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météorologie

(grec meteôrologia)

Cumulus
Cumulus

Science qui étudie les phénomènes affectant la partie la plus basse de l'atmosphère terrestre (ou troposphère).

1. Définition et enjeux

Étymologiquement, la météorologie est l'étude des « météores », c'est-à-dire de tous les phénomènes physiques se produisant au-dessus de la surface du sol. Au xxe s., la météorologie désigne l'étude des phénomènes atmosphériques, et l'on parle couramment de « sciences de l'atmosphère ».

L'atmosphère constitue un volume immense que l'on serait bien en peine de connaître dans sa totalité à une échelle fine. Son état est éminemment changeant dans le cours de son évolution temporelle et cette connaissance de l'atmosphère, à chaque instant donné, requiert la mise en place de réseaux d'observation aux multiples facettes. Cette tâche d'« observation du temps », qui est dévolue aux différents services météorologiques nationaux, a été complètement transformée par les innovations technologiques de la fin du xxe s. dans les domaines des télécommunications, de l'automatisation de l'observation des grandeurs physiques, de l'informatisation et de l'observation de la Terre à partir des satellites dits « météorologiques ».

2. Historique

2.1. Naissance d’une discipline scientifique

Pendant vingt siècles, la référence en météorologie a été un traité écrit par Aristote, vers 350 avant J.-C., les Météorologiques.

C'est à travers la conception d'instruments de mesure des variables physiques caractérisant l'état thermodynamique de l'air que la connaissance de l'atmosphère se développe : le premier thermomètre est inventé en 1641, le premier baromètre en 1642, le premier anémomètre en 1664, le premier pluviomètre en 1677 et le premier hygromètre en 1780. En France, c'est à la Société royale de médecine qu'il revient de créer, en 1778, le premier réseau d'observation météorologique. En 1852 est fondée la Société météorologique de France, à l'initiative de J. Haeghens, A. Berigny et Ch. Martins.

À partir du milieu du xixe s., la météorologie devient une véritable science physique. L'événement majeur, qui suscite la création d'un réseau météorologique international, est la tempête du 14 novembre 1854, qui envoie par le fond, en mer Noire, une quarantaine de navires français participant au blocus du port de Sébastopol, pendant la guerre de Crimée : début 1855, l'astronome Urbain Le Verrier rend un rapport à Napoléon III établissant clairement que la collecte des observations météorologiques des jours précédant la tempête aurait permis de prévenir les marins du danger qu'ils encouraient et d'éviter cette catastrophe.

2.2. Création d’un réseau météorologique international

À partir de 1860, le télégraphe est utilisé pour la concentration rapide des informations provenant de vingt-quatre stations françaises ; dès 1864, cinquante stations en Europe sont reliées au réseau télégraphique. Le premier congrès météorologique international se réunit à Vienne, en septembre 1873 ; il permet d'harmoniser les observations dans le monde. En France, le Bureau central météorologique (B.C.M.) est créé en 1878, auquel succède, en août 1921, l'Office national météorologique (O.N.M.), puis la Météorologie nationale, ou Météo France, en 1945.

Entre-temps, l'essor de l'aviation, vers 1910, infléchit considérablement les activités des services météorologiques, de plus en plus sollicités pour fournir une assistance aux pilotes. Le concept des fronts, chaud et froid, est inventé en 1917 par le Norvégien Vilhelm Bjerknes. Cependant, il est encore nécessaire d'améliorer les connaissances sur les couches supérieures de l'atmosphère. Aussi, à partir de 1929, des radiosondages sont régulièrement lancés à partir de Trappes (Yvelines), donnant la pression et la température à différents niveaux d'altitude. Le grand public n'est pas oublié : des bulletins météorologiques sont diffusés par l'émetteur radio de la tour Eiffel à partir de 1922. La même année, le Britannique Richardson réalise la première prévision numérique ; le résultat des calculs manuels qu'il effectue est erroné mais le principe du calcul est posé. Le premier satellite météorologique (Tiros 1) est placé en orbite par les États-Unis en 1960. En France, la première prévision opérationnelle est effectuée en 1968.

3. Phénomènes météorologiques

3.1. L'atmosphère terrestre

L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse qui entoure la Terre.

C'est dans la troposphère, la couche la plus basse de l'atmosphère, que se produisent les phénomènes météorologiques. Cette région, où la température décroît avec l'altitude, est limitée par la tropopause (zone où la température ne décroît presque plus), qui se situe vers 10 km d'altitude aux pôles et vers 16 km à l'équateur.

L'air atmosphérique

L'air atmosphérique est un mélange d'air sec, de vapeur d'eau et d'impuretés. L'air sec, mélange de gaz parfaits, se comporte comme un gaz parfait et sa composition ne varie quasiment pas jusqu'à 80 km d'altitude.

Principaux constituants de l'air sec

PRINCIPAUX CONSTITUANTS DE L'AIR SEC

Nom du gaz

Volume  (en %)

azote (N2)

78,09

oxygène (O2)

20,95

argon (A)

0,93

anhydride carbonique (CO2)

0,03

néon (Ne)

1,8. 10-3

hélium (He)

5,24. 10-4

krypton (Kr)

1. 10-4

hydrogène (H2)

5. 10-5

xénon (Xe)

8. 10-6

ozone (O3)

4. 10-7

radon (Rn)

6. 10-18

 

L'eau peut se trouver sous trois phases différentes dans l'atmosphère : la vapeur d'eau, l'eau liquide ou la glace. La vapeur d'eau est un gaz parfait invisible, sans odeur, sans saveur et incolore.

L'eau joue un rôle très important dans l'atmosphère : elle assure le stockage et le transfert d'énergie à travers l'atmosphère. Lorsque la vapeur d'eau se transforme en eau liquide ou en glace, il y a un dégagement de chaleur. Lors de l'évaporation de l'eau (transformation de l'eau liquide en vapeur d'eau) ou de sa fusion (transformation de la glace en eau liquide ou en vapeur d'eau), il y a absorption de chaleur.

En général, quand la température devient négative, l'eau liquide se transforme en glace. Toutefois, on peut observer des cas où l'eau reste liquide alors que la température est négative (jusqu'à −40 °C) : c'est l'état de surfusion. Cet état est instable : lorsqu'un objet est touché par de l'eau surfondue, l'eau se transforme alors instantanément en glace.

Les impuretés (grains de sable et de poussière, pollens, microdébris végétaux, particules de sel issues des embruns marins, etc.) jouent un rôle très important dans la formation des nuages : ce sont des noyaux de condensation. Les gouttes d'eau et les cristaux de glace des nuages se forment autours des impuretés. Sans elles, les nuages auraient peu de chance de se former.

Les principaux paramètres

L'air est un fluide en perpétuel mouvement. Il subit en permanence des évolutions mécaniques et thermiques. Les météorologistes considèrent que l'atmosphère est constituée d'un nombre infini de volumes élémentaires, appelés particules d'air, qui se caractérisent par un déplacement (le vent), une masse volumique, une température, une pression et une humidité.

Le vent, qui caractérise le mouvement de l'air, est mesuré par la girouette qui indique la direction d'où il vient et par l'anémomètre qui donne sa vitesse (ou force).

La pression correspond au poids de la colonne d'air qui se trouve au-dessus d'un point donné. On la mesure à l'aide d'un baromètre. Elle diminue avec l'altitude et l'on peut ainsi associer à chaque niveau de pression une altitude moyenne.

Principaux niveaux de pression dans l'atmosphère

PRINCIPAUX NIVEAUX DE PRESSION DANS L'ATMOSPHÈRE

avec les altitudes moyennes correspondantes.
Le niveau de pression 500 hpa marque le milieu de l'atmosphère

Altitude

Pression

niveau de la mer

1013,25 hPa

1 500 m

850 hPa

3 000 m

700 hPa

5 500 m

500 hPa

7 200 m

400 hPa

9 100 m

300 hPa

11 800 m

200 hPa

16 000 m

100 hPa

Au niveau de la mer, la pression « normale » est 1 013,25 hPa. Pour les besoins de la prévision météorologique, les pressions ramenées au niveau de la mer sont tracées sur des cartes isobariques : les zones de hautes pressions (supérieures à 1 015 hPa) sont appelées anticyclones et les zones de basses pressions (inférieures à 1 015 hPa) dépressions.

Il existe une relation importante entre le vent et la pression (loi de Buys-Ballot) : dans l'hémisphère Nord, le vent souffle parallèlement aux isobares (lignes d'égale pression) et laisse les basses pressions sur sa gauche ; c'est l'inverse dans l'hémisphère Sud. Il existe une seconde loi reliant le vent à la pression : plus les isobares sont proches les unes des autres, plus le vent est fort.

La température est relevée à l'aide d'un thermomètre situé dans un abri météorologique pour ne pas subir l'influence directe du vent et du soleil. Elle fluctue en cours de journée en fonction de l'ensoleillement : les températures minimale et maximale de la journée s'observent en général juste après le lever du jour et une heure après la culmination du Soleil.

L'humidité, mesurée à l'aide d'un hygromètre, caractérise la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air atmosphérique. L'air est à saturation lorsqu'il contient son maximum de vapeur d'eau : si on ajoute de la vapeur d'eau, elle se transforme alors en eau liquide ou en glace. La quantité de vapeur d'eau que contient un air saturé est fonction de la température : plus l'air est chaud, plus il peut contenir de vapeur d'eau.

La circulation atmosphérique générale

Bien que l'atmosphère soit en évolution perpétuelle, il est possible d'y observer de grands mouvements.

En éclairant notre planète, le Soleil alimente l'atmosphère en énergie. Comme l'axe des pôles terrestres n'est pas perpendiculaire au plan de révolution de la Terre autour du Soleil, les régions polaires reçoivent moins d'énergie que les régions équatoriales. Ce déséquilibre énergétique engendre de grands mouvements au sein de l'atmosphère afin de la rééquilibrer et crée indirectement sur la Terre des régions anticycloniques et des régions dépressionnaires.

Dans les régions dépressionnaires (entre les latitudes 40° à 65°), les perturbations atmosphériques naissent lors de la mise en phase de tourbillons dans les basses couches et dans la partie supérieure de la troposphère. Une perturbation est constituée d'une dépression avec des fronts chaud et froid qui délimitent des masses d'air chaude et froide. Des nuages et des précipitations sont associés aux fronts.

3.2. Les météores

Selon l'Organisation météorologique mondiale (O.M.M.), un météore est un phénomène observé dans l'atmosphère ou à la surface du sol. Les météores sont classés en quatre catégories : les hydrométéores (dont les nuages), les lithométéores, les photométéores et les électrométéores.

Les hydrométéores

Les nuages

Les nuages évoluent en permanence. Toutefois, il existe un nombre limité de nuages pour toute la planète. Dans la troposphère, on peut observer seulement 10 genres de nuages, répartis en trois étages dont l'altitude varie selon la latitude.

Altitudes extrêmes des trois étages de la couverture nuageuse

ALTITUDES EXTRÊMES DES TROIS ÉTAGES DE LA COUVERTURE NUAGEUSE.

Étages

Régions polaires

Régions tempérées

Régions tropicales

supérieur

de 3 à 8 km

de 5 à 13 km

de 6 à 18 km

moyen

de 2 à 4 km

de 2 à 7 km

de 2 à 8 km

inférieur

du sol à 2 km

du sol à 2 km

du sol à 2 km

Les hydrométéores autres que les nuages

Les hydrométéores autres que les nuages sont constitués par des particules d'eau (liquide ou solide). Celles-ci peuvent rester en suspension dans l'air, tomber ou se déposer au sol ou sur des objets. Ce sont essentiellement la bruine, la pluie, la neige, la brume (visibilité horizontale inférieure à 5 km), le brouillard (visibilité horizontale inférieure à 1 km), la rosée (dépôt liquide au sol), le givre (dépôt de glace).

Les lithométéores

Les lithométéores sont constitués de particules solides (sable, poussières, cendres, etc.) qui sont en suspension dans l'air ou soulevées par le vent. En général, ils réduisent plus ou moins la visibilité. Les principaux lithométéores sont la fumée, la brume sèche, les tourbillons de poussière, la chasse-poussière ou la chasse-sable (poussière ou sable soulevés par le vent).

Les photométéores

On désigne sous le nom de photométéores des phénomènes optiques (non liés aux décharges électriques) engendrés par la réflexion, la diffraction, la réfraction ou l'interférence avec de la lumière solaire ou lunaire.

Ce sont principalement : l'arc-en-ciel (ensemble d'arcs concentriques violet, bleu, vert, jaune, orangé et rouge), le halo (ensemble d'anneaux lumineux autour du Soleil ou de la Lune), la gloire (ensemble d'anneaux colorés vus sur un nuage, autour de l'ombre de l'observateur), le rayon vert (brièvement observable sur le dessus du Soleil quand celui-ci disparaît à l'horizon).

Les électrométéores

Les éléctrométéores sont des manifestations visibles ou audibles de l'électricité atmosphérique. L'électrométéore le plus fréquent est l'orage, composé d'une ou plusieurs décharges d'électricité atmosphérique se manifestant par une lueur brève et intense (éclair) et par un bruit sec ou un roulement (le tonnerre). Les orages sont associés aux cumulonimbus.

Parmi les autres électrométéores figure le feu de Saint-Elme (petites flammes bleu-violet apparaissant à la pointe des mâts des navires ou des piolets des alpinistes).

4. L'observation météorologique

4.1. Typologie des observations météorologiques

On distingue quatre composantes dans l'observation météorologique :
– les mesures physiques effectuées au-dessus du sol (température de l'air, humidité) ;
– les observations visuelles codifiées, également effectuées à partir du sol (concernant essentiellement les nuages et les hydrométéores) ;
– les mesures en altitude (pression, température, humidité et vent), réalisées à partir des ballons-sondes ;
– les observations faites par télédétection (par satellite et par radar).

Les observations météorologiques quantitatives

Chaque station météorologique, installée en général à proximité d'un aérodrome, réalise, selon un horaire fixé internationalement – le temps universel coordonné (UTC), ou temps du méridien de Greenwich –, et toutes les trois heures (de 0 heure à 21 heures UTC), un ensemble d'observations quantitatives décrivant l'état thermique et dynamique de l'atmosphère immédiatement au-dessus du sol :
– pression atmosphérique (mesurée à l'intérieur de la station) ;
– vitesse et direction du vent (à 10 m au-dessus du sol) ;
– température de l'air et pression partielle de vapeur d'eau (ces deux dernières variables sont mesurées à 2 m au-dessus du sol, à l'intérieur de l'abri météorologique).

Les observations météorologiques visuelles

Ces observations quantitatives, réalisées en un endroit dégagé de tout obstacle (bâtiment, rideau d'arbres), sont complétées par des observations visuelles qui sont ensuite codées :
– la nébulosité (couverture nuageuse) ;
– les types de nuages à trois niveaux d'altitude différents (nuages bas, nuages moyens, nuages élevés), en se conformant à un atlas international des nuages (édité par l'Organisation météorologique mondiale [OMM]) pour la classification ;
– et ce qu'il est convenu d'appeler le temps sensible (présence éventuelle de brouillard, de rosée, de gel au sol, chute de neige, de grêle ou de grésil…).

D'autres observations, davantage destinées au suivi du climat, sont réalisées une ou deux fois par jour :
– nombre d'heures d'ensoleillement, ou durée d'insolation ;
– pluviométrie.

L'équipement en instruments de toutes ces stations météorologiques est standardisé au niveau national.

Les observations météorologiques en altitude

Un nombre beaucoup plus restreint de stations réalisent des observations en altitude par radiosondages. Une sonde standard automatisée mesurant la température, la pression et l'humidité relative, équipée d'un émetteur radio, est accrochée à un ballon ascensionnel gonflé à l'hydrogène ou à l'hélium et muni d'un réflecteur d'ondes radar. Le déplacement de la sonde est repéré tout au long de son ascension, ce qui permet d'en déduire la vitesse et la direction du vent aux altitudes successives du ballon. Les mesures s'interrompent lorsque le ballon éclate, en général à une altitude supérieure à 25 km, et un petit parachute se déploie alors pour ralentir la sonde dans sa chute. Ces observations par radiosondage sont effectuées en principe deux fois par jour (à 0 heure et à 12 heures UTC).

4.2. Les réseaux d'observations météorologiques

Le réseau d'observations synoptiques

La finalité principale de ce réseau est de décrire le plus précisément possible l'état de l'atmosphère, en un instant donné, à la fois en surface (observations réalisées immédiatement au-dessus du sol) et en altitude (radiosondages), d'où la dénomination d'observations synoptiques. En effet, il s'agit non seulement de décrire le temps à cet instant, mais également d'« initialiser » les modèles de prévision numérique qui visent à simuler, à partir d'un état initial connu, l'évolution dynamique de l'atmosphère. Aussi toutes les stations d'observations synoptiques sont-elles tenues de respecter un horaire commun pour les mesures de surface effectuées toutes les trois heures. Ce réseau doit également, pour remplir correctement les missions qui lui sont dévolues, couvrir l'ensemble de la surface terrestre.

Le réseau synoptique international de surface comprend environ 14 000 stations, soit 9 000 stations terrestres et 5 000 autres embarquées sur des navires de commerce sélectionnés. Le réseau synoptique français, couvrant la métropole et les DOM-TOM, comprend 240 stations terrestres et 40 navires. S'y ajoutent un certain nombre de bouées automatiques disséminées sur les zones océaniques, dont les observations sont transmises par voie satellitaire.

Toutes les informations collectées sont ensuite codées pour être immédiatement diffusées et échangées internationalement par l'intermédiaire du système mondial de télécommunications. Certaines zones du globe sont malheureusement mal couvertes, notamment les zones désertiques et océaniques.

Les réseaux de radars météorologiques

Dans les années 1990, Météo France a entrepris d'assurer une couverture radar de l'Hexagone pour les besoins de l'observation du temps. Ces radars météorologiques (qui appartiennent au réseau Aramis) émettent des ondes (de 5 ou 10 cm de longueur d'onde) que les gouttelettes d'eau ont la propriété de réfléchir.

Cette observation radar, utilisée essentiellement pour la prévision à très courte échéance (de 0 à 3 h), permet de repérer les zones pluvieuses et, en distinguant différents niveaux de réflectivité radar, d'identifier les zones où de fortes précipitations sont associées à des phénomènes météorologiques dangereux tels que les orages ou les chutes de grêle.

Chaque radar balaie une zone circulaire de 150 km de rayon autour de son site d'implantation, et les images radar locales numérisées forment une mosaïque couvrant l'ensemble du territoire métropolitain, à l'exception de quelques zones d'ombre, c'est-à-dire non encore couvertes.

Cette image radar composite, renouvelée tous les quarts d'heure, est diffusée en temps réel à tous les centres départementaux de météorologie et à un certain nombre d'utilisateurs extérieurs abonnés à Météotel, service d'information météorologique fonctionnant par relais satellitaire, qu'il est possible de recevoir grâce à une antenne de réception reliée à un ordinateur personnel.

Les satellites météorologiques

Moins de trois ans après le lancement du premier satellite artificiel de la Terre, en octobre 1957, par l'Union soviétique, la NASA (agence spatiale américaine) met en orbite le premier satellite météorologique expérimental, Tiros 1, et jette les bases, l'année suivante, d'un programme opérationnel d'observations météorologiques satellitaires qui fonctionne depuis 1966. Deux types de satellites sont aujourd'hui utilisés par la météorologie : les satellites météorologiques à défilement à orbite basse et les satellites géostationnaires.

Les satellites météorologiques à défilement à orbite basse (environ 800 km d'altitude) quasi polaire

Les satellites météorologiques à défilement à orbite basse font le tour de la Terre en 110 min, et à chaque passage le radiomètre embarqué et pointé vers la Terre scrute un ruban de surface terrestre de plus de 2 000 km de largeur. Le plan de leur orbite ne passe pas tout à fait par l'axe des pôles. De plus, l'inclinaison exacte de l'orbite, qui est fonction de l'altitude de vol, est choisie de telle façon que le mouvement de précession du plan de l'orbite autour de l'axe des pôles (lié au fait que le champ de gravité n'a pas de symétrie sphérique étant donné l'aplatissement du géoïde au niveau des pôles) compense exactement le décalage d'angle de visée du Soleil (de l'ordre de 1° par jour), dépendant de la rotation de la Terre autour du Soleil. La propriété de cette trajectoire est d'être héliosynchrone, c'est-à-dire qu'elle franchit toujours un cercle de latitude donnée à la même heure solaire locale, ce qui permet au satellite d'observer la Terre et son atmosphère jour après jour dans les mêmes conditions d'éclairement.

Les premiers satellites, lancés tant par les États-Unis (série Tiros) que par l'Union soviétique (série Meteor), dans les années 1960, étaient des satellites à défilement.

Les satellites géostationnaires

Placés à une altitude (36 000 km) telle que la force d'inertie d'entraînement équilibre exactement la force de gravité, les satellites géostationnaires sont, contrairement aux précédents, fixes par rapport à un repère tournant avec la Terre. Ils doivent, pour ce faire, obligatoirement être placés au-dessus de l'équateur. Le satellite reste donc en permanence à la verticale d'un même point de la surface du globe (de latitude 0°) et observe toujours la même portion de la surface terrestre, sans couvrir toutefois les régions polaires de haute latitude. Afin d'obtenir une couverture globale de l'atmosphère, un ensemble de cinq satellites géostationnaires espacés en longitude a été conçu, deux étant confiés aux États-Unis, un à l'Europe, un à l'Inde et un au Japon, et ce dans le cadre du GARP (Global Atmospheric Research Programme), qui s'est déroulé au cours des années 1970.

L'Europe, avec l'Agence spatiale européenne (ESA), a lancé son premier satellite météorologique stationnaire, Meteosat, en 1977, au-dessus du golfe de Guinée, au point de longitude 0° (c'est-à-dire sur le méridien de Greenwich). Ce satellite permet d'observer l'atmosphère au-dessus de l'Europe, de l'Afrique, du Moyen-Orient et d'une partie de l'Amérique du Sud. Ses images sont disponibles toutes les demi-heures.

Les observations satellitaires

Ces deux types de satellites permettent d'observer la couverture nuageuse. Ainsi, Meteosat analyse, selon trois bandes spectrales de longueurs d'onde différentes (canal visible, canal « vapeur d'eau » et canal infrarouge thermique), les nuages et l'atmosphère. Le dernier canal permet d'accéder à la température apparente de rayonnement, et donc de détecter les nuages élevés, ou « nuages froids ». La forte répétitivité temporelle de l'imagerie Meteosat (une image dans chaque canal toutes les demi-heures) permet de réaliser des animations et de suivre le déplacement des systèmes nuageux associés aux zones de mauvais temps, voire de détecter la formation d'un cyclone tropical.

Les satellites météorologiques permettent également de « sonder » verticalement l'atmosphère par la combinaison des signaux radiométriques dans des bandes spectrales différentes (distribution verticale de la température et de l'humidité), et de mesurer, moyennant certaines corrections, la température de surface des océans et des continents, et également, à l'aide de certains instruments embarqués, la quantité d'ozone présente dans l'atmosphère, ou l'extension de la banquise polaire.

Les réseaux climatologiques

En complément du réseau synoptique, les services météorologiques nationaux ont implanté, pour une utilisation en climatologie, des stations d'observation, tenues par du personnel bénévole, qui mesurent, en général, une ou deux variables météorologiques (pluviométrie et thermométrie). En France, le réseau pluviométrique comprend environ 3 500 postes effectuant un relevé une fois par jour, soit un point de mesure de la pluie tous les 15 km environ. La densité de ce réseau, auquel s'ajoutent 2 000 postes thermométriques, est sans égale et permet de réaliser des cartographies fines de la pluviométrie et de la thermométrie de la France.

Depuis le millieu des années 1980, des réseaux de stations de mesures automatisées ont été installés dans certaines régions françaises ; en 1990, plus de 400 stations automatiques pouvaient être interrogées en temps légèrement différé. Ces stations peuvent mesurer de 5 à 10 variables quantitatives différentes.

5. La prévision météorologique

Une prévision météorologique consiste à déterminer, à partir des données sur un état initial connu, l'évolution de l'état de l'atmosphère au bout d'un intervalle de temps déterminé (ce que l'on appelle l'« échéance de la prévision »), et ce – en théorie – en tout point de l'atmosphère.

La réalisation d'une prévision du temps est donc complexe : elle comprend plusieurs étapes successives et nécessite l'utilisation d'un certain nombre d'outils. On peut distinguer deux phases dans le processus de réalisation de la prévision :
– la première, entièrement automatisée, est appelée prévision numérique ; elle a pour support physique le supercalculateur ;
– la seconde nécessite l'intervention de l'homme, et son rôle est de transcrire en « temps sensible » les résultats de la prévision numérique et de présenter cette prévision sous une forme intelligible pour ceux qui vont l'utiliser.

5.1. La prévision numérique du temps

Les outils nécessaires à la mise en œuvre de la phase de prévision numérique sont les suivants :
– le Système mondial de télécommunications (S.M.T.), censé concentrer les observations météorologiques provenant du monde entier ;
– une méthode d'analyse numérique de ces données, pouvant fournir la meilleure évaluation possible de l'état initial de l'atmosphère, représentée par des « champs » de variables dont les valeurs sont connues en un certain nombre de points d'une grille tridimensionnelle ;
– un modèle numérique, qui doit « tourner » sur un supercalculateur suffisamment puissant pour fournir le résultat de la prévision numérique dans le temps imparti.

Le système mondial de télécommunications (S.M.T.)

La possibilité de réaliser une observation synoptique de l'atmosphère est la condition nécessaire à une bonne prévision du temps. Mais il ne suffit pas que l'ensemble des stations du réseau réalisent des observations simultanées toutes les trois heures. Encore faut-il que ces observations puissent être diffusées très rapidement sur toute la planète aux différents services météorologiques nationaux. C'est pourquoi un système mondial de télécommunications a été mis en place dans le cadre d'accords internationaux. Les services météorologiques des États membres de l'O.M.M. échangent ainsi leurs informations à travers le système mondial de télécommunications météorologiques.

Trois fonctions sont assignées au réseau de télécommunications, aux niveaux national ou international :
– concentrer en temps réel l'énorme quantité de données brutes d'observation et de mesure en provenance du territoire français et des pays étrangers ;
– traiter très rapidement cette masse d'informations ;
– diffuser les résultats des modèles de prévision.

Toutes les informations sont codées sous forme numérique suivant un système unique établi internationalement (codage par groupes de cinq chiffres). La diffusion de ces données codées sur le S.M.T. doit respecter des procédures très strictes.

L'artère principale de ce réseau mondial de télécommunications est une boucle autour de la Terre reliant des centres « régionaux » : Toulouse (France), Bracknell (Royaume-Uni), Offenbach (Allemagne), Washington (États-Unis), Tokyo (Japon), New Delhi (Inde), Moscou (Russie) et Prague (République tchèque). Chaque centre collecte les données provenant des pays situés dans sa zone de compétence et les insère dans le flux d'informations circulant sur la boucle principale. En sens inverse, ces centres régionaux relaient vers les pays qui leur sont rattachés les données circulant dans la boucle principale. Ainsi, Toulouse exerce la responsabilité de centre régional de télécommunications vis-à-vis de Lisbonne (Portugal), Madrid (Espagne), Dakar (Sénégal), Casablanca (Maroc), Alger (Algérie), Tunis (Tunisie), Rome (Italie) et Bruxelles (Belgique).

L'analyse des données

On part d'une situation où les observations en surface et en altitude sont réparties spatialement de façon irrégulière et ne coïncident pas, bien entendu, avec les points de grille du modèle. Il faut donc réaliser une interpolation spatiale des données de façon à estimer les valeurs, aux points de grille, des champs de variables météorologiques à un instant donné.

Ce processus d'analyse comprend également une phase de vérification de la qualité de l'information et de détection des données qui peuvent être erronées. On relève trois principales sources d'erreur : les défaillances de l'observation humaine et des instruments de mesure, un mauvais codage de l'information, et une localisation géographique des données inexacte. De plus, la qualité de l'information dépend de la précision de la mesure.

La mise en œuvre du modèle d'analyse des données est compliquée par le fait que certaines observations sont réalisées à des heures non synoptiques. C'est le cas notamment des données issues de l'observation satellitaire (profils verticaux, radiances). L'interpolation est faite en combinant deux types d'informations : d'une part les données véritablement observées à l'heure synoptique considérée, d'autre part les données issues d'une prévision à courte échéance réalisée antérieurement par le modèle numérique, ce que l'on appelle l'« ébauche ».

Cette analyse des données, réalisée automatiquement par la mise en œuvre d'un programme informatique spécifique, aboutit à spécifier les valeurs des champs de données d'entrée selon une grille tridimensionnelle. Ces champs subissent ensuite certaines transformations de façon qu'ils constituent un état initial compatible avec les contraintes de mise en œuvre des équations de la météorologie dynamique, et afin d'éviter, notamment, l'apparition d'instabilités numériques dans le modèle.

Les modèles numériques

Un modèle numérique de prévision du temps réalise une simulation mathématique de l'évolution de l'atmosphère, considérée comme un mélange d'air sec et de vapeur d'eau, à partir de son état initial à un instant donné. Il est fondé :
– d'une part, sur la résolution discrétisée d'un système d'équations aux dérivées partielles pour ce qui concerne les processus dynamiques (équations d'équilibre hydrostatique, de conservation de la quantité de mouvement, de continuité pour la conservation de la masse, de thermodynamique pour la conservation de l'énergie, de conservation de la vapeur d'eau, et équation d'état des gaz parfaits) ;
– d'autre part, sur la représentation mathématique des processus physiques « diabatiques », hautement interactifs, tels que les transferts radiatifs, les changements de phase de l'eau et les échanges énergétiques et hydriques entre la surface du sol et l'atmosphère, processus qui se caractérisent tous par des termes de génération ou de dissipation d'énergie.

Un modèle numérique se définit également par :
– son domaine spatial (les modèles sont aujourd'hui globaux, c'est-à-dire qu'ils prennent en compte l'ensemble de la surface terrestre ; ils étaient auparavant hémisphériques) ;
– son temps d'intégration, en général de l'ordre de 10 à 20 min ;
– sa grille horizontale, définie par un intervalle en latitude et un intervalle en longitude ;
– et ses niveaux verticaux (l'atmosphère étant divisée en couches d'inégale épaisseur, entre dix et vingt couches en général).

Le modèle numérique calcule le nouvel état de l'atmosphère (température, humidité, vent et pression) à diverses échéances, espacées de 6, 12 ou 24 h (notamment aux échéances de 24 h, 48 h, 72 h et 96 h). La réalisation de l'ensemble de ces opérations prend environ 6 h. Un second modèle, à domaine limité (Europe) mais à maille fine (35 km), réalise une prévision détaillée sur la France à 36 h d'échéance. L'adaptation locale (ville par ville) des prévisions de température est réalisée, en aval du modèle numérique de prévision proprement dit, à l'aide de méthodes d'adaptation statistique validées sur des séries antérieures d'observations.

5.2. La prévision du « temps sensible » : l'expertise humaine

La réalisation d'une prévision intelligible pour les utilisateurs, et notamment le grand public, ne peut être entièrement réalisée automatiquement. En outre, le temps sensible, c'est-à-dire le temps tel qu'il est perçu par tout un chacun, n'est pas directement prévu par le modèle numérique.

Le météorologiste prévisionniste

Le météorologiste prévisionniste doit positionner sur les cartes isobariques (les cartes sur lesquelles sont tracées les lignes d'égale pression) les fronts chauds et froids, et repérer ainsi les zones de contact entre masses d'air de caractéristiques différentes, celles où l'activité pluvieuse est souvent à son maximum.

Les cartes prévues par le modèle numérique ne constituent qu'une partie de la masse des informations (environ 200 par jour à consulter) à la disposition du prévisionniste, en particulier pour la réalisation de la prévision à très courte échéance (0 à 24 h) ; pour ce type de prévision, l'imagerie satellitaire (Meteosat essentiellement) et l'imagerie radar (mosaïque radar composite sur la France) permettent de positionner spatialement avec précision, à un instant donné, respectivement les zones de forte nébulosité et les zones d'activité pluvieuse, et de suivre leur déplacement de demi-heure en demi-heure.

Le prévisionniste dispose également des observations des stations du réseau synoptique les plus récentes (selon le dernier réseau trihoraire, donc vieilles de moins de trois heures) pointées automatiquement sur un fond de carte. La prévision locale, réalisée par les centres départementaux de la Météorologie, peut ainsi être affinée ; elle alimente les répondeurs météorologiques automatiques, sur lesquels sont enregistrés des messages pour le grand public, d'une durée utile limitée à 2 min 30 s et sont renouvelés trois fois par jour.

Ainsi, le prévisionniste doit faire très rapidement la synthèse d'une masse énorme d'informations, quitte dans certains cas à infléchir, et éventuellement à corriger, selon son expérience, les prévisions des modèles numériques.

La prévision immédiate

Un autre domaine est actuellement en plein développement : celui de la prévision immédiate (de 0 à 6 h d'échéance), où il n'est pas possible, pour l'instant, de mettre en œuvre les modèles numériques. Il s'agit là d'exploiter au mieux les imageries satellitaires et radar, de les manipuler sur console de visualisation, de croiser ces différentes informations avec d'autres, d'origine exogène (par exemple, la localisation des décharges atmosphériques, la foudre), et de suivre le déplacement des systèmes précipitants. Tous les phénomènes de courte durée (rafales, averses, orages, chutes de neige, brouillards matinaux…) entrent dans le domaine de la prévision immédiate.

La prévision des phénomènes dangereux (tempêtes en France métropolitaine, cyclones tropicaux dans les DOM-TOM, par exemple) constitue la responsabilité essentielle des prévisionnistes. Il s'agit alors de protection des personnes et des biens par une alerte la plus précoce possible qu'il faut transmettre aux autorités préfectorales avec des moyens rapides de diffusion.

La synergie entre modèles numériques et expertise humaine a ainsi joué à plein lors de la prévision, réussie, de la tempête des 15 et 16 octobre 1987, qui a dévasté une partie de la Bretagne et le sud de l'Angleterre.

5.3. Les notions d'échelles d'espace et de temps

Tout phénomène atmosphérique peut être repéré dans l'espace et dans le temps : front, orage, chute de grêle ou tornade ont chacun une certaine extension spatiale et des dimensions caractéristiques qui peuvent varier au cours du temps et de leur évolution propre. Ces phénomènes sont également le plus souvent mobiles, et vont donc intéresser l'espace rencontré au cours et le long de leur trajectoire; ils se caractérisent aussi par une certaine durée de vie.

La durée d'un phénomène météorologique

Ainsi, une perturbation météorologique d'ouest (direction d'où vient le vent), phénomène classique intéressant l'Europe occidentale, connaît au cours de sa « vie » une certaine séquence chronologique : elle se développe selon des phases successives au cours desquelles son activité, manifestée par différents phénomènes physiques (formation de nuages, renforcement du vent, précipitations, etc.), varie également en intensité.

À tout phénomène atmosphérique est associée une certaine organisation spatio-temporelle. Par exemple, un tourbillon de poussière observé en été au-dessus d'un chemin desséché aura une extension spatiale de l'ordre du mètre et une durée de vie de l'ordre d'une dizaine de secondes ; une tornade peut avoir un diamètre allant d'une dizaine à une centaine de mètres, et une durée de vie de cinq à trente minutes ; un orage, associé à un nuage de type cumulonimbus, pourra concerner un territoire inscrit dans un cercle dont le diamètre est de quelques kilomètres, et sa durée de vie est typiquement de l'ordre de l'heure.

Taille minimale du phénomène météorologique pouvant être numérisé

Une des premières constatations sur de tels phénomènes est – sans parler de leur prévisibilité – qu'ils pourront échapper totalement aux réseaux d'observation dont les mailles sont les plus serrées (la maille du réseau pluviométrique le plus dense est de 15 km). Au-dessous d'une taille minimale, il est donc exclu que le modèle numérique puisse reproduire des phénomènes tels qu'un orage, a fortiori une tornade, sans parler du tourbillon de poussière. Cette taille minimale va être déterminée par la maille de la grille horizontale utilisée tant par la méthode d'analyse numérique des données initiales que par le modèle numérique de prévision du temps.

Les modèles les plus fins utilisés actuellement de façon opérationnelle en France ont une maille de 35 km. Si l'on prend comme hypothèse qu'un phénomène doit concerner un minimum de 9 points de grille pour pouvoir être représenté par le modèle, on voit que le modèle numérique ne pourra pas représenter explicitement les phénomènes atmosphériques de taille inférieure à la centaine de kilomètres.

6. Institutions nationales et internationales de météorologie

6.1. Météo France

Météo France, établissement public, placé sous la tutelle du ministre chargé des Transports, représente la France au sein de l'O.M.M. Ses principales missions sont la surveillance de l'atmosphère et la prévision du temps, afin notamment de contribuer à la sécurité des personnes et des biens face aux aléas atmosphériques. Il met en œuvre un système d'observations météorologiques, de traitement des données, d'archivage climatologique et de diffusion de l'information météorologique. Il doit notamment satisfaire les besoins en assistance météorologique nécessaires à la sécurité aéronautique.

L'accomplissement de ces missions s'appuie sur une organisation territoriale, tant en métropole que dans les départements, territoires et collectivités d'outre-mer. Six services techniques centraux, sept services extérieurs territoriaux de métropole et six services météorologiques d'outre-mer sont placés sous l'autorité de la direction de Météo France. De plus, celle-ci peut demander des avis ou des recommandations, en matière de prospective ou d'appréciation des besoins à satisfaire, auprès de deux organismes directement rattachés au ministère de tutelle : le Conseil supérieur de la météorologie (CSM) et l'Inspection générale de l'aviation civile et de la météorologie (IGACEM).

Les six services techniques centraux (STC) sont le Service central d'exploitation de la météorologie (SCEM), le Centre national de recherches météorologiques (CNRM), l'École nationale de la météorologie (ENM), le Service d'étude des techniques instrumentales de la météorologie (SETIM), le Service administratif de la météorologie (SAM), et le Service central de la communication et de la commercialisation (S3 C).

6.2. La coopération européenne en météorologie

La coopération européenne entre services météorologiques nationaux de l'Europe de l'Ouest existe depuis longtemps. Certaines activités de coopération se font dans le cadre de structures intégrées, fondées sur des conventions signées au niveau intergouvernemental, d'autres dans le cadre de projets de recherche et de développement de la Communauté européenne.

Les structures intégrées existantes sont le CEPMMT (Centre européen de prévision météorologique à moyen terme) et Eumetsat, l'organisation européenne pour l'exploitation des satellites météorologiques.

Le Centre européen de prévision météorologique à moyen terme (C.E.P.M.M.T.)

Installé à Reading, au sud-ouest de Londres, en Angleterre (Royaume-Uni), le C.E.P.M.M.T. a été créé en 1975 par la volonté de 17 pays européens. Sa mission est de réaliser, pour le compte des États membres, des prévisions météorologiques à moyenne échéance (de trois jours à cinq jours), et son objectif est de parvenir à réaliser des prévisions météorologiques utilisables jusqu'à dix jours d'échéance.

Les grandes orientations du C.E.P.M.M.T. sont fixées par son conseil, composé de deux représentants de chaque État membre. Sa réussite s'explique notamment par le fait que, dès le départ, ses objectifs ont été très ciblés : développement de méthodes numériques, notamment dans le domaine de l'assimilation des données, production de prévisions météorologiques opérationnelles à moyenne échéance, recherche et développement visant à améliorer la qualité des prévisions.

Eumetsat

Dès sa création en 1986, Eumetsat a repris à sa charge le programme Meteosat de satellites géostationnaires, initialement lancé et géré par l'Agence spatiale européenne (ESA). Il a pour mission d'assurer la continuité des opérations prévues (en particulier la mise au point de la seconde génération des satellites Meteosat) et de mettre sur pied un programme européen d'observations satellitaires en orbite polaire analogue à celles de la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Agency).

Les autres programmes européens

Des programmes et actions de recherche et de développement au niveau européen sont apparus en matière de systèmes d'observation (radars de précipitations, radars profileurs de vent), de météorologie routière, d'environnement et d'océanographie. Un réseau regroupe les principaux centres de recherche climatique européens : le C.N.R.M. (Centre national de recherches météorologiques) de Météo France, le Hadley Center anglais et le Max Planck Institute de Hambourg.

Une coopération s'est instaurée entre Météo France et divers services météorologiques des pays de l'Europe de l'Est en matière de prévision numérique sur domaine limité.

De plus, un groupement d'intérêt économique, baptisé Ecomet et situé à Bruxelles (Belgique), a pour objectif de coordonner les activités des services météorologiques européens en matière de production de services et de commercialisation des produits météorologiques.

6.3. L'Organisation météorologique mondiale (O.M.M.)

L'Organisation météorologique mondiale comptait 182 États membres répartis sur 6 régions en 2007. À la suite d'une convention entrée en vigueur en 1951, elle a succédé à l'Organisation météorologique internationale, créée en 1873. L'O.M.M., dont le siège est implanté à Genève (Suisse), est un organisme intergouvernemental rattaché à l'Organisation des Nations unies (O.N.U.).

Ses principales missions sont d'assurer la coopération internationale en météorologie, à travers la veille météorologique mondiale (V.M.M.), dont le fonctionnement repose sur le système mondial de télécommunications (S.M.T.), et la normalisation des méthodes et procédures d'acquisition et d'échange des données. L'O.M.M. doit également promouvoir la recherche – à travers le programme climatologique mondial, l'enseignement et la formation en météorologie, notamment –, la coopération technique et le transfert de technologie vers les pays en voie de développement.

L’O.M.M. est également amenée à coopérer avec d'autres organisations internationales telles que l'Organisation de l'aviation civile internationale (O.A.C.I.), le Programme des Nations unies pour l'environnement (P.N.U.E.), le Programme des Nations unies pour le développement (P.N.U.D.), l'Organisation pour l'alimentation et l'agriculture (FAO), la Commission océanographique internationale de l'Unesco et le Conseil international des unions scientifiques (C.I.U.S.).