Comment fonctionnent les modèles météorologiques ?

La semaine dernière, on annonçait que la barre des 40 °C pourrait être dépassée au Luxembourg pendant le week-end. Les météorologues ont toutefois mis en garde contre toute conclusion hâtive. En effet, les prévisions aujourd'hui ne sont plus que de 28 à 30 °C. Pourquoi les prévisions changent-elles au fil du temps ? Et comment fonctionnent les modèles météorologiques ? Nous avons compilé quelques faits à ce sujet et nous nous sommes entretenus avec le météorologue Luca Mathias.

Comment fait-on des prévisions météorologiques aujourd’hui ?

Pour prévoir la météo, les météorologues consultent des modèles météorologiques. Ces modèles sont le résultat de calculs complexes que nous fournissent de grands ordinateurs très performants. Pour l’exprimer en des termes simples, pour réaliser leurs calculs, ces ordinateurs ont d’abord besoin des données relatives à la situation météorologique actuelle, qui sont ensuite traitées en tenant compte des processus physiques de l’environnement afin de prévoir la météo à venir. 

Comment les conditions météorologiques actuelles sont-elles mesurées ?

Il faut donc d’abord disposer des données sur l’état météorologique initial.  Celui-ci est enregistré à l’aide de différents appareils de mesure et diverses méthodes.

• Dans le monde entier, des stations de mesure au sol collectent différents types de données, dont la température actuelle, la vitesse du vent, la pression atmosphérique et l’humidité pour chaque site en question.
• Les radars des précipitations mesurent la teneur en eau d’un nuage en vue de tirer des conclusions sur d'éventuelles précipitations (pluie, grêle et neige).
• Même différents bateaux et balises nautiques sont équipés d'appareils de mesure.
• Mais, il n’y a pas qu'au sol que des données sont collectées. Pour développer des modèles météorologiques plus précis, nous avons également besoin de données en altitude. Ce sont entre autres les avions commerciaux, les radiosondes, les radiosondes (ballons-sondes qui montent jusqu’à 20 à 30 km d’altitude) et même les satellites qui envoient des images et des données depuis l’espace aux stations au sol. Les satellites ont été utilisés pour la première fois dans les années 60 et 70 , et revêtent une importance particulière pour obtenir suffisamment de données de l’hémisphère sud, où les stations de mesure sont plus rares.

L’état météorologique actuel est donc toujours connu - avec une grande précision à certains endroits et avec une précision moindre à d’autres.

Comment des modèles météorologiques sont-ils développés à partir de ces données ?

Les données de l’état actuel ne représentent qu’un volet de l’élaboration de modèles météorologiques. « L’un ou l’autre connaît peut-être les stations de mesure que l'on peut installer chez soi dans le jardin. Elles fournissent certes des mesures de l’état météorologique actuel, mais ne sont pas capables de faire des prévisions, car cela implique bien plus que ce que l’on pourrait penser », explique Luca Mathias. En effet, pour cela, il faut entre autres tenir compte de l’ensemble des processus physiques qui se produisent dans l'atmosphère et au sol. Il s'agit par exemple des relations physiques entre la température de l'air, la pression atmosphérique, la vitesse du vent et l'humidité. S'y ajoutent des processus comme la formation des nuages. Bon nombre de ces paramètres sont calculés à l’aide d’équations différentielles partielles qui sont relativement complexes. Mais aujourd’hui, ce ne sont plus des physiciens, des mathématiciens ou des météorologues qui réalisent ces calculs, mais des ordinateurs très performants.

Comment les modèles météorologiques sont-ils élaborés concrètement ?

On peut se le représenter de la manière suivante : le globe entier est recouvert d'un quadrillage tridimensionnel. Cette grille peut avoir des mailles plus ou moins fines ou larges, selon la taille de la zone pour laquelle on souhaite faire une prévision. La grille s’étend aussi en hauteur, car il y a également des interactions et des mesures importantes à prendre en compte dans l'atmosphère. Plus la zone pour laquelle on souhaite calculer un modèle est grande, plus il faut aller loin dans l'atmosphère. Les modèles globaux utilisent les données de satellites pour observer des points de mesure se trouvant à une altitude pouvant atteindre 80 km. À titre de comparaison, les avions ne volent que jusqu’à 15 km d’altitude.

Grille triangulaire horizontale du modèle ICON avec un affinement de la grille sur l'Europe. Source : Deutscher Wetterdienst - Numerische Methoden (https://bit.ly/3AP8anT)

Chaque grille fait donc plusieurs kilomètres de large, de long et de haut. Pour certaines grilles, la météo actuelle est connue de manière très précise, pour d'autres moins.

Des valeurs sont ensuite établies pour chaque point d'intersection de la grille et intégrées dans les formules mathématiques. Il n’est toutefois pas possible d’effectuer des mesures à chaque point. Pour les points de la grille pour lesquels il n’existe pas de mesures, les données doivent « être complétées » par des procédés mathématiques. Ces derniers reposent généralement sur des calculs de modèles antérieurs et sont combinés à des mesures provenant de cellules de grille voisines.

C’est sur cette base que les modèles sont alors calculés. Pour simplifier, il existe deux méthodes différentes dans ce contexte.

Il y a par exemple des méthodes pour lesquelles une seule simulation est calculée. L’ordinateur prend donc les valeurs de l’état météorologique actuel et établit une seule prévision météorologique, c'est-à-dire un scénario. Cette prévision n’est toutefois que moyennement précise, un point que nous aborderons plus en détail ci-dessous.

Une autre méthode fait appel à ce qu’on appelle des modèles d’ensembles. Ici, en plus du scénario principal, quelque 20 à 50 scénarios supplémentaires sont calculés, selon le modèle utilisé. Ces scénarios se basent chaque fois sur de petites variations de l’état initial et d'autres paramètres du modèle. Grâce à tous ces scénarios, il est possible de calculer des probabilités. Par exemple, si 5 de ces 50 scénarios annoncent de la pluie, on peut prévoir une probabilité de pluie d’environ 10 % pour la journée. Les modèles d’ensembles sont en mesure de prévoir la météo avec plus de précision, car ils évitent certaines sources d'erreur. Nous reviendrons également plus en détail sur ce point ci-dessous.

Selon le modèle météorologique, ces calculs sont renouvelés toutes les trois à six heures, avec les nouvelles données de la situation météorologique actuelle. Ils prennent toutefois relativement longtemps : si l’on relève les mesures entre midi et 13 h, l’ordinateur ne termine ses calculs que vers 16 h. Si l’on considère qu’un modèle global nécessite typiquement plus de 250 billions d’opérations mathématiques pour une prévision à 24 heures, on comprend pourquoi ce processus prend autant de temps.

Sur la base des simulations de l’ordinateur, les météorologues peuvent effectuer des prévisions météorologiques. Pour ce faire, ils se basent sur leur expertise et leur expérience. Ils décident quel scénario est le plus probable et procèdent ensuite à une prévision adaptée. Par exemple, ils savent que les calculs informatiques pour les précipitations de pluie et de neige sont souvent moins précis et adaptent les probabilités de risque en conséquence. Cependant, même avec les meilleurs modèles météorologiques et avec l'expertise de météorologues qualifiés, les prévisions météorologiques ne sont pas toujours exactes.

Combien de jours à l’avance les météorologues peuvent-ils prédire le temps avec précision ?

Aujourd’hui, pratiquement tous les sites web proposent des prévisions pour les deux semaines à venir. C'est très impressionnant si l'on considère que dans les années 1960, les calculs permettaient tout juste de se projeter quelques heures ou quelques jours dans l'avenir. Par exemple, une prévision météorologique à sept jours a aujourd’hui la même fiabilité qu’une prévision à 24 heures à l'époque. Il faut tout de même être conscient que les prévisions météorologiques qui portent aussi loin dans l’avenir sont aujourd’hui encore entachées d’une incertitude. Plus on souhaite prévoir le temps à l’avance, plus la zone à partir de laquelle l’état météorologique actuel doit être pris en compte doit être grande. Ainsi, à partir d’une prévision à cinq jours, il faut connaître l’état météorologique initial dans le monde entier. Bien entendu, le risque de changements inattendus est nettement plus élevé ici.

Alors, combien de temps à l’avance puis-je planifier mon barbecue ? Selon le météorologue Luca Mathias, les prévisions sont généralement relativement fiables jusqu’à cinq jours à l’avance. « Personnellement, je suis d’avis que pour les particuliers, cela fait peu de sens de regarder la météo à 15 jours. Si l’on consulte les mêmes prévisions le lendemain, elles peuvent à nouveau être très différentes. »

De manière générale, l'expert conseille de s'informer plutôt sur des sites où des météorologues diplômés examinent les données et font un rapport. « Le problème avec les applications, c’est qu’elles se contentent souvent de reproduire les calculs bruts des ordinateurs sans faire appel à une expertise humaine. Par exemple, la fiabilité d’un calcul dépend toujours aussi de la stabilité actuelle de l'atmosphère. L’expert a pour tâche de replacer les calculs dans leur contexte et d’évaluer les valeurs informatiques. C’est par exemple particulièrement important pour les prévisions d’orage, le brouillard ou, de manière générale, pour les situations météorologiques plus complexes. » Sur un site comme celui de MeteoLux, un météorologue évalue et établit les prévisions météorologiques au moins deux fois par jour. D’ailleurs, on peut aussi contacter directement MeteoLux si l’on souhaite disposer de prévisions météorologiques les plus fiables possible. C’est particulièrement utile pour les agriculteurs ou les organisateurs d’événements, dont les activités dépendent dans une large mesure de la météo.

« Les prévisions météorologiques à très long terme sont certes possibles, mais on ne peut parler ici que de tendances et d'anomalies. Par exemple, les experts peuvent prédire qu’un mois sera particulièrement sec par rapport aux années précédentes ou aux normales saisonnières ou particulièrement chaud. Mais, dans ce cas, il s’agit uniquement de moyennes qui ne peuvent pas être appliquées à des jours particuliers. »

Pourquoi les prévisions météorologiques ne sont-elles jamais précises à 100 % ?

Les prévisions météorologiques sont déjà bien meilleures que par le passé, mais elles ne sont jamais précises à 100 %, même pour des prévisions à court terme. Il y a plusieurs raisons à cela.

D'une part, cela tient au fait que les modèles météorologiques ne peuvent pas simuler tous les processus physiques de manière très précise. Cela entraîne des imprécisions dans les prévisions, en particulier pour ce qui est des précipitations et de la couverture nuageuse. D’autre part, on ne peut jamais mesurer de façon tout à fait exacte l’état météorologique actuel. Comme expliqué ci-dessus, toutes les prévisions sont basées sur les mesures de l’état actuel. Mais certaines régions sont dépourvues de telles stations de mesure. C’est pourquoi l'état actuel n'est pas connu avec la même précision dans chaque région. L’hémisphère sud en particulier, avec ses vastes étendues d’eau, et l’Arctique ne comptent que très peu de stations de mesure. Pourtant, ces régions aussi ont une très grande influence sur la météo globale. Par exemple, l'Arctique a une grande influence sur le temps en Europe centrale. De plus, même si une station de mesure est calibrée et réglée de manière très précise, elle ne peut jamais enregistrer les valeurs exactes des différentes variables météorologiques.

C’est à ce niveau que surgit le problème suivant : même les plus petites variations dans les mesures de l’état initial ou les plus petits changements dans l’atmosphère ont de très grandes répercussions sur le résultat des modèles météorologiques. Surtout pour les calculs effectués sur plusieurs jours. On parle ici du « butterfly effect », c’est-à-dire de l'effet papillon. Les modèles d’ensembles peuvent atténuer quelque peu l'effet papillon, car ils calculent de nombreux scénarios, chacun avec des écarts différents par rapport à la situation actuelle.

« Un événement qui illustre très bien l’effet papillon dans le domaine de la météo est la tempête Lothar, qui a fait beaucoup de dégâts en Europe pendant la période de Noël 1999 », raconte Luca Mathias. Le modèle météorologique allemand n’avait pas du tout émis d’avertissements pour Lothar à l’époque. La cause en était une seule mesure d'une station de mesure sur un bateau dans l'Atlantique. En raison d’un processus de filtrage effectué par les ordinateurs pour rejeter les mesures erronées ou improbables, une mesure très importante de la pression atmosphérique de cette station n’avait pas été prise en compte dans les calculs. De plus, comme l’Allemagne ne disposait pas encore à l’époque d’un modèle météorologique d’ensembles, cela a conduit à une prévision météorologique erronée qui ne prévoyait pas la tempête. »

« Or, même à l’avenir, nous ne disposerons jamais de prévisions météorologiques fiables à 100 % », estime Luca Mathias. « Notre atmosphère n’est tout simplement pas un système linéaire et n’est donc pas prévisible à 100 %. Même avec les techniques les plus performantes pour les calculs et les mesures, il n’y aura jamais de certitude à 100 %. »

En moyenne, les prévisions météorologiques sont plus précises en hiver qu’en été, du moins pour ce qui est de l'hémisphère nord. Par exemple, il est plus facile de prévoir la pluie ou la neige à grande échelle en hiver que les averses locales et de courte durée que nous connaissons en été. À cela s'ajoute le fait que les orages sont plus fréquents en été et qu'ils sont généralement très difficiles à prévoir.

Mon application prévoit une probabilité de pluie de 10 %. Qu’est-ce que cela signifie concrètement ?

« Il est malheureusement très difficile de répondre à cette question », affirme le météorologue. « C’est parce que les applications ne sont souvent pas transparentes dans ce qu'elles affichent exactement. Par exemple, une probabilité de pluie de 10 % peut signifier qu’il a plu dans 10 % des cas par le passé dans les mêmes conditions de l'état météorologique actuel. Ces 10 % se baseraient donc sur des statistiques du passé. Mais il est tout aussi possible que les applications aient calculé une multitude de scénarios pour l’avenir et que dans 10 % des scénarios, les calculs aient prévu de la pluie. Ce serait la prédiction la plus sûre, mais la grande majorité des applications ne procèdent pas de la sorte. Et puis il est aussi possible que les applications entendent par 10 % qu’il pleut pendant 10 % de la journée. Il y a vraiment de quoi s’y perdre. »

Le météorologue conseille donc de s’informer sur des sites Internet de qualité, qui sont en permanence contrôlés et mis à jour par des experts. Mais là aussi, ou même à la radio ou à la télévision, des malentendus peuvent survenir au niveau de la communication. « Si des averses sont prévues pour la journée, cela ne signifie pas, par exemple, qu’il pleuvra par moments sur tout le Luxembourg. Cela veut dire qu’il peut y avoir des averses dans certaines régions, mais qu'elles ne peuvent pas forcément être définies avec précision. »

Prévision « température ressentie » : est-ce qu’une température de 30 °C est toujours perçue de la même manière ?

Certaines prévisions météorologiques indiquent deux chiffres pour la température, le second correspondant à la « température ressentie ». Pourquoi 30 °C sont-ils parfois ressentis comme 28 °C et parfois comme 33 °C ? Ici, on parle aussi de l’indice de chaleur. Nous ne ressentons pas toujours la chaleur avec la même intensité. Ce phénomène est principalement dû à l'humidité de l'air. Notre corps se refroidit par l’évaporation de la sueur sur la peau. Cette évaporation fonctionne particulièrement bien lorsque l'air est très sec. La chaleur est alors supportable. Inversement, s’il y a beaucoup d’humidité, la sueur ne s'évapore pas bien et la chaleur est très désagréable. On dit aussi que le temps est « lourd » ou « étouffant ».     

D’autres indices de chaleur tiennent aussi compte du vent. Quand il y a beaucoup de vent, la sueur s'évapore aussi très bien. Tout le monde connaît cette sensation lorsqu’une brise fraîche souffle en été. Cet air qui donne une sensation de fraîcheur, parce que la sueur s’évapore avec l’air et notre peau refroidit.

Comment les prévisions météorologiques sont-elles faites pour le Luxembourg ?

Les prévisions météorologiques au Luxembourg sont faites avec l'aide de nos voisins. « Pour cela, nous nous basons souvent sur les modèles météorologiques allemands, français, belges et parfois aussi hollandais. Ces modèles couvrent également l'ensemble du territoire luxembourgeois dans leurs calculs. En combinaison avec le modèle européen, nous pouvons alors effectuer des prévisions assez précises pour le Luxembourg. » Notre petit pays ne dispose en effet pas de son propre superordinateur qui nous permettrait de développer nos propres modèles météorologiques. « C’est parce que les moyens à mettre en œuvre pour une telle infrastructure n’en vaudraient tout simplement pas la peine si nous avons de toute façon la possibilité d’utiliser les données d'autres pays. En effet, lorsqu'on possède son propre ordinateur, il faut écrire son propre programme technique, les serveurs doivent être entretenus régulièrement et quelqu’un doit s'occuper de la manipulation des données. Nous ne disposons actuellement pas des capacités et des ressources nécessaires pour le faire. »

Le Luxembourg possède toutefois sa propre station de mesure météorologique à l’aéroport de Luxembourg-Findel. Depuis 1947, une multitude de paramètres atmosphériques, tels que la température de l'air, les précipitations, la pression atmosphérique, l'humidité de l'air ou le rayonnement solaire, y sont mesurés en continu. Ces valeurs ne servent pas à établir des prévisions, mais des statistiques. Il s’agit notamment de rapports mensuels sur la météo que nous avons connue, de l’établissement de valeurs de référence sur des périodes données, ainsi que de rapports climatologiques décadaires, mensuels, saisonniers et annuels.

Comment fonctionnent les systèmes d’alerte européen et luxembourgeois ?

Au Luxembourg, il incombe au service météorologique public MeteoLux de publier et diffuser des alertes d’intempéries. Étant donné que le Luxembourg est membre du réseau européen Meteoalarm, la situation météorologique du pays est également classée et communiquée à l’aide d’un code couleur : vert (pas de vigilance particulière), jaune (danger potentiel), orange (danger) et rouge (danger extrême). Ce code est utilisé pour la pluie, le vent, la chaleur, le froid, l’orage, la neige, la grêle et le verglas.

Pour chacun de ces événements, il existe un système de classification spécifique avec des conseils de comportement correspondants. Par exemple, lorsqu’il tombe 11 à 25 cm de neige fraîche en l’espace de douze heures, le niveau d’alerte orange est activé et l’utilisation des transports en commun est recommandée. Si plus de 25 cm de neige fraîche tombent en l’espace de 12 heures, le niveau d’alerte rouge est activé et il est recommandé de rester à la maison, dans la mesure du possible. Vous trouverez des informations supplémentaires sur les vigilances ici.

Les facteurs environnementaux qui peuvent présenter un risque pour la santé sont les taux d'ozone et de particules fines dans l'air. Ceux-ci sont toutefois recensés et communiqués par l’Administration de l’environnement.

En cas de risque d’inondation, l’Administration de la gestion de l’eau lance l’alerte. Elle dispose de ses propres modèles pour calculer comment les rivières et autres cours d’eau réagissent aux fortes précipitations. Les valeurs de précipitations prévisionnelles lui sont fournies par différents partenaires, dont MeteoLux. Au Luxembourg, le niveau des cours d’eau est mesuré à différents endroits stratégiques du pays. Si les modèles prévoient qu’un niveau sera probablement dépassé, le service d’alerte de l’Administration de la gestion est activé (préalerte ou alerte). À partir de ce moment, les autorités compétentes et les services de secours sont informés et les alertes sont actualisées toutes les 15 minutes sur le site central du service de prévision des crues inondations.lu. Vous trouverez des informations supplémentaires sur le système d’alerte pour les inondations ici.  

Qu’est-ce qui a changé depuis les inondations de l’année dernière ?

En juillet 2021, de graves inondations se sont produites en Europe centrale. Le Luxembourg a également été durement touché. Les modèles météorologiques avaient eu du mal à prédire avec précision la situation et l'intensité des précipitations. Ainsi, plusieurs modèles globaux et régionaux avaient dans un premier temps sous-estimé les précipitations au Grand-Duché.

Il est donc d'autant plus important que le système d'alerte soit le plus efficace possible lorsque des précipitations extrêmes sont prévues. Depuis les inondations, des améliorations ont été apportées au système d'alerte. À l’avenir, l’application mobile « Meine Pegel » informera les utilisateurs sur les niveaux d'eau et les alertes actuelles dans les régions environnantes. L’application « GouvAlert » doit également permettre une transmission plus rapide des alertes grâce à l’envoi de messages directement aux utilisateurs. À l’avenir, les alertes seront aussi plus visibles sur le site inondations.lu et les utilisateurs auront la possibilité de s’abonner à des notifications Push via un flux RSS.

Auteure : Lucie Zeches (FNR)

Rédaction : Michèle Weber (FNR), Jean-Paul Bertemes (FNR)
Traduction :Nadia Taouil – t9n