Comment fonctionne la prévision météorologique : de la collecte de données à votre application de prévision

Chaque prévision affichée sur une application téléphonique ou une diffusion télévisée remonte au même système fondamental : les observations entrent, un superordinateur résout les équations atmosphériques, et un métérologue ou un algorithme convertit le résultat en prédiction. L'Administration nationale océanique et atmosphérique américaine (NOAA) décrit ce processus simplement comme une prévision météorologique fondée sur les mathématiques — des équations qui représentent le comportement physique de l'atmosphère, résolues à plusieurs reprises au fil du temps.

Les six étapes derrière une prévision

1. Les observations sont collectées dans le monde entier — à partir de ballons météorologiques, de satellites, de bouées, de radars, de capteurs sur les aéronefs commerciaux et les navires, de jauges fluviales et côtières, et de stations terrestres — et converties en valeurs numériques de température, pression, humidité et vent, selon la NOAA.
2. L'assimilation des données fusionne ces observations nouvelles avec la prévision à court terme la plus récente de l'atmosphère. Le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT) dit que des centaines de millions d'observations sont filtrées et combinées avec les prévisions à court terme récentes chaque jour par ce processus statistique, produisant la meilleure estimation de l'état actuel de l'atmosphère.
3. Un modèle numérique divise le globe (ou une région) en une grille tridimensionnelle de points. La NOAA note que les grilles plus fines donnent plus de détails locaux mais exigent beaucoup plus de puissance de calcul — doubler la résolution dans chaque direction multiplie environ par quatre les calculs nécessaires pour la même zone.
4. Les superordinateurs résolvent les équations de physique à chaque point de grille pour de courts intervalles de temps, puis alimentent le résultat à titre de point de départ pour l'étape suivante. Les machines de la NOAA, situées en Virginie et en Floride, effectuent environ 2,8 trillions de calculs par seconde ; le système du CEPMMT utilise plus d'un million de processeurs livrant environ 30 pétaflops.
5. Le modèle est exécuté plusieurs fois avec des conditions initiales ou des paramètres de physique légèrement différents, appelé ensemble. La NOAA dit que lorsque les exécutions concordent, les météorologues ont plus de confiance ; lorsqu'elles divergent, cette dispersion elle-même communique l'incertitude au public.
6. Les météorologues humains et les systèmes automatisés interprètent la sortie brute du modèle — en ajustant pour le terrain local, les biais connus du modèle, ou les observations récentes — avant d'émettre la prévision, veille ou avertissement public.

Modèles mondiaux vs. régionaux

La NOAA distingue entre les modèles mondiaux, qui couvrent l'ensemble de la planète à résolution plus grossière, et les modèles régionaux, qui couvrent une zone plus petite avec plus de détails. Le CEPMMT exécute son modèle mondial deux fois par jour, à minuit et à midi, avec deux exécutions intermédiaires supplémentaires qui fournissent les conditions aux limites aux modèles régionaux propres des États membres. L'agence note qu'un modèle mondial est nécessaire car les perturbations météorologiques d'un côté du monde peuvent influencer les conditions ailleurs quelques jours plus tard.

Pourquoi les prévisions perdent de la précision au fil du temps

L'atmosphère est un système chaotique : les petites différences dans les conditions initiales s'amplifient au fil du temps jusqu'à ce que la prévision diverge de la réalité. Ce principe, identifié pour la première fois par le métérologue du MIT Edward Lorenz, est pourquoi aucun modèle — aussi puissant soit-il — ne peut faire de prévisions indéfiniment dans l'avenir.

Une étude dirigée par la chercheuse de Penn State Fuqing Zhang a testé les deux principaux systèmes de prévision mondiaux — le modèle du CEPMMT et le système de prévision mondial de la prochaine génération des États-Unis — par rapport aux événements réels, y compris une vague de froid européenne et des inondations en Chine, en utilisant des données initiales quasi parfaites. L'équipe a conclu que les prévisions fiables au jour le jour sont possibles environ 9 à 10 jours à l'avance pour les latitudes moyennes, où vit la majorité de la population mondiale, et que cela pourrait s'étendre à environ 14 à 15 jours à mesure que la collecte de données, les algorithmes et la puissance de calcul s'améliorent.

Les propres orientations techniques de la NOAA sur la sortie du modèle donnent un chiffre plus conservateur pour les prévisions brutes non traitées sur grille, notant que les modèles restent généralement précis jusqu'à environ quatre jours, après quoi la variation d'une exécution à l'autre augmente significativement — une raison pour laquelle les ensembles et les météorologues humains restent part du système pour la gamme moyenne.

Qu'y a-t-il à venir pour la technologie de prévision

Le CEPMMT dit que les gains futurs dépendent des prévisions d'ensemble à résolution plus fine, d'une meilleure représentation des processus du système terrestre (atmosphère, terre et océan ensemble), et d'une assimilation améliorée des observations météorologiques — tout cela nécessite plus de puissance de calcul. Le Programme de scalabilité du centre se prépare pour l'informatique exascale (un milliard de milliards de calculs par seconde) et explore également les techniques d'apprentissage automatique dans le cadre de ses systèmes de prévision, selon sa propre fiche d'information.