...

La conception d’un réseau d’observation climatologique Résumé

by user

on
Category: Documents
1

views

Report

Comments

Transcript

La conception d’un réseau d’observation climatologique Résumé
La conception
d’un réseau d’observation
climatologique
Un point de vue européen
Bengt Dahlström
Résumé
On passe brièvement en revue les problèmes posés par les ensembles de
données climatologiques (qualité,
homogénéité, résolution spatio-temporelle, couverture et accessibilité)
lorsqu’on les considère comme des
données de base pour l’élaboration de
produits et de services destinés aux
usagers. On s’intéresse, d’un point de
vue européen, à l’avenir des réseaux
climatologiques de surface. On souligne la nécessité d’utiliser conjointement les observations conventionnelles
de surface, les observations télédétectées et la modélisation numérique pour
obtenir les meilleurs produits et services climatologiques possibles. De
nouvelles méthodes d’analyse objective
conservant aux champs climatologiques leur variabilité et leurs valeurs
extrêmes doivent être mises au point.
Abstract
A climatological observational network; a European point of view
This is a brief review of the problems
related to climatological data sets
(quality, homogeneity, space-time
resolution, coverage and accessibility)
considered as basic data for the development of user-oriented products
and services. Questions linked to the
future of surface climatological networks are addressed from a
European point of view. It outlines
the need to marry conventional
ground observations, remote sensed
observations and numerical modelling to get the best possible climatological products and services. New
methods for objective analysis that
conserve the variability and the
extreme values in the climatological
fields need to be developed.
Institut météorologique et hydrologique suédois (SMHI en anglais)
SE-601 76 Norrköping - SUÈDE
[email protected]
Réseaux
d’observation
et production
climatologique
En raison des nouvelles demandes
concernant des prestations renforcées
en matière climatologique, hydrologique et environnementale, en raison
également de leurs ressources limitées,
les Services météorologiques et hydrologiques nationaux et les organismes
similaires subissent une pression supplémentaire pour travailler encore plus
efficacement au service de leurs clients.
Dans ce contexte, la couverture spatiale
et temporelle des observations, la qualité des données d’observation et leur
rapidité d’accès constituent des caractéristiques d’une importance capitale,
puisque les observations sont les ingrédients intervenant au début du processus d’élaboration des divers produits
et services. Les questions clés sont les
suivantes : de quels systèmes d’observation a-t-on besoin pour la production
d’aujourd’hui ? Quelles sont la meilleure
combinaison et la meilleure structure de
ces systèmes d’observation ?
Au niveau national, les réseaux
conventionnels de stations de surface
comprennent des stations météorologiques synoptiques où les observateurs
relèvent un grand nombre de paramètres météorologiques, et cela généralement toutes les trois heures. Ces
réseaux conventionnels comprennent
aussi des stations climatologiques, qui
mesurent essentiellement la température (généralement trois fois par jour) et
les précipitations (généralement une
fois par jour). Toutes ces observations
conventionnelles constituent les enre-
gistrements portant sur la période la
plus longue de l’ère instrumentale ;
aussi représentent-elles encore la principale source d’informations, en particulier pour les études climatologiques
sur les deux derniers siècles.
Les techniques d’observation reposant
sur les stations automatiques, les radars
et les satellites se sont développées rapidement au cours des dernières décennies.
Elles sont aujourd’hui d’une importance
croissante pour la production météorologique. À l’opposé, elles jouent encore un
rôle limité pour l’élaboration de produits
et de services climatologiques.
Les réseaux climatologiques et météorologiques de stations d’observation représentent des coûts d’investissement et de
Les produits
et les services
On désigne ici par produits les résultats
d’un processus de production fondamentalement automatique. Exemples
de produits : les tableaux climatologiques élaborés régulièrement et automatiquement pour les températures
moyennes mensuelles, les cumuls mensuels de précipitations, etc.
On désigne par services les résultats
d’un processus de production impliquant à un moment ou à un autre une
expertise professionnelle, un cerveau
humain. Exemples de services : les
textes climatologiques formulés par un
spécialiste et concernant les caractéristiques climatiques d’un mois donné, la
synthèse d’un expert sur le potentiel
futur des ressources naturelles d’énergie dans le cadre d’un possible
changement du climat, un rapport
scientifique, etc.
Les réseaux
59
La Météorologie - n° 40 - février 2003
60
Problèmes posés
par les données
climatologiques
Du point de vue des applications climatologiques, d’importants problèmes
proviennent des caractéristiques suivantes des données :
• La qualité des données : elle est cruciale pour la plupart des applications
climatologiques et il faudra beaucoup
de temps et beaucoup d’efforts pour
atteindre un niveau de qualité suffisant
pour ces applications.
• La collecte des données : à l’heure
actuelle, les observations climatologiques sont encore, en grande partie,
collectées en temps différé (seulement
une fois par semaine, voire une fois par
mois). De nombreux pays, dans lesquels le transfert de données par
Internet ou par téléphone est courant,
s’efforcent actuellement de mettre en
place une collecte en temps réel des
observations climatologiques.
• L’accessibilité des données : en
Europe et ailleurs, en dépit d’efforts
internationaux visant à améliorer leur
accessibilité, les données climatologiques non nationales sont assez peu
utilisées, en raison du manque de commodité des systèmes d’accès aux
diverses bases nationales de données,
mais aussi, dans une certaine mesure,
en raison du coût de ces données
(Hulme, 1994).
Les personnes qui ne sont pas climatologues sont souvent surprises par la
durée des travaux climatologiques,
par exemple l’élaboration des nouvelles
normales trentenaires nationales (Bessemoulin et Boucher, 2002). La principale cause de cette lenteur est qu’il ne
suffit pas de prendre quelques secondes
pour faire des opérations arithmétiques
sur les données d’observation ; des facFigure 1 - La température estivale en Suède de 1860 à
2002, déterminée à partir de données climatologiques
homogènes. La courbe verte représente un lissage à
l’aide d’un filtre gaussien sur 10 ans. La courbe rouge
représente un lissage à l’aide d’un filtre gaussien sur
30 ans. Voir Alexandersson et Moberg (1997) pour les
détails sur les tests d’homogénéité. Noter la valeur pour
l’été 2002 (encerclée), qui est la plus élevée depuis le
début des enregistrements en 1860.
teurs s'adressant à la qualité des données doivent être pris en compte :
• Les valeurs extrêmes sont très importantes pour les applications climatologiques ; lors des vérifications de routine
sur les données, il est très délicat de
séparer les véritables valeurs extrêmes
des valeurs largement erronées.
• Il est primordial d’examiner l’homogénéité des ensembles de données
(figure 1). Au niveau national, l’hétérogénéité des données climatologiques
est fréquemment due à :
– des changements d’emplacement des
stations ;
– des interruptions dans les séries de
mesures (données manquantes) ;
– des modifications de l’environnement
des stations (végétation, constructions) ;
– des changements de capteur ou
d’abri ;
– des changements d’observateur
impliquant une variation de la qualité
des mesures ;
– des changements dans les horaires
d’observation ;
– des changements dans les procédures
d’observation ;
– d’autres facteurs encore.
Les hétérogénéités entre bases nationales de données proviennent souvent :
– de différences entre les capteurs et
entre les solutions techniques
adoptées ;
– de concepts différents pour le choix
de l’emplacement des stations (par
exemple, station abritée du vent ou
exposée au vent) ;
– de méthodes différentes pour calculer
les moyennes journalières ou mensuelles ;
– de différences entre les outils de vérification en routine ;
– d’autres facteurs encore.
Même si, de nos jours, la vérification des
données est facilitée par l’emploi de logiciels rapides, elle reste longue à effectuer, car il faut souvent également étudier
les rapports d’inspection des stations et
d’autres sources de métadonnées
(Bessemoulin et Boucher, 2002).
18
Température moyenne de l'été
fonctionnement très élevés, mais sont
primordiaux pour la production de services et de produits destinés aux clients.
En conséquence, il est indispensable que
les systèmes d’observation soient conçus
pour être aussi efficaces que possible.
La Météorologie - n° 40 - février 2003
17
16
15
14
13
12
11
1850
1890
1930
Année
1970
Les implications
d’une collecte
nationale
des observations
en Europe
Il est de plus en plus difficile de trouver
de nouveaux observateurs pour les
réseaux climatologiques. Les gens n’acceptent généralement pas d’être obligés
de faire des observations tous les jours,
en particulier lorsque ce travail est à
temps partiel et faiblement rémunéré, ce
qui est souvent le cas dans les stations
climatologiques manuelles. Cela fait de
plus en plus obstacle au maintien des
principaux réseaux climatologiques pour
la mesure des précipitations et de la température. Cette situation est à l’origine
d’une étude générale et prospective sur
les façons d’améliorer le système suédois
d’observation, afin de renforcer la production climatologique et environnementale de l’Institut météorologique et
hydrologique suédois (SMHI en anglais).
Au cours de cette étude nationale, il est
apparu intéressant d’inclure des informations venant d’autres pays ; sept questions ont été formulées et posées aux
membres du réseau européen ECSN
(voir encadré page suivante). Les résultats de cette enquête, dépouillée en 2001,
peuvent être synthétisés comme suit :
• La tendance à aller vers une mesure et
une collecte automatiques des données
climatologiques se renforce. Le recrutement de nouveaux observateurs climatologiques se révèle être un problème
général. Le remède à ce problème est de
faire évoluer les systèmes d’observation
vers le recueil automatique des données ;
cette « médecine » a cependant des effets
secondaires sur la qualité et l’homogénéité des données.
• Dans les services climatologiques qui
ont répondu à l’enquête, les données
provenant de la télédétection sont peu
ou pas utilisées à des fins climatologiques. Ce résultat contraste avec le fait
que, depuis plusieurs décennies, on a
fortement mis l’accent sur
le potentiel des mesures
par radar et par satellite
pour la production climatologique. À l’heure
actuelle, les mesures satellitaires servent uniquement
en climatologie à déterminer le rayonnement solaire
et la nébulosité, mais aussi,
2010
dans une certaine mesure,
à vérifier les données de
61
La Météorologie - n° 40 - février 2003
Qualité des produits
ECSN, le réseau
climatologiques
européen de support et résolution
sur le climat
des données
L’ECSN (European Climate Support
Network) est un programme qui dépend
d’observation
d’Eumetnet, le réseau de dix-huit Services
météorologiques nationaux d’Europe.
L’ECSN a pour but d’organiser une
coopération accrue entre ses pays
membres dans le domaine du climat et
des activités qui lui sont liées ; cela afin
de renforcer leurs capacités à aider la
communauté des usagers européens
en améliorant la fourniture :
– de données et de produits de haute
qualité ;
– de services et de consultances reposant sur l’expertise des pays membres.
Dans le cadre d’Eumetnet, le champ
des activités menées en coopération
s’étend à des domaines tels que :
– les échanges d’informations ;
– les projets concernant les données ;
– les méthodes et les applications de
la climatologie.
L’ECSN travaille en mettant en œuvre
des projets auxquels participent les
pays membres intéressés.
précipitations (par des tests du type
« pas de nuages signifie pas de précipitations »).
• En ce qui concerne la mesure des précipitations solides (neige, grêle...),
aucune solution satisfaisante n’est
apparue dans l’enquête, que ce soit
pour une mesure automatique ou
manuelle. La mesure conduit généralement à des sous-estimations importantes (elle donne fréquemment le
quart, voire la moitié, de la quantité
réelle de précipitations solides).
• Plusieurs pays utilisent des méthodes
visant à estimer les paramètres du climat sur une grille régulière. Diverses
approches nationales existent pour l’interprétation spatio-temporelle des
caractéristiques du climat en Europe,
permettant de satisfaire les demandes
des clients des services météorologiques respectifs. Dans les réponses à
l’enquête, aucune proposition claire
n’est apparue pour résoudre le problème de l’estimation objective des
extrêmes géographiques du climat.
• L’enquête exprime le besoin d’accroître l’échange d’informations et la
coopération en ce qui concerne les systèmes d’observation en Europe. Ce
besoin est lié au souhait de stimuler les
échanges d’informations en liaison
avec le passage aux mesures automatiques et à propos de la standardisation
des techniques de mesure.
Dans le cadre de l’enquête suédoise, on
a identifié un ensemble particulier de
produits et de services climatologiques.
Il est apparu que la connaissance quantitative de la qualité de la production
climatologique devait faire des progrès.
On sait également peu de choses sur la
façon dont la précision et la qualité des
produits et des services climatologiques
varient avec la quantité d’observations
disponible. Par exemple : quelle est la
précision, en un point arbitrairement
choisi, d’une carte analysée à la
main des normales trentenaires de précipitations ? Comment cette précision
varierait-elle si l’on disposait seulement
d’une partie des données des
stations d’observation ?
La figure 2 illustre l’importance de la
résolution spatiale du réseau d’observation ; elle montre une carte de précipitations provenant de l’une des
campagnes de terrain du projet
Pluvius. Ce projet sur la pluie à
mésoéchelle, imaginé et conduit par
T. Bergeron, a recueilli des mesures
de pluie pendant la période 19531965, pour la saison pluvieuse allant
de juin à novembre, dans une région
entourant la ville suédoise d’Uppsala.
On a fait appel pour cela à des agriculteurs, qui mesuraient les quantités de
pluie avec un pluviomètre simplifié
appelé « pluviomètre Pluvius ». Le
réseau ainsi constitué possédait une
densité exceptionnelle : les stations
étaient séparées par une distance allant
de 0,5 à 5 kilomètres.
Avec la densité du réseau pluviométrique officiel suédois, il y aurait eu
seulement deux stations de mesure des
précipitations dans la région d’étude du
projet Pluvius.
Le développement
des réseaux
climatologiques
de surface
Concepts et procédures
Pour le progrès de nos sociétés, il est
important que l’information climatologique ait la meilleure résolution possible dans l’espace et dans le temps.
Dans une certaine mesure, on arrive à
ce résultat en utilisant les données de
nos systèmes composites d’observation. Cependant, pour répondre aux
attentes de la société à un coût abordable, il est nécessaire de combiner les
Figure 2 - Quantités de pluie tombées sur la région d’Uppsala (zone d’étude du projet Pluvius) le 3 septembre
1955 entre 6 h et 18 h UTC. Cette carte des précipitations a été analysée par T. Bergeron (Bergeron, 1970). On
observe un flux postfrontal de secteur ouest - sud-ouest d’air polaire maritime avec des averses isolées. Cette
carte a été obtenue à l’aide d’un réseau ultradense (distance entre stations comprise entre 0,5 et 5 kilomètres).
62
La Météorologie - n° 40 - février 2003
observations et les modèles numériques
pour interpréter les données dans l’espace et dans le temps.
La conception des réseaux climatologiques de surface devrait de préférence
reposer sur le résultat des « expériences
de sensibilité aux systèmes d’observation » (OSSE en anglais, voir Pailleux,
2002), qui permettent de valider l’interaction entre les observations et les
modèles de base avant d’arriver à la
production proprement dite. Dans ce
contexte, les « modèles de base » se
réfèrent aux modèles qui interviennent
dans la première phase de la chaîne de
production, tels les modèles à maille fine
utilisés pour les estimations climatologiques en points de grille.
On a besoin de méthodes pour améliorer l’interpolation des données dans
l’espace et dans le temps (figures 3 et
4). Un défi pour les chercheurs : mettre
au point une nouvelle formulation de
l’analyse objective qui permette de préserver les propriétés statistiques des
champs climatologiques. Il est particulièrement crucial de préserver correctement la variabilité et les valeurs
extrêmes de ces champs. Au départ,
l’analyse objective a été conçue pour
assimiler les données d’observation
dans la prévision numérique du temps ;
elle lisse en général trop les champs du
point de vue climatologique.
Le schéma 1 met en évidence les principales étapes de la conception d’un
réseau climatologique de surface.
L’étape 1 concerne l’identification des
produits et des services qui sont censés
résulter du système intégré formé par
les sources de données et les méthodes
de production. Cette étape est nécessaire pour pouvoir ensuite se demander
de quel système d’observation la production a besoin. Les principales questions sont les suivantes :
• De quelles connaissances disposonsnous à l’heure actuelle sur le lien existant
entre, d’une part, le type et la densité des
observations ainsi que la méthode de
production, d’autre part, la précision et la
qualité des produits finaux ?
• La question précédente doit être clarifiée par des expériences de sensibilité
conçues pour mettre en évidence la
production climatologique opérationnelle et sa sensibilité aux paramètres
d’entrée que sont les observations et les
Figure 3 - Schéma conceptuel montrant la façon d’obtenir l’information climatologique à divers niveaux de
résolution spatio-temporelle.
Figure 4 - Front froid et amas préfrontal de cumulonimbus au-dessus de Norrköping (Suède), le 2 mars 2002 à
10 h 02 UTC. L’existence de fortes précipitations très localisées implique d’utiliser conjointement des systèmes
intégrés d’observation et une interprétation reposant sur les modèles numériques pour obtenir des valeurs climatologiques réalistes des précipitations. (Photo B. Dahlström)
Améliorations
Étape 1
Étape 2
Spécification de :
• Produits et services climatologiques réguliers.
• Produits élaborés
à partir de données
télédétectées.
• Précision, qualité
et autres caractéristiques importantes
liées à la production.
• Identification des
futurs domaines potentiels d'application.
• Identification des
exigences spécifiques portées par
les produits et services sur les systèmes d'observation
et les méthodes de
production.
Étape 3
Étape 4
• Conception d'un •Réalisation.
système d'observation climatologique
optimal et à coût
étudié pour les
besoins nationaux,
européens et planétaires.
Stratégie :
• Expériences OSE
et OSSE choisies et
synthèse générale.
Schéma 1 - Les principales étapes dans la conception d’un système d’observation climatologique.
OSE : Observational System Experiment (expériences de systèmes d’observation)(1) ;
OSSE : Observing System Simulation Experiment (expériences de sensibilité aux systèmes d’observation)(2) ;
(voir Pailleux, 2002).
(1) Ces expériences s'appuient sur les données fournies par des systèmes d'observation existants.
(2) Dans ce cas, l'impact des futurs systèmes d'observation est analysé à l'aide d'observations simulées.
modèles. Quelle est la meilleure façon
de concevoir ces expériences numériques de sensibilité ?
lièrement importante et cette perspective « intégrée » est illustrée par la
figure 5.
Du fait que la production reposant sur
les modèles numériques s’est notablement accrue au cours des dernières
décennies, il devient crucial de planifier les systèmes composites d’observation en connexion avec les modèles
numériques utilisés pour la production.
Dans ce contexte, l’étape 2 est particu-
L’étape 3, la conception du système
d’observation, constitue une voie de
passage vers l’étape 4, la réalisation du
système d’observation climatologique.
Le schéma 1 illustre en fait un processus sans fin, puisqu’il faudra sans
cesse prendre en compte les améliorations potentielles.
Très haute résolution
Informations reposant sur l'analyse variationnelle 4D-VAR
à l'aide de modèles physiques et de sources composites
de données.
Haute résolution
Informations provenant de sources composites de
données.
Basse résolution
Informations provenant des réseaux d'observation
en surface.
63
La Météorologie - n° 40 - février 2003
Répartition géographique,
résolution et homogénéité
des données
Pour l’ensemble des Services météorologiques et hydrologiques nationaux,
une question essentielle concerne la
façon d’utiliser les synergies entre
observations, modèles numériques et
expertise humaine pour obtenir la
meilleure production, au meilleur coût
et dans des conditions procurant un bon
environnement de travail.
Production
Qualité
Observations
Modèles
Figure 5 - Pour l’élaboration de produits et de services, il
faut considérer les observations dans une perspective
« intégrant » les modèles numériques. Pour cela, il faut
effectuer des expériences de systèmes d’observation
(OSE) et des expériences de sensibilité aux systèmes
d’observation (OSSE) bien choisies dans l’environnement
correspondant.
Les données stationnelles (mesurées en
un point) résultant des réseaux au sol
sont de première importance pour l’élaboration de produits et de services sur
le climat. En pratique cependant, pour
les applications, on a besoin de
connaître les caractéristiques du climat
en tout point de l’espace et du temps, et
pas seulement aux points de mesure.
C’est pourquoi l’estimation des paramètres climatologiques en des points
régulièrement disposés sur une grille, à
partir de multiples sources de données,
est devenue un enjeu de taille, comme
le montrent les exemples suivants :
• Le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme
(CEPMMT) et un groupe mixte NCEPNCAR aux États-Unis ont lancé des
projets de réanalyses pour obtenir des
champs planétaires de données météorologiques en points de grille sur plusieurs décennies passées (Bessemoulin
et Boucher, 2002).
• Des modèles numériques d’analyse à
mésoéchelle, dotés d’une résolution de
l’ordre de 5 à 25 kilomètres et de
3 heures, ont été installés de façon opérationnelle dans plusieurs pays (Häggmark
et al., 2000 ; Johansson, 2002).
Les données en points de grille facilitent
l’interprétation des caractéristiques du
climat dans l’espace et dans le temps. Il
est donc important que les systèmes
d’observation soient conçus de façon à
promouvoir la création de tels types de
données pour les applications destinées
aux usagers. Pour atteindre la haute résolution qui est souhaitable, il semble évident que les réseaux doivent devenir plus
denses, être mieux combinés avec les
mesures par télédétection et être soumis
à des méthodes performantes d’analyse
objective.
Par ailleurs, il faut veiller à identifier
les stations de surface pour lesquelles
on possède des séries de données
homogènes sur une longue période de
l’ère instrumentale ; dans la mesure du
possible, ces stations doivent être sécurisées afin de pouvoir continuer à fournir des mesures homogènes.
La plupart des stations climatologiques
possèdent malheureusement des séries
de données hétérogènes ; en conséquence, il faut sécuriser leurs métadonnées de façon adéquate. Il devient urgent
de créer une structure universelle pour
stocker les métadonnées sous forme
numérique : à l’heure actuelle, presque
toutes ces métadonnées se trouvent dans
des rapports d’inspection rédigés sur
papier et sont donc peu commodes
d’emploi. La première chose à faire pour
améliorer l’accès à ces métadonnées
serait de mettre en place sur Internet un
catalogue régulièrement actualisé et
concernant au moins toutes les données
de surface et toutes les données spatiales
du domaine de l’Organisation météorologique mondiale.
Vu les résultats de l’enquête menée
dans les pays de l’ECSN sur les observations climatologiques, il est clair
qu’en Europe, les stations climatologiques de surface vont être en grande
partie amenées à devenir des stations
automatiques dans les prochaines
années. Il est crucial que toutes les précautions soient alors prises pour limiter
le problème de l’hétérogénéité qui
pourrait en découler (Rudel, 2000).
De façon plus générale, lors de la planification de nouveaux réseaux de surface, la
qualité et – en particulier pour les applications climatologiques – l’homogénéité
des mesures sont des facteurs clés, tout
autant que la densité des réseaux.
Conclusion
Pour les applications concernant le climat, il est important de songer aux questions d’homogénéité des données dès la
conception des systèmes d’observation.
L’usage de l’analyse objective à des fins
climatologiques est vivement encouragé,
de même que les recherches sur ce sujet.
Pour éviter les problèmes liés à un lissage trop important de la variabilité ou
des valeurs extrêmes des champs climatologiques, il est nécessaire de mettre au
point de nouvelles méthodes d’analyse
objective.
Remerciements
Je tiens à remercier mes collègues de
l’Institut météorologique et hydrologique suédois (SMHI) pour leur aide.
Traduit de l'anglais par Didier Renaut
Bibliographie
Alexandersson H. et A. Moberg, 1997 : Homogenisation of Swedish temperature data. Part 1: Homogeneity test for linear trends. Int. J. of Climatol., 17, 25-34.
Bergeron T., 1970 : Mesometeorological studies of precipitation. IV, Oreigenic and convective rainfall patterns. Department of Meteorology, University of Uppsala,
Suède, Report No 20.
Bessemoulin P. et O. Boucher, 2002 : Les besoins en observations pour la climatologie. La Météorologie 8e série, 39, 36-42.
Häggmark L., K.-I. Ivarsson, S. Gollvik et P.-O. Olofsson, 2000 : Mesan, an operational mesoscale analysis system. Tellus, 52 A, 2-20.
Hulme M., 1994 : The cost of data - a European experience. Weather, 49, 5, 168-175.
Johansson B., 2002 : Estimation of areal precipitation for hydrological modelling in Sweden. Department of Physical Geography, Göteborg Earth Science Center, Suède,
Doctoral Thesis A76, ISSN 1400-3813.
Pailleux J., 2002 : Les besoins en observations pour la prévision numérique du temps. La Météorologie 8e série, 39, 29-35.
Rudel E., 2000 : Development and interaction of climate data sets. Proceedings of the 2nd European conference on applied climatology (ECAC 98). 19-23 octobre, Vienne, Autriche.
Fly UP