contenu

Recherches
   |   

PROJET CIBLE CHANGEMENTS CLIMATIQUES ET AGRICULTURE "CLIMAGRI"

SOUS-PROJET 4
Information et divulgation des données

THÉMATIQUE 4.2
Développement de la modélisation météorologique à zone limitée pour la prévision agro-météorologique fonctionnant au sein du MiPAF

RESPONSABLE DE LA RECHERCHE
M. Andrea Buzzi
Institut des sciences de l’atmosphère et du climat (ISAC-CNR, Bologne)


FINALITÉ DE LA RECHERCHE
L’activité qui est actuellement conduite au sein du MiPAF (Ministère des politiques agricoles et forestières) dans le secteur de la modélisation météorologique, orientée vers la prévision à trois jours des paramètres à intérêt agro-météorologique sur le territoire national, se base sur des codes de simulation et des procédures. Ils ont été mis au point depuis une dizaine d’années et ils requièrent une mise à jour essentielle, pour tenir le pas avec les exigences accrues de qualité et de détail de la prévision météorologique. Ils apportent des améliorations technico/scientifiques grâce aux résultats de la recherche et des ressources disponibles dans le secteur du calcul numérique.

Il convient de tenir compte en particulier des progrès obtenus au cours des dernières années en terme de qualité intrinsèque et de résolution spatiale potentielle des données d’entrée à la modélisation à zone limitée (provenant du Centre Européen pour les prévisions à moyen terme de Reading, ECMWF), de l’accroissement considérable dans la puissance de calcul disponible, et surtout de l’amélioration des techniques de modélisation météorologique apportée par la recherche dans le secteur, en vue d’une plus grande efficacité des méthodes numériques, de l’intégration de modèles et d’une plus grande précision dans la description de la complexité des processus physiques qui interviennent dans l’évolution météorologique. Il semble possible apporter des améliorations considérables à l’activité de la prévision, en profitant des potentialités mentionnées au dessus.

La recherche au niveau international s’est intéressée au cours de ces dernières années à l’amélioration de modèles à mésoéchelle, servant à décrire les phénomènes météorologiques qui possèdent des échelles spatiales de l’ordre ou même inférieur de quelques kilomètre, comme par exemple les systèmes de précipitation de nature convective ou les systèmes de circulation induits par l’orographie. Des nouveaux systèmes, qui ont été ou sont en cours d’élaboration, décrivent explicitement les processus microphysiques de formation et de transformation des différentes hydrométéores caractérisant le cycle de l’eau dans l’atmosphère, les processus d’échange avec la surface terrestre, en tenant compte des effets de la végétation et des propriétés des sols. En même temps, les techniques numériques se sont affinées, comme les schémas d’advection, d’intégration temporelle, de «nesting»; ce dernier est orienté pour obtenir des résolutions spatiales élevées sur des zones limitées.


BUT DE LA RECHERCHE
Le but de cette ligne de recherche est celui d’introduire des progrès essentiels dans la qualité et le détail de la prévision météorologique à court terme sur le territoire national. Elle est orientée en vue des applications agricoles, elle permet, surtout une amélioration de la prévision des paramètres météorologiques au sol (température maximale et minimale, vent, précipitation, humidité, rayonnement), en utilisant le plus efficacement possible les données fournies par le Centre Européen pour les prévisions à moyen terme de Reading. On apportera de nouveaux instruments de modélisation qui permettent d’améliorer les différents stades de la chaîne opérationnelle et d’opérer des résolutions spatiales doubles par rapport à la chaîne actuelle.


DESCRIPTION DE LA RECHERCHE ARTICULÉE SUR TROIS ANS
Les aspects principaux de la recherche triennale concerneront les aspects suivants :
  • Mise à jour des procédés d’élaboration et d’assimilation des données d’entrée et prévisions ECMWF disponibles. Actuellement on utilise dans le modèle DALAM les champs ECMWF sur des niveaux de pression standard et avec résolution horizontale de 0.5x0.5 degrés. Les développements proposés doivent permettre l’utilisation des niveaux originaux hybrides (jusqu’aujourd’hui le modèle ECMWF en utilise 60) et avec une résolution spatiale qui soit de l’ordre de celle nominale (jusqu’aujourd’hui 40 km).
  • Développement d’un schéma avancé pour le calcul du bilan énergétique et hydrique en surface et qui tienne compte de la physiographie du sol et du couvert végétatif, afin d’améliorer la prévision des paramètres du sol et de la précipitation. Ce schéma a pour but l’amélioration de la description des flux de chaleur et d’humidité, pour permettre un raffinement de la modélisation de la couche en surface en fonction des caractéristiques de la surface terrestre et du sous-sol, jusqu’à quelques mètres de profondeur.
  • Mise en œuvre et validation de schémas plus efficaces d’intégration temporelle, concernant l’intégration des composants de gravité dans les équations du mouvement et les termes d’advection, et définition d’un nouveau schéma de grille en coordonnées géographiques tournées, qui minimise l’anisotropie de la grille.
  • Mise en oeuvre et validation d’un schéma de précipitation basé sur le traitement explicite des processus microphysiques des nuages à complexité intermédiaire, convenable aux modèles opérant à une résolution inférieure aux «cloud models». Le schéma se base sur le traitement explicite de cinq espèces différentes d’hydrométéores (eau, glace de nuage, pluie, neige, neige roulée, grêle) afin d’améliorer la description du cycle de l’eau dans l’atmosphère.
  • Mise en œuvre et validation d’un schéma de convection pour les modèles à mésoéchelle, qui permette l’interaction avec le schéma de microphysique explicite, par l’échange d’hydrométéores. On propose d’utiliser le schéma de Kain-Fritsch.
  • Amélioration du schéma actuel de diffusion turbulente en surface et dans la couche limite, aussi bien sur la mer que sur le sol.
  • Etude et mise en oeuvre de techniques de « nesting » simultané, afin d’obtenir des résolutions spatiales élevées sur des sous-zones d’intérêt particulier avec une plus grande efficacité computationnelle. Les phases de validation s’effectueront après la réalisation des cas de test de prévision, en comparant au fur et à mesure les résultats avec ceux obtenus par le modèle DALAM actuel et avec les données d’observation à disposition. On prévoit en plus, une validation sur une période prolongée surtout pour la mise au point du modèle du sol.


PREMIÈRE ANNÉE
  • Acquisition des données nécessaires pour le projet (aussi bien les données des analyses météorologiques que les données physiographiques);
  • Développement et validation du nouveau processus d’initialisation;
  • Mise à jour du schéma dynamique, développement du schéma microphysique.


DEUXIÈME ANNÉE
  • Première formulation du modèle des échanges entre le sol et l’atmosphère;
  • Validation des modifications au schéma d’intégration temporelle;
  • Mise en oeuvre complète et validation du traitement du cycle de l’eau (microphysique explicite et convection);
  • Mise en oeuvre du schéma de traitement des échanges turbulents.


TROISIÈME ANNÉE
  • Complètement et validation du schéma du sol.
  • Validation du nouveau schéma de diffusion turbulente en surface et dans la couche limite.
  • Mise en oeuvre de la technique de « nesting » simultané.
  • Mise au point finale de la version mise à jour et complète du modèle.


RÉSULTATS ATTENDUS AU COURS DE LA PREMIÈRE ANNÉE
  • Mise à jour des procédés d’élaboration et d’assimilation des données d’entrée au modèle. Les données d’entrée utilisées actuellement se réfèrent à un nombre limité de niveaux atmosphériques définis à pression constante. Pour une utilisation plus convenable de la résolution originale permise par les produits ECMWF, nécessaire pour mettre en oeuvre une prévision à résolution élevée, il faut utiliser le plus grand nombre possible de niveaux verticaux, en coordonnées «hybrides», où sont définis les champs météorologiques du modèle ECMWF, en tenant compte aussi des variations des formats et des champs disponibles intervenus dans le temps. Á ce propos, il paraît même nécessaire de revoir le traitement des données en surface et des niveaux du sol. On effectuera une révision générale des codes qui définissent la série de données d’entrée contenant les conditions initiales et celles aux contours de la zone d’intégration.
  • Développement d’un schéma avancé pour le calcul du bilan énergétique et hydrique en surface qui tienne compte de la physiographie du sol et du couvert végétatif. Pour améliorer la prévision des variables météorologiques locales au sol (température de l’air à deux mètres et du sol, maximale et minimale incluses, humidité de l’air et contenu hydrique du sol, vent à dix mètres) et aussi de la précipitation, en particulier convective, il faut introduire des informations sur les caractéristiques physiques du sol et sur l’éventuelle végétation présente. On prévoit donc d’élaborer un modèle d’échanges énergétiques et de masse entre l’atmosphère et le sol qui tienne compte de la variabilité spatiale et saisonnière des sols et des caractéristiques de la végétation. Cette partie de la recherche, directement liée aux aspects agro-météorologiques, sera développée en étroite collaboration avec l’UCEA. Au cours de la première année on prévoit le choix du modèle physique et des processus à mettre en œuvre, une formulation partielle du schéma (surtout la partie ne concernant pas la végétation) et l’acquisition des séries de données nécessaires.
  • Développement de schémas plus efficaces d’intégration temporelle et définition d’un nouveau schéma de grille en coordonnées géographiques tournées. La résolution horizontale élevée (d’environ de 15-5 km de pas de grille dans les configurations avec « nesting ») et verticale (40-50 niveaux), nécessaire pour une description plus précise des phénomènes précipitants, impose une amélioration de l’efficacité computationnelle et du traitement des ondes de gravité. Par conséquent, le schéma semi-implicite actuel sera remplacé par un schéma «split explicit», qui permet une réduction considérable aussi bien des temps de calcul que de l’occupation de la mémoire. La rotation de la grille permet une augmentation majeure du pas temporel qui évite l’accumulation de points vers les pôles. Enfin, le schéma d’advection sera mis en œuvre à travers une technique de forward-backward de Malguzzi et Tartaglione (1999).


ASPECTS INNOVATEURS
Les aspects les plus innovateurs de la recherche concernent:
  • utilisation de données à haute résolution comme entrée dans un modèle global;
  • développement d’un modèle d’échanges entre l’atmosphère et le sol;
  • utilisation des techniques originales d’intégration temporelle;
  • mise en oeuvre d’une “microphysique” à degré intermédiaire de paramétrisation;
  • la mise au point et l’utilisation de techniques avancées de « nesting ».


RETOMBÉES TECHNICO-SCIENTIFIQUES/ÉCONOMICO-SOCIALES
Les retombées technico-scientifiques principales concernent le secteur de la modélisation des fluides géophysiques appliquée à la prévision météorologique. Les expériences dans le secteur en Italie sont limitées et de formation récente. Cette recherche donne l’opportunité de ne pas disperser les compétences acquises, de maintenir une compétitivité nationale dans le secteur et d’appliquer à l’opérationnalité des mises à jour techniques (le résultat de la recherche internationale) qui permettent d’améliorer et de rendre plus précise la prévision à haute résolution pour l’agro-météorologie. Les retombées économico-sociales dérivent des meilleures capacités de prédiction des modèles météorologiques, en termes d’un accroissement de la précision et de la spécificité locale de la prévision de paramètres météorologiques particulièrement importants pour l’agriculture. Parmi ces paramètres il y a par exemple la température maximale et minimale, le vent et l’humidité au sol et aussi la précipitation accumulée. On s’attend donc à une augmentation de la capacité de prévision des adversités en agriculture. A partir d’une prévision d’un à trois jours, plus précise par rapport à celle qui est disponible actuellement et avec un détail spatiale élevé en fonction des types de sols, on prévoit un impact économique positif, grâce à la diffusion convenable de l’information agro-météorologique sur le territoire national. Il faut rappeler en effet que l’accroissement estimé des productions dû à une meilleure connaissance du facteur climatique est de l’ordre de 5%.


BIBLIOGRAPHIE ESSENTIELLE
  • Kain, J.S., and J.M. Fritsch, 1993: Convective parameterization for mesoscale models: The Kain-Fritsch scheme. The Representation of Cumulus in numerical models, Meteor. Monogr., 46, Amer. Meteor., Soc., 165-177.
  • Malguzzi, P. and N. Tartaglione, 1999: An economical second order advection scheme for explicit numerical weather prediction. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 125, 2291-2303.
DOCUMENTS









Activités Activités
Projets Projets
Recherches Recherches
Partenariats Partenariats
Echange de données Echange de données
Contacts Contacts
Liens externes utiles Liens externes utiles
A propos de CLIMAGRI A propos de CLIMAGRI
© FAO 2003
About Climagrimed About Mediterranean Region Data Exchange Contacts Useful external links About Climagri MIPAF website UCEA website FAO website