1 9 8 3 1 9 8 4 1 9 8 5 1 9 8 6 1 9 8 7 1 9 8 8 1 9 8 9 1 9 9 0 1 9 9 1 1 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 Printemps Eté Automne Hiver Hiver
Figure 2-10 : Nombre de jours par année étant enregistrés dans une des bases de données (courbe pointillée
noire) et détail de jours concernés (points bleus).
En résumé, les limites de notre archive pluviométrique au pas de temps horaire sont les suivantes : - sa discontinuité temporelle ;
- l’hétérogénéité des seuils de pluie utilisés pour l’archivage des observations ; - sa saisonnalité, où la période automnale est la plus documentée ;
- l’échantillonnage spatial qui limite les observations dans les régions de plus faibles altitudes. Figure 2-7, une partie des pluviomètres de la zone montagne est localisée aux altitudes les plus faibles de cette zone : 12% des pluviomètres de la zone montagne de la base 1972-2005 ont une altitude inférieure à 200m, et 27% ont une altitude comprise entre 200m et 500m.
2.3. Les réanalyses
Nous venons de voir que les échantillonnages temporel et spatial des archives météorologiques et pluviométriques ont quelques limites pour mener à bien des études climatologiques. Les réanalyses SAFRAN et ERA40 sont alors utilisées pour compléter ces observations.
Le principe d’une réanalyse est le suivant : dans un premier temps, toutes les observations atmosphériques disponibles sont réunies sur la plus longue période possible (mesures au sol, radiosondages, images satellites, images radar,…). Dans un deuxième temps, ces observations sont analysées toutes ensembles avec un modèle météorologique unique (ou toute technique permettant de rendre l’ensemble cohérent) sur la période considérée. Cette analyse permet d’interpoler les données (en des points appelés « d’analyse » par opposition aux points « d’observation » pour lesquels les données sont disponibles) en respectant les lois physiques qui régissent les phénomènes
atmosphériques. L’analyse est effectuée a posteriori. Elle prend donc en compte non seulement la cohérence spatiale des données mais aussi leur cohérence temporelle. Une réanalyse est donc une sortie de modèle météorologique contrainte par les observations.
L’utilisation d’un modèle unique permet de limiter les erreurs liées à la modification du réseau. Cependant, les mesures sur lesquelles s’appuient les réanalyses ne sont pas homogènes dans le temps (nouveaux types de données, évolution des réseaux,…). La qualité des réanalyses est donc variable sur certaines régions du globe (Sterl, 2004 ; Bengtsson et al., 2004). Les différentes réanalyses (NCEP/NCAR ou ERA40) se distinguent par le modèle numérique utilisé. Pour les variables qui dépendent peu du modèle (partie dynamique, telles que le géopotentiel) il n’y a généralement pas de différence. Au contraire, les variables liées à la partie physique des modèles (humidité par exemple) peuvent varier d’un modèle à l’autre (Ben Daoud et al., 2009).
Nous détaillons ici les deux archives de réanalyses que nous utilisons : les réanalyses SAFRAN et les réanalyses ERA40.
2.3.1. Les réanalyses SAFRAN
Les réanalyses SAFRAN sont à l’échelle de la France une mémoire des forçages de la surface. Les principes d’élaboration des réanalyses SAFRAN sont succinctement décrits dans cette section. Pour plus de détails, le lecteur pourra se référer à la notice technique de Météo-France, Durand et al. (1993) et à la qualification de l’archive SAFRAN dans Quintana Seguì et al. (2008). Nous disposons des données SAFRAN depuis 1970.
Le Système d’Analyse Fournissant des Renseignements Atmosphériques à la Neige (SAFRAN) a été développé dans les années 1990 au Centre d’Etude de la Neige de Météo-France afin de réaliser une prévision opérationnelle des avalanches sur les principaux massifs alpins français (Durand et al, 1993 ; Martin, 1995 ; Durand et al., 1999). Initialement, l’objectif de SAFRAN est de fournir les principales variables atmosphériques nécessaires au modèle « CROCUS » (Brun et al., 1989, 1992), au pas de temps horaire, à différents niveaux, pour différents massifs, différentes pentes et différentes expositions (versants). Les procédures développées ont ensuite été généralisées à l’ensemble du territoire français.
Huit variables atmosphériques sont réanalysées : la vitesse du vent en surface, l’humidité relative au sol, la température de l’air au voisinage de la surface, la nébulosité totale intégrée, les
Chapitre 2 : Les données utilisées 67
précipitations et leurs phases, le rayonnement atmosphérique et le rayonnement solaire (direct et diffus).
L’estimation de ces variables se fait sur les 600 zones symposium (zones climatiques homogènes) définies par Météo-France. Chacune de ces zones dispose d’au moins 2 pluviomètres et une station météorologique. Ces zones ont des surfaces d’environ 1000km². Au sein de chaque zone, les valeurs de chaque variable dépendent de la topographie (une valeur par bande d’altitude de 300m).
La figure 2-11 illustre les trois principales étapes de la construction des réanalyses :
1) Estimation du profil atmosphérique sur chaque versant (résolution verticale de 300m).
Pour ce faire, une ébauche (première estimation des variables) est réalisée aux différentes altitudes dans chaque zone. Cette ébauche préalable est généralement fournie par les analyses ou les prévisions à 6h d’échéance des modèles de prévision (ARPEGE). Pour les précipitations, l’ébauche correspond à une valeur fixée, avec un gradient tenant compte de l’altitude, ou à la climatologie. Une autre source d’informations réside dans les observations disponibles en temps réel, provenant des postes nivo-météorologiques, des réseaux météorologiques classiques au sol et en altitude.
2) Elaboration de la réanalyse par le modèle SAFRAN. Le profil atmosphérique est
ensuite analysé par le modèle SAFRAN qui affine les valeurs ébauchées aux points d’analyse. Le profil est utilisé par un modèle radiatif fournissant les paramètres de rayonnement. Une partie de l’information est transmise au module d’analyse des paramètres de surface. Ces modules tiennent compte des valeurs réellement observées et fournissent les valeurs des variables aux points d’analyse par interpolation (Durand et al., 1993). L’analyse est réalisée toutes les 6h puis interpolée au pas de temps horaire. Le traitement des précipitations se fait différemment. Le pas de temps considéré est journalier. Le passage au pas de temps horaire est réalisé par interpolation en considérant l’évolution temporelle de l’humidité spécifique. L’humidité spécifique détermine une probabilité de précipitation lorsqu’elle atteint une valeur correspondant approximativement à 90% d’humidité relative. En quelque sorte, SAFRAN comprend une valeur cumulée de précipitations à pas de temps journaliers et un signal binaire d’indicatrice de pluie probable horaire.
3) Interpolation à la France. Finalement les données analysées dans chaque zone sont
Figure 2-11 : (extrait de « 4eme rencontres nationales de l’agrométéorologie », Mathieu Regimbeau). Principe
d’élaboration des réanalyses SAFRAN.
La validation de ces réanalyses a été faite par Quintana Seguì et al. (2008) sur l’ensemble de la France. La température, la vitesse du vent et l’humidité relative à 00, 06, 12 et 18h TU sont bien reproduites (car il s’agit des heures auxquelles les observations sont disponibles). Les résultats sont moins précis au pas de temps horaire. Pour quelques régions (notamment la région méditerranéenne) les biais entre observations et réanalyses sont plus importants. En ce qui concerne les précipitations, seule variable utilisée dans cette étude, la validation ne s’est faite que sur les données d’observation qui ont été utilisées pour l’élaboration des réanalyses et au pas de temps journalier. Les réanalyses pluviométriques SAFRAN ne sont pas biaisées mais l’erreur quadratique moyenne est importante (2,4mm.jour-1, soit 109%), en particulier dans la vallée du Rhône et les Cévennes (Quintana Seguì et al., 2008). Ceci est probablement lié à la variabilité intra-zone des précipitations (précipitations convectives) dont SAFRAN ne peut rendre compte car cette archive est construite sur des zones supposées homogènes d’un point de vue climatique. De manière générale, SAFRAN sous-estime l’occurrence des jours non pluvieux (45% au lieu de 52% observée) et l’occurrence des journées fortement pluvieuses (>20mm.jour-1) et surestime les jours au cumul compris entre 0et 5mm.jour-1. La capacité de SAFRAN à reproduire les évènements pluvieux diminue lorsque l’intensité des précipitations augmente.
2.3.2. Les réanalyses ERA40
Les réanalyses ERA401 couvrent l’ensemble du globe (Uppala et al., 2005). Le projet ERA40 a succédé aux réanalyses ERA15 et a été mis en place par le Centre Européen de la Prévision Météorologique à Moyen Terme (CEPMMT). Il est contemporain aux réanalyses américaines NCEP/NCAR mais le modèle employé fait d’autres choix en matière de paramétrisations.
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Chapitre 2 : Les données utilisées 69
Les réanalyses ERA40 à notre disposition couvrent la période septembre 1957 – août 2002. Le modèle utilisé est IFS Cy23r4 (Integrated Forecasting System) du CEPMMT. La résolution est d’environ 1,1° sur l’horizontale et sur 60 niveaux verticaux depuis la surface jusqu’à la mesosphère (0,1hPa). Les champs de surface sont représentés sur une grille gaussienne réduite N80 définie par une grille symétrique autour de l’équateur avec une séparation nord-sud quasi uniforme en latitude, de résolution 1,121°. Il y a 80 points alignés le long du méridien de Greenwich, de l’équateur au pôle. Le nombre de point d’ouest en est varie avec la latitude selon une grille uniformément espacée le long d’une latitude. L’espacement est de 1,125° (125km) aux tropiques (Fig. 2-12).
Le schéma d’assimilation des données est basé sur un modèle 3D-var. Les observations nécessaires proviennent de sources multiples (radiosondages, observations au sol, radar) et de données satellites. Ce sont principalement les progrès réalisés dans les observations, à la fois en précision de mesure que dans la résolution spatiale de ces mesures qui permettent aux réanalyses d’être réputées meilleures dans les années récentes. L’assimilation des observations se fait toutes les 6h.
Figure 2-12 : Résolution horizontale de la grille gaussienne réduite N80 des ERA40 pour l’hémisphère nord.
Les variables directement analysées sont la température, les composantes horizontales du vent, l’humidité spécifique et l’ozone au pas de temps de 6h : 00, 06, 12 et 18h TU. Au total 154 variables de sorties sont disponibles (Källberg et al., 2004). Il s’agit des données d’observations, issues de l’analyse et du modèle d’assimilation, du modèle atmosphérique soit à des niveaux de pression standard, soit sur des surfaces isentropiques ou des surfaces +/- 2pvu (valeur du tourbillon potentiel). Les prévisions du modèle couplé avec l’océan sont également disponibles à une résolution de 1,5°x1,5°. Les moyennes, les variances et les covariances mensuelles sont également fournies. Enfin, Uppala et al. (2005) et Ben Daoud et al. (2009) font ressortir certaines anomalies associées aux réanalyses notamment des valeurs incohérentes d’humidité relative.