à l'intérieur desquels la distribution des pluies, en terme d'intensité et / ou de variabilité spatiale (aussi appelée texture), est homogène. La détection automatique de ces objets est néanmoins complexe et plusieurs approches peuvent être envisagées. Une première méthode a été développée pour détecter des objets selon leur intensité à partir d'une mesure de similarité entre la distribution locale des pluies et des distributions de référence.

Une nouvelle méthode de détection, qui utilise un réseau de neurones convolutifs développé initialement pour la segmentation d'images médicales, a été évaluée. Entraîné sur les détections issues de l'algorithme existant, ce réseau fournit des résultats similaires en un temps de calcul réduit s'il est exécuté sur processeur graphique.

Déterminer la texture des pluies, en particulier leur caractère continu ou discontinu, est un deuxième aspect important pour définir précisément le temps ressenti, qui n'est pas encore traité par l'algorithme actuel. Des tests préliminaires avec un réseau de neurones entraîné sur une base d'apprentissage de petite taille fournissent des résultats encourageants.

À l'avenir, cette méthode pourrait permettre une détection simultanée de l'intensité et de la texture des pluies, puis une caractérisation plus fine des types de pluie incluant notamment les orages.

En haut : Pluies cumulées en 6 h (échelle en mm) prévues par le modèle AROME (à gauche) et objets de pluie totale (jaune), modérée (orange) et forte (rouge) détectés par le réseau de neurones (à droite).

En bas : Pluies cumulées en 6 h (échelle en mm) prévues par le modèle AROME (à gauche) et objets de pluie continue (bleu) et discontinue (rouge) détectés par le réseau de neurones (à droite).

Prévision de l'interruption satellite-sol

Stephane Beck — 2019-04-05T12:30:22Z

par Isabelle Dahman

paru dans le Rapport de Recherche de Météo-France 2016 (ISSN : 2116-438X)

Les fréquences traditionnellement utilisées pour transmettre les données des satellites aux stations terrestres (de 2 à 14 GHz) sont saturées et ne peuvent plus satisfaire les besoins croissants en termes de débits de transmission. Les plus hautes fréquences offrant des capacités nettement supérieures grâce à l'utilisation de bandes de fréquences plus larges, les futurs programmes d'observation de la terre prévoient une migration vers les bandes de fréquence allant de 18 à 53 GHz. Or, la sensibilité des ondes aux effets troposphériques augmente avec la fréquence. D'importants affaiblissements du signal (jusqu'à plusieurs dizaines de db) sont donc à prévoir, principalement en présence de forte pluie.

Des méthodes de compensation pour garantir une disponibilité acceptable doivent donc être mises en oeuvre. Ces méthodes requièrent généralement une anticipation des conditions de propagation et donc des paramètres météorologiques. Un modèle statistique de prévision de l'atténuation troposphérique conditionnée par la pluie prévue par la prévision d'ensemble PEARP a été développé (voir figure) et réglé sur une année de transmission de données d'un satellite défilant vers une station terrestre localisée à Toulouse.

Probabilité de dépassement d'un seuil d'atténuation pour différentes valeurs du seuil (en abscisse) et différents taux de précipitation prévus par le modèle ARPEGE (modèle Action de Recherche Petite Echelle Grande Echelle) de Météo-France.

Il est alors possible d'optimiser la communication au regard des conditions de propagation prévues. On a montré que l'anticipation des conditions atmosphériques permettait in fine d'augmenter la capacité moyenne du lien satellite-station terrestre d'environ 30%, lorsque le niveau de disponibilité requise est de 99.9%.

EPATAN-NEAREX : participation franco-norvégienne en Islande à la campagne internationale NAWDEX

Stephane Beck — 2019-04-05T12:29:05Z

par Philippe Arbogast, Gwendal Rivière et Julien Delanoë

paru dans le Rapport de Recherche de Météo-France 2016 (ISSN : 2116-438X)

L'expérience NAWDEX (North Atlantic Wave-guide Downstream and impact EXperiment), qui a eu lieu de mi-Septembre à mi-Octobre 2016, est la plus importante campagne internationale dédiée à l'étude des perturbations atmosphériques dans l'Atlantique Nord depuis près de 20 ans et la campagne FASTEX en 1997. NAWDEX s'intéresse aux processus thermodynamiques à fine échelle au sein de ces perturbations, et notamment au sein des "bandes transporteuses d'air chaud", qui ne sont pas forcément bien représentés dans les modèles et sont sources d'incertitude dans les prévisions météorologiques à courte et moyenne échéance.

La composante aéroportée française y a participé du 28 septembre au 17 octobre 2016, période au cours de laquelle le Falcon 20 de SAFIRE, basé en Islande à Keflavik, a effectué 14 vols pour les équipes scientifiques françaises (LATMOS, LA, LaMP, LMD et Météo-France) et norvégiennes (Météo norvégienne, Université de Bergen et Université d'Oslo). Le DLR allemand engageait pour sa part deux avions, un Falcon 20 et le Gulfstream5 "HALO" dans la campagne NAWDEX. Le BAE146 britannique du FAAM a lui aussi participé à un vol coordonné avec les avions français et allemands, en préparation de mesures spatiales futures (ICI sur MetOp-Eumetsat).

Les mesures faites pendant les vols du F20 de SAFIRE visaient à satisfaire les objectifs de deux projets. D'un côté, EPATAN, financé par l'ESA et le CNES , prépare la mission spatiale "Earth-care" (forçage radiatif des nuages et des aérosols), et ADM-Aeolus (dynamique atmosphérique), notamment en constituant un jeu de données unique de mesures de télédétection active à l'aide des instruments RASTA (radar 95 GHz) et LNG (LIDAR 355 nm). De l'autre côté, NEAREX, sélectionné par EUFAR et porté par une équipe norvégienne, vise à mieux comprendre les masses d'air appelées "rivières atmosphériques" qui transportent de la chaleur et de l'humidité des régions subtropicales vers de plus hautes latitudes et peuvent être à l'origine de précipitations intenses sur les terres. Des largages de drop-sondes ont permis de compléter le jeu de données par des mesures in-situ, envoyées en direct au système mondial de télécommunication (SMT).

En synergie avec la campagne NAWDEX, on a pu ainsi échantillonner un large ensemble de nuages et de situations caractéristiques des latitudes moyennes, tout en comparant les mesures avec celles d'instruments similaires embarqués dans les autres avions participants. Grâce à l'excellente fiabilité de l'avion et des instruments, tout comme à l'investissement des personnels, l'équipe française a assuré la totalité des vols prévus, dans des conditions parfois difficiles.

Sur le tarmac de l'aéroport de Keflavik, le Falcon 20 de SAFIRE au premier plan côtoie le Gulfstream HALO (milieu) et le Falcon 20 du DLR (arrière-plan).

Aides à la décision et vols de ballons plafonnants instrumentés dans HyMeX

Stephane Beck — 2019-03-20T14:52:35Z

par Alexis Doerenbecher et Fabien Bernard

paru dans le Rapport de Recherche de Météo-France 2012 (ISSN : 2116-438X)

Durant la Période d'Observation Spéciale (SOP ) numéro 1 (SOP1) de HyMeX , une quinzaine de ballons plafonnants instrumentés du CNES ont été déployés depuis le site de Mahon à Minorque. Ces ballons effectuent des mesures in-situ de température, humidité, pression et leur position le long de leur dérive à densité constante. Le vent est déduit du déplacement de ces ballons. Les données sont accessibles en temps réel grâce à une liaison satellite. Les données filtrées sont mises à disposition des modèles numériques, tels que AROME -West-Med (AROME Ouest Méditerranée), qui peuvent les assimiler.

L'objectif de ces ballons est de suivre l'évolution des masses d'air de basse couche, qui amènent l'humidité de la mer Méditerranée à disposition des systèmes convectifs précipitant sur le pourtour du bassin, et dont les fortes pluies génèrent crues et inondations (Thème 3 de HyMeX ). Les ballons sont donc libérés sur alerte météorologique, en lien avec le Centre des Opérations de HyMeX (à la Grande Motte) et sur la base de simulations de trajectoires utilisant les prévisions de diverses modèles météorologiques dont ARPEGE et AROME (France et West-Med). L'horaire précis du lâché est un compromis entre les trajectoires prévues, les contraintes météorologiques locales (peu ou pas de pluie, vent faible ou modéré), ainsi que le contrôle aérien.

Photo : Lâcher du BPCL (Ballon Pressurisé de Couche Limite) B21, le 14/10/2012 vers 6h00 depuis l'Aéroclub de Mahon à Minorque. Les instruments sont placés dans l'abri ventilé externe situé au sommet, les systèmes de pilotage sont placés dans la nacelle (interne) du bas. La bande équatoriale sert de déflecteur pour les gouttes de pluie ruisselant sur l'enveloppe, elle-même enduite d'un produit hydrophobe.

Carte : Trajectoire réalisée (noir) et trajectoires prévues pour le BPCL B21, à partir d'une position et d'une densité observées (orange), plus ou moins 150 mètres (bleu et vert) : c'est la “poursuite de trajectoire” donnant une nouvelle estimation de la route toutes les 20 minutes.

Graphique : Vue d'ensemble des paramètres enregistrés par le BPCL B21. Ce ballon a atteint son objectif en entrant dans les systèmes convectifs circulant le long de la côte Franco-Italienne vers 19h15. L'ascension finale met fin au vol.

Bilan de l'utilisation des ballons plafonnant de couche limite dans HyMeX

Stephane Beck — 2019-03-20T14:51:32Z

par Alexis Doerenbecher

paru dans le Rapport de Recherche de Météo-France 2013 (ISSN : 2116-438X)

Des ballons plafonnant instrumentés du CNES ont été déployés durant les Périodes d'Observation Spéciales (SOP ) de HyMeX . 19 ballons ont été déployés à l'automne 2012 depuis l'île de Minorque (Baléares), afin de documenter l'alimentation des systèmes convectifs avec de l'humidité venant des basses couches atmosphériques au-dessus de la mer Méditerranée. 16 autres ballons ont été lâchés dans des évènements de Mistral et de Tramontane en février et mars 2013 depuis la région de Montpellier, collectant des informations sur la structure du vent au-dessus de la mer.

Les systèmes d'assimilation des données de Météo-France ont utilisé des données de température, de pression et de vent en temps réel. Les mesures d'humidité ont été utilisées dans la première ré-analyse AROME West-Med (AROME Ouest Méditerranée) lors de la Période d'Observation Spéciale numéro 1 (SOP1). Ainsi, près de 400 messages (4 paramètres) ont été assimilés sur cette période.

La qualité des données collectées par ce dispositif nouveau a été évaluée avec soin. En particulier, une suspicion de biais radiatif existe sur le paramètre température mesuré au cours de certains vols de l'automne. Les mesures indépendantes et co-localisées sont à peu près inexistantes : il faut rappeler que l'un des intérêts de ces ballons était justement de faire des mesures là où elles sont rares. Les modèles d'atmosphère peuvent alors servir de référence, bien que la représentation de la couche limite marine dans les modèles ne soit pas irréprochable. La quantification de ces différentes sources d'erreur (modèle ou observation) a été assez longtemps en cours d'investigation.

Superposition des trajectoires réalisées par les ballons au cours des deux campagnes HyMeX : automne 2012 à gauche (Période d'Observation Spéciale SOP1) et hiver 2013 à droite (Période d'Observation Spéciale SOP2). La couleur indique l'altitude des vols. On note ainsi que les vols SOP1 ont été plus stables et plus bas que ceux de la SOP2 qui se sont révélés particulièrement chaotiques du fait de la très forte turbulence du Mistral. Le domaine maritime délimité en orange représente la région où les ballons dérivent librement. Le franchissement de cette limite provoque automatiquement la fin du vol et la descente lente du ballon.