La chaîne locale de prévision opérationnelle à Roissy Charles de Gaulle . 29

Depuis 2004, cette approche locale de prévision numérique des conditions de visibilité ré-duite (LVP) est opérationnelle sur l’aéroport de Roissy Charles de Gaulle. La chaîne locale de prévision produit des prévisions de COBEL-ISBA de 12 heures d’échéance des conditions LVP. Elle comporte un système d’assimilation variationnelle tri-horaire d’observations de type 1D-var (Bergot et al., 2005). Le schéma 1.1 présente les différents éléments de cette chaîne de prévision.

a. L’assimilation 1D-Var dans COBEL-ISBA

Les profils des conditions initiales atmosphériques de température et d’humidité sont pro-duits par un schéma d’assimilation variationnelle local. Le processus d’assimilation variation-nelle tire profit de toute l’information disponible de manière à estimer le plus précisément possible l’état de l’atmosphère (Le Dimet et Talagrand, 1986).

Le système d’assimilation bénéficie d’observations spécifiques effectuées sur l’aéroport telles que les flux radiatifs de courtes et longues longueurs d’ondes (montant et descendant à la sur-face et à 45 m), la température et l’humidité jusqu’à une hauteur de 30m (mât avec les niveaux de mesures à 1, 2, 5, 10 et 30 mètres) dans la couche limite et de température et de contenu en eau dans le sol jusqu’à une profondeur de 50 cm. Il prend également en compte une ébauche COBEL (guess) et des données issues de prévisions du modèle à aire limitée de Météo-France, Aladin (références sur le site internet http ://www.cnrm.meteo.fr/aladin/).

L’estimation ou analyse (x^a) de l’état réel de l’atmosphère (x^t) est alors obtenue en mini-misant une fonction coût (J(x)), oùxest le vecteur d’état de l’atmosphère. Cette fonction coût mesure un double degré de correspondance, d’une part entre l’état estimé (x = x^a) de l’at-mosphère et les observations (J^o(x)) et d’autre part entre l’état estimé et l’information a-priori fournie par l’ébauche (J^b(x)).

J(x) = ¹ 2^(x b−x)^TB−1(x^b−x) | {z } Jb (x) +¹ 2^(y o−Hx)^TR−1(y^o−Hx) | {z } Jo (x) (1.1)

des erreurs d’observationsy^o,Best la matrice de covariance des erreurs de prévision etHest l’opérateur qui permet de passer de l’espace du modèle à celui des observations. La solution à ce problème est donnée analytiquement par :

x^a=x^b+K(y^o−Hx^b) Avec K= (B−1+H^TR−1H)−1H^TR (1.2) K étant la matrice de gain.

b. L’assimilation des brouillards

Pour simuler adéquatement le cycle de vie des brouillards (formation, maturation et dissi-pation), il est important de correctement décrire les paramètres dans la couche limite nuageuse. Par conséquent, une procédure d’initialisation des brouillards est ajoutée dans le schéma 1D-Var, lorsque ces derniers sont détectés sur le site de l’aéroport. L’initialisation des brouillards est primordiale car leur évolution et la prévision de l’heure de leur dissipation dépendent de l’épaisseur de la couche nuageuse et de ses caractéristiques.

La procédure d’initialisation suit l’hypothèse que les brouillards sont des couches nuageuses bien mélangées et saturées (Stull, 1988). On considère que le contenu en eau total est constant dans la couche de brouillard (liquide + vapeur) et que le profil de température suit l’adiaba-tique saturée. Au-dessus de la couche de brouillard, les profils issus de l’assimilation 1D-Var restent inchangés. L’épaisseur verticale du brouillard est estimée par une méthode itérative, qui minimise la différence entre les flux radiatifs simulés par COBEL et flux radiatifs observés sur l’aéroport (Carrer, 2003).

c. L’assimilation des nuages bas

Les nuages bas sont initialisés lorsqu’ils sont détectés par le télémètre, qui définit la base des nuages. Les analyses produites par le 1D-Var sont alors modifiées afin d’initialiser la couche de nuage (Carrer, 2003).

Sous le nuage, la couche atmosphérique est quasiment homogène grâce à l’apport d’énergie infra-rouge qui alimente le mélange turbulent. Le profil de température suit alors l’adiabatique sèche à partir de la température de surface. L’humidité est interpolée de la surface à la base du nuage où l’humidité estq_sat(T_basenuage).

Au-dessus du nuage, les profils issus du 1D-Var sont inchangés. L’épaisseur du stratus est éva-luée à partir d’une méthode itérative similaire à celle utilisée pour la détermination de l’épais-seur des brouillards.

d. L’assimilation des variables dans le sol

Lorsque les observations de température et d’humidité du sol sont disponibles, elles sont interpolées et utilisées pour initialiser le modèle ISBA. Ces profils sont primordiaux pour le calcul du bilan d’énergie à la surface et les échanges chaleur et d’humidité entre l’atmosphère et le sol.

Lorsque les observations ne sont pas disponibles, ISBA est initialisé avec des profils de tem-pérature et d’humidité provenant d’une simulation "off-line" d’ISBA. Dans cette configuration, ISBA est forcé avec les observations atmosphériques (température et humidité à 2 mètres, vent à 10 mètres, flux radiatifs de surface et les précipitations au sol) afin de reconstituer des ana-lyses cohérentes pour le sol (Carrer, 2003).

d. L’intégration des forçages de mésoéchelle dans les simulations de COBEL

Les forçages de mésoéchelle (advections horizontales de température et d’humidité, vent géostrophique et couvert nuageux) sont fournis par les simulations tri-horaires du modèle à aire limité Aladin ; le modèle de prévision numérique du temps opérationnel à Météo-France. Les forçages sont interpolés linéairement à chaque pas temps du modèle COBEL pour être in-clus dans les simulations de COBEL.

Les advections horizontales de température et d’humidité sont calculées sur une région de 30x30 km2 englobant l’aéroport de Roissy (3x3 points de grille), afin d’obtenir une bonne co-hérence spatiale des champs advectifs et filtrer les variations sur les profils advectifs entre 2 points de grille voisins.

Le vent géostrophique est par définition un champ de grande échelle. Je fais donc le choix de le considérer comme un forçage synoptique et non local, si bien que les valeurs de vent géo-strophique assimilées au point de grille de COBEL sur les 30 niveaux verticaux sont calculées à partir d’une région de 50x50km²englobant l’aéroport de Roissy (5x5 points de grille). La nébulosité haute (au-dessus du dernier niveau vertical de la grille de COBEL) est extraite d’Aladin au point de grille correspondant au site de l’aéroport. Le flux de radiations longues

3h-assimilation: 1D-Var + fog and low clouds

initialisation

1D - COBEL-ISBA

Aladin forecasts (3D)

12h local forecats:

- detection of LVP conditions (fog and low clouds)

visibility < 600m and ceiling < 200ft

FIG. 1.1 – La chaîne de prévision locale des LVP opérationnelle à Roissy Charles de Gaulle.

et le coefficient d’atténuation des radiations courtes sont alors calculés à partir de la nébulosité Aladin pour être transmis à COBEL en forçage.

1.2 Évaluation des incertitudes sur les paramètres d’entrée de

COBEL-ISBA

Deux types de paramètres sont fournis à COBEL-ISBA, les forçages de mésoéchelle (module rouge sur le schéma 1.1) et les conditions initiales nécessaires à la détermination des analyses atmosphériques et dans le sol (modules noirs entrant dans l’assimilation sur le schéma 1.1). Pour cette étude, je choisis de rester proche de la physique des paramètres que je considère en évaluant de manière "empirique" l’incertitude sur chaque paramètre fourni au modèle COBEL-ISBA : les forçaces prescrits au modèle au cours de l’intégration et les conditions initiales (ana-lyses) issues de l’assimilation variationnelle locale.