Modèle WRF: des prévisions météorologiques sur mesure à haute résolution

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Technologie

14/11/2023

par

Damien Raynaud

7 min

Introduction : les modèles météorologiques régionaux

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L’atmosphère est infiniment complexe. Des phénomènes météorologiques de dimensions spatiales allant de l’échelle planétaire (ex : El Nino, zone de convergence inter-tropicale) à l’échelle microscopique (condensation, échanges de chaleur) en passant par la méso-échelle (systèmes orageux complexe) et l’échelle synoptique (perturbation barocline) s'y entremêlent et interagissent.

Afin de prévoir son évolution, on utilise des modèles numériques de prévision du temps. La résolution des modèles détermine les dimensions spatio-temporelles minimales des phénomènes qui peuvent être simulés. Les modèles dits globaux proposent une prévision sur l’ensemble de la planète, mais leur résolution ne dépasse pas les 10km. Il leur est donc impossible de modéliser des phénomènes de dimensions inférieures telles que les cellules orageuses isolées ou des brouillards locaux.

En revanche, il existe également des modèles régionaux qui, comme leur nom l’indique, simulent l’évolution de l'atmosphère sur un domaine limité. Leur résolution peut être abaissée autour du kilomètre, voire un peu moins. Certains grands centres météorologiques mondiaux possèdent ce type de modèle sur leurs régions d'intérêt. On peut citer par exemple le modèle AROME à 1.3 ou 2.5km déployé en France métropolitaine et sur une partie des DOM-TOM par Météo France, le modèle ICON-D2 fournissant des prévisions à 2km de résolution sur l’Allemagne ou le modèle HRRR à 3km développé par la NOAA aux Etats Unis.

Malgré leur apport incontestable pour la modélisation météorologique à fine échelle (Figure 1), mettre en place et maintenir de telles simulations atmosphériques reste lourd et très coûteux. C’est pourquoi les modèles à haute résolution sont relativement peu nombreux et ne couvrent que des domaines limités du globe.

Figure 1: Comparaison de simulation de rayonnement solaire (couleurs) et les champs de vent (flèches) pour le même modèle (WRF) en changeant uniquement la résolution spatiale: 9, 3 et 1 km.

Le modèle WRF

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Le modèle WRF (Weather Research and Forecasting) est un modèle développé en partenariat entre le National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) des Etats-Unis, le National Center for Atmospheric Research (NCAR), et plus de 150 centres de recherches universitaires en météorologie à travers le monde. Il est ainsi largement utilisé à la fois pour des applications de recherche et par l’industrie.

Nos experts météorologues peuvent configurer et déployer le modèle sur n’importe quelle région du globe en fonction des spécificités climatiques, mettre en place des simulations à la résolution spatiale souhaitée et calibrer la physique du modèle afin d’optimiser la qualité des prévisions.

En particulier, ils peuvent agir sur ce qu’on appelle les paramétrisations physiques, qui pilotent plusieurs classes de phénomènes de très petites échelles impossibles à capturer explicitement par le modèle. Comme illustré sur la Figure 2, elles se classent en plusieurs catégories : les paramétrisations liées au rayonnement (solaire & terrestres), à la convection, à la microphysique, à la couche limite et à la chimie atmosphérique. À chaque région et ses spécificités météorologiques correspond un set optimal de paramétrisations.

Figure 2: Différents types de paramétrisations physiques modulables par l’utilisation du modèle WRF

Le modèle WRF chez Frogcast : Application à la Polynésie française

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Chez Frogcast, le modèle WRF a été déployé et fournit des prévisions opérationnelles sur plusieurs zones, notamment en régions insulaires. Ses prévisions viennent enrichir le mix multi-modèles utilisé par défaut.

Nous proposons d’illustrer ici l’apport des simulations WRF sur l’archipel de Tahiti où ce modèle fournit des prévisions de rayonnement solaire et de température depuis plus de 5 ans. Située en zone tropicale et isolée au milieu du Pacifique, cette île est caractérisée par un climat humide et chaud tout au long de l’année. La saison des pluies s’étend de novembre à avril avec des passages orageux réguliers et souvent intenses. La plus grande difficulté consiste à prévoir le déclenchement, le développement et l’ampleur de la convection qui entraîne une variabilité importante des conditions météorologiques. La topographie de l'île joue aussi un rôle important dans les développements nuageux diurnes et en interagissant avec les alizées.

L’exemple ci-dessus présente les simulations de rayonnement solaire issue du modèle WRF pour trois journées soumises à des conditions météorologiques biendifférentes. Elles sont comparées aux images satellites aux mêmes instants. La première journée est caractérisée par des développements nuageux sur le relief par évolution durnes finissant par déborder sur le littoral. WRF capture parfaitement cet effet topographique dans sa simulation. Dans le deuxième cas, une masse nuageuse compacte recouvre l’ensemble de la région. On remarque quelques rares éclaircies au nord et au sud-ouest de l’archipel. Là aussi, les prévisions sont en accord avec la situation. Enfin, sur notre 3ᵉ exemple, deux couches nuageuses coexistent avec quelques cumulus isolés surplombés par un voile nuageux à haute altitude. Ces deux éléments se retrouvent dans la simulation WRF et prouvent encore une fois sa capacité à modéliser des phénomènes atmosphériques divers en termes de processus physiques ou d’échelles spatio-temporelles.

Figure 3: Comparaison de prévisions WRF (rayonnement solaire et vent à 10m) avec les images satellites correspondantes.

En quelques lignes : WRF et vous

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Le modèle WRF peut répondre à un besoin en prévision à fine échelle pour des échéances allant jusqu’à 48h. Il peut particulièrement apporter une plus-value dans les zones où aucun autre modèle à haute résolution n’est disponible.

Notre équipe de météorologue est en mesure de définir et déployer la configuration optimale du modèle pour votre zone et vos paramètres météorologiques d'intérêts, garantissant ainsi des performances optimales. Notre expertise en modélisation nous permet d’adapter notre proposition à vos spécificités opérationnelles en générant par exemple, des prévisions d’ensemble (multi-paramétrisation ou multi-forçage) ou en prenant en compte des phénomènes annexes tels que l’impact des aérosols atmosphériques.

N’attendez plus, contactez-nous, pour découvrir les capacités du modèle WRF !

Figure 4: Exemple de simulation WRF à 1km : rayonnement solaire (couleurs) et champs de vent (flèches) pour l'île de Ténérife (Espagne).

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