Chapitre 1 Contexte et travaux en cours
1.4 Les outils de travail
1.4 Les outils de travail
Dans la thèse, les études ont été réalisées avec les données détaillées ci-dessous et avec les outils présentés dans la suite.
1.4.1 Les données utilisées
ERA-Interim
On a choisi de récupérer les champs atmosphériques des réanalyses ERA-Interim en
vue d’aboutir à des résultats statistiquement robustes et de réaliser une climatologie
correcte des systèmes et des ondes.
ERA-Interim constitue la dernière version des réanalyses produites par le Centre
européen de prévision météorologique à moyen terme (CEPMMT – ECMWF en anglais), en
remplacement des réanalyses ERA-40 par l’amélioration de l’assimilation de la variable
humide, de la physique et de la prise en compte des biais observationnels (Dee et al. 2011). Les réanalyses ERA-Interim, disponibles à partir de 1979 et actualisées régulièrement, sont obtenues à partir du modèle IFS de l’ECWMF (système d’assimilation
de données 4D-Var, version CY31r2) à une résolution T255 (0,7° équivalent à environ 77 km) L60 (à 60 niveaux de pression) plus élevée que celle employée par ERA-40.
Pour nos travaux des chapitres 2 et 3, on a récupéré les données ERA-Interim sous la forme de fichiers NetCDF pour les mois de janvier, février et mars de 2000 à 2011 et pour le mois de décembre de 1999 à 2010. Pour le chapitre 4, les mois de novembre et décembre 2011 ont suffi.
On choisit de travailler avec des champs atmosphériques à 0,25° de résolution
(suréchantillonnage) à 6 heures d’intervalle, à 10 niveaux de pression (1000, 900, 800, 700,
600, 500, 400, 300, 200 et 100 hPa) pour les variables en trois dimensions (3D) qui nous intéressent : le géopotentiel, la température, les humidités spécifique et relative, les vitesses méridionale, zonale et verticale, le tourbillon relatif et la divergence. En ce qui concerne les variables en deux dimensions (2D), on utilise la température de surface de la mer, la pression au niveau de la mer, les précipitations, la vitesse des vents horizontaux à 10 mètres, entre autres.
On rencontre dans la littérature scientifique internationale plusieurs autres données de champs atmosphériques, notamment les réanalyses américaines du NCEP (National Centers for Environmental Prediction) – National Center for Atmospheric Research (NCAR) ou encore les réanalyses MERRA (Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications) de la NASA. Il serait intéressant de comparer les résultats obtenus dans cette thèse à travers ces différentes réanalyses.
METEOSAT
Les prévisionnistes observent généralement la structure et la hauteur des nuages : une couverture nuageuse profonde est souvent synonyme de convection profonde, caractéristique des cyclones. Des structures nuageuses, qui peuvent paraître
Chapitre 1 Contexte et travaux en cours
indépendantes et séparées dans le spectre visible (0,4–0,7 µm) ou l’infrarouge thermique (3,5–20 µm), peuvent être reconnues comme faisant partie d’un même système d’échelle
synoptique dans le canal vapeur d’eau (5,7–7,1 µm), qui permet en outre de distinguer les régions de haute troposphère riches en humidité. Une variable intéressante à étudier est donc la température de brillance (TB) de nuage dans ce canal vapeur d’eau ; plus un nuage est haut, plus son sommet est froid, plus la TB de ce nuage est faible.
Nous avons choisi de travailler avec la TB qui provient des satellites METEOSAT, une famille de satellites météorologiques géostationnaires réalisés sous maîtrise d’œuvre de l’European Space Agency (ESA) et financés par l’Organisation européenne pour l’exploitation des satellites météorologiques (EUMETSAT). EUMETSAT est une organisation
intergouvernementale qui fédère les services météorologiques de 26 états membres européens ; la gestion des données en France est réalisée par le Centre de Météorologie Spatiale (CMS ; Météo-France et CNES) à Lannion.
Les satellites qui nous intéressent sont METEOSAT-5 (géostationnaire à 63°E de juillet 1998 à février 2007) et METEOSAT-7 (géostationnaire à 57,3°E depuis février 2007) qui couvrent l’océan Indien dans le cadre du programme IODC (Indian Ocean Data Coverage). Les données nous ont été transmises sous forme de données codées sur 8 bits par pixel (avec une résolution spatiale de 4,5 km environ) des images dans le canal vapeur d’eau,
dont Tjemkes et al. (2001) ont vérifié la calibration. Il a été nécessaire de convertir les données numériques dn en température de brillance (en Kelvin) par une simple formule :
255 dn 150 190
TB * / .
Sur la période étudiée dans la thèse, on récupère la TB sur une zone couvrant {30°–
100°E ; 5°N–45°S} toutes les trois heures.
On a montré dans le cadre de cette thèse que, dans la zone étudiée, la TB était anticorrélée aux précipitations mesurées lors de la TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission), par un satellite américano-japonais, i.e., les pluies sont corrélées aux nuages de haut sommet.
Dans la littérature scientifique, des données comparables à la TB sont souvent utilisées : l’OLR (Outgoing Longwave Radiation, ou Ermittance Infrarouge) déduite des satellites polaires de la NOAA. L’OLR est une estimation de l’emittance thermique de l’atmosphère (en W m-2) reliée à la TB par la loi de Stefan-Botzmann :
4 TB σ
OLR ,
où σ est la constante de Stephan-Botzmann (= 5,67 × 10-8 W m-2 K-4) et TB est la
température d’un corps noir ayant une émittance égale à OLR.
IBTrACS
En ce qui concerne les données cycloniques, on a choisi de travailler avec la base de données IBTrACS (International Best Track Archive for Climate Stewardship ; Knapp et. al 2010) de la NOAA–National Climatic Data Center (NCDC), approuvée par le « Tropical Cyclone Programme » de l’OMM comme une ressource officielle d’archivage et de
distribution des données « best track », estimation consensuelle de la trajectoire et de
1.4 Les outils de travail
Les données IBTrACS combinent les bases de données issues des différents CMRS et TCWC officiels. Sur le sud-ouest de l’océan, les données de trajectoire et d’intensité proviennent essentiellement du CMRS La Réunion. Il arrive aussi qu’on utilise les données des TCWC Perth ou Jakarta pour les systèmes qui traversent la longitude 90°E, et aussi les données du JTWC de Guam (pour le cyclone Alenga dans le chapitre 4).
Les données IBTrACS sont sous la forme d’un fichier NetCDF par bassin tropical ; de 1848 à 2012 pour le sud-ouest de l’océan Indien. Les informations référencées sont les positions des systèmes cycloniques nommés pour la plupart, dès leur détection par les prévisionnistes, toutes les six heures, accompagnées des informations de vents maximaux, de pression minimale, de bassin traversé, etc.
On montre dans le chapitre 2 que les centres détectés par la méthode basée sur les réanalyses ERA-Interim sont bien corrélés aux données de positions issues d’IBTrACS. En revanche, les réanalyses ERA-Interim ne parviennent pas à atteindre les minimums de pression et maximums de vents listés dans IBTrACS car la résolution spatiale n’est pas
suffisante pour représenter correctement les processus convectifs de la phase de maturité.
1.4.2 Le logiciel MATLAB
La majorité des travaux effectués pendant cette thèse, i.e. les traitements de données, les analyses statistiques, les méthodes objectives, les tracés de résultats, a été faite avec le logiciel MATLAB4 (« matrix laboratory »), un langage de programmation de haut niveau développé par The MathWorks, accompagné de son environnement interactif de développement, utilisé à des fins de calcul numérique, de visualisation et de programmation. C’est la version 7.11.0.584 (R2010b) qui été utilisée sous UNIX.
Ce logiciel n’est pas gratuit. Le prix de sa licence individuelle peut aller d’une centaine
d’euros (pour les étudiants ou pour un usage personnel limité), à 500 € pour un usage académique (pour des travaux de recherches), jusqu’à 2000 € dans d’autres cadres
(business, par exemple). Le laboratoire d’Aérologie bénéficie d’une licence collective par l’intermédiaire de l’Université Toulouse III Paul Sabatier.
Pour le traitement spécifique des fichiers NetCDF, la toolbox MEXCDF, disponible en Open Source5, a été utilisée.
1.4.3 Le modèle Meso-NH
Le modèle météorologique Meso-NH a été utilisé pour les simulations numériques à haute résolution du cyclone tropical Alenga. Se référer au chapitre 4 pour plus
d’information sur ce modèle et son utilisation dans le cadre de cette thèse.
4 http://www.mathworks.fr/products/matlab/