Les bases de la prévision numérique du temps

Auteur(s) :

Coiffier, Jean Découvrir l'auteur

Résumé

Présentation des fondements de la prévison numérique du temps et des principales techniques pour la modélisation de l'atmosphère. Comprend aussi un historique de la prévision numérique, des exemples de modèles utilisés et des exemples de paramétrisation des principaux processus physiques.

Éditeur(s)
- Météo-France
Date
- 2009
Notes
- Bibliogr. Index
Langues
- Français
Description matérielle
- XII-255 p. ; 30 x 21 cm
Collections
- Cours et manuels
Sujet(s)
- Temps (météorologie) -- Prévision numérique
ISBN
- 978-2-11-097446-4
Indice
- 550.72 Météorologie
Quatrième de couverture
- Les bases de la prévision numérique du temps
  Les modèles numériques sont aujourd'hui des instruments indispensables dans le domaine des sciences de l'environnement, en particulier dans celui la prévision météorologique ou climatique. Cet ouvrage expose les bases de la prévision numérique du temps et décrit les techniques couramment utilisées pour construire les modèles d'atmosphère. Il doit permettre à tout étudiant ou chercheur d'avoir une vue générale sur cette discipline et d'apprendre à en maîtriser les techniques.
  Ouvrage de niveau licence - master en sciences, à vocation pédagogique, il comprend :
  
  un historique de la prévision numérique,
  
  les principales techniques de numérisation utilisées,
  
  des exemples de modèles utilisés pour la prévision météorologique ou climatique,
  
  des exemples de paramétrisation des principaux processus physiques,
  
  un aperçu des différents maillons d'une chaîne de prévision météorologique,
  
  une abondante bibliographie.
Tables des matières
- - Les bases de la prévision numérique du temps
  - Jean Coiffier
  - Météo France
  - Chapitre I Un demi-siècle de prévision numérique
  - I.1 - Introduction 1
  - I.2 - Le temps des défricheurs 1
  - I.3 - Un demi-siècle de progrès continus 3
  - I.3.1 - La nécessité d'allier précision et rapidité3
  - I.3.2 - L'utilisation des équations filtrées4
  - I.3.3 - Le retour aux équations primitives et l'initialisation5
  - I.3.4 - Le traitement planétaire et la méthode spectrale5
  - I.3.5 - L'utilisation des modèles sur domaine limité6
  - I.3.6 - Les algorithmes permettant l'augmentation du pas de temps7
  - I.3.7 - Le passage aux équations non hydrostatiques7
  - I.3.8 - La prise en compte des processus physiques7
  - I.3.9 - L'analyse objective et l'assimilation des données8
  - I.4 - Évolution générale de l'outil de travail 8
  - I.4.1 - La puissance de calcul accompagne les progrès9
  - I.4.2 - De l'ENIAC aux grands ordinateurs scientifiques9
  - I.4.3 - Les machines vectorielles mono et multiprocesseurs10
  - I.4.4 - Les ordinateurs massivement parallèles10
  - I.4.5 - Les évolutions du logiciel11
  - Chapitre II Les diverses formes des équations
  - II.1 - Introduction 13
  - II.2 - Les diverses simplifications et les modèles correspondants 13
  - II.2.1 - Les équations sous leur forme générale13
  - II.2.2 - Approximation traditionnelle et équations non hydrostatiques14
  - II.2.3 - L'hypothèse hydrostatique et les équations primitives15
  - II.2.4 - Formulation des équations primitives en coordonnée pression16
  - II.2.5 - Les équations du modèle « en eau peu profonde »18
  - II.2.6 - Les équations du modèle « à divergence nulle »19
  - II.3 - Représentation dans divers systèmes de coordonnées 19
  - II.3.1 - Les opérateurs vectoriels en coordonnées curvilignes19
  - II.3.2 - Les coordonnées géographiques naturelles20
  - II.3.3 - L'écriture des équations en projection conforme22
  - II.4 - Étude de quelques projections conformes particulières 23
  - II.4.1 - La projection stéréographique polaire23
  - II.4.2 - La projection de Mercator25
  - II.4.3 - La projection de Lambert26
  - II.4.4 - La transformation conforme de la sphère sur elle-même27
  - Chapitre III L'utilisation des différences finies
  - III.1 - Introduction 31
  - III.2 - La méthode des différences finies 31
  - III.2.1 - Principe de calcul, ordre de précision31
  - III.2.2 - Les notations courantes pour les différences finies32
  - III.2.3 - La précision des schémas aux différences finies35
  - III.3 - Les grilles utilisées et leurs propriétés 37
  - III.3.1 - Les équations primitives en projection conforme37
  - III.3.2 - Écriture en grille A38
  - III.3.3 - Écriture en grille B39
  - III.3.4 - Écriture en grille C39
  - III.3.5 - Ecriture en grille D'oscillante (dite d'Eliassen)40
  - III.3.6 - Les propriétés des diverses grilles41
  - III.3.7 - Le filtrage spatial43
  - III.4 - Conclusion 44
  - Chapitre IV Les méthodes spectrales
  - IV.1 - Introduction 45
  - IV.2 - L'utilisation de développements en série de fonctions 45
  - IV.2.1 - Généralités sur les méthodes de Galerkin45
  - IV.2.2 - Utilisation des éléments finis pour l'équation d'advection46
  - IV.3 - La méthode spectrale sur la sphère 48
  - IV.3.1 - Généralités48
  - IV.3.2 - La base des harmoniques sphériques superficielles48
  - IV.3.3 - Propriétés des harmoniques sphériques50
  - IV.3.4 - Développement d'un champ sphérique51
  - IV.3.5 - La troncature du développement52
  - IV.3.6 - Calcul des termes linéaires et application au calcul du vent53
  - IV.3.7 - Le calcul des termes non linéaires54
  - IV.3.8 - Mise en oeuvre pratique de la méthode spectrale57
  - IV.4 - La méthode spectrale sur un domaine bipériodique 58
  - IV.4.1 - La construction d'un domaine bipériodique58
  - IV.4.2 - Les fonctions de base58
  - IV.4.3 - La troncature elliptique60
  - IV.4.4 - Le calcul des termes linéaires61
  - IV.4.5 - Le calcul des termes non linéaires61
  - IV.4.6 - Intérêt de la méthode62
  - Chapitre V Les effets de la numérisation
  - V.1 - Introduction 63
  - V.2 - Le modèle barotrope linéarisé 63
  - V.2.1 - Les équations pour les perturbations63
  - V.2.2 - Les solutions analytiques du modèle linéarisé64
  - V.3 - Effet de la discrétisation horizontale 66
  - V.3.1 - Principe général66
  - V.3.2 - Application aux diverses grilles66
  - V.4 - Étude de divers schémas d'intégration temporelle 69
  - V.4.1 - Le schéma explicite d'Euler70
  - V.4.2 - Le schéma explicite centré71
  - V.4.3 - Le schéma semi-implicite centré74
  - V.4.4 - Le schéma semi-lagrangien semi-implicite centré76
  - V.5 - Le filtrage temporel 82
  - V.6 - Effet de la discrétisation spatiale sur la condition de stabilité 84
  - V.6.1 - Cas des modèles en différences finies84
  - V.6.2 - Cas des modèles spectraux85
  - Chapitre VI Les modèles barotropes
  - VI.1 - Les modèles barotropes fondés sur l'évolution du tourbillon 87
  - VI.1.1 - Le modèle à divergence nulle87
  - VI.1.2 - Introduction d'un terme de divergence moyenne88
  - VI.1.3 - L'instabilité non linéaire et sa prévention89
  - VI.2 - Le modèle barotrope en eau peu profonde 93
  - VI.2.1 - Les propriétés du modèle en eau peu profonde93
  - VI.2.2 - Les équations discrétisées sur une grille C94
  - VI.2.3 - Le schéma explicite centré97
  - VI.2.4 - Le schéma semi-implicite centré98
  - VI.2.5 - Les schémas semi-lagrangiens99
  - VI.3 - Le traitement spectral du modèle en eau peu profonde 104
  - VI.3.1 - Formulation des équations104
  - VI.3.2 - Le traitement semi-implicite106
  - VI.3.3 - Le traitement semi-lagrangien107
  - VI.4 - Utilisation pratique du modèle barotrope en eau peu profonde 110
  - Chapitre VII Les équations d'un modèle barocline
  - VII.1 - Introduction 111
  - VII.2 - Introduction d'une coordonnée verticale générale 111
  - VII.2.1 - Les formules de transformation111
  - VII.2.2 - L'expression de la dérivée totale112
  - VII.3 - Application aux équations primitives 112
  - VII.3.1 - L'équation de l'hydrostatique112
  - VII.3.2 - Le terme de force de pression112
  - VII.3.3 - L'équation de continuité112
  - VII.3.4 - L'équation de tendance de la pression de surface113
  - VII.3.5 - L'équation pour la vitesse verticale114
  - VII.4 - Diverses coordonnées verticales pour les équations primitives 114
  - VII.4.1 - Les inconvénients de la coordonnée pression114
  - VII.4.2 - La coordonnée sigma114
  - VII.4.3 - La coordonnée hybride progressive115
  - VII.5 - La généralisation au cas des équations non hydrostatiques 119
  - VII.5.1 - Le rôle de la « pression hydrostatique »119
  - VII.5.2 - La coordonnée hybride « pression hydrostatique » normalisée119
  - VII.5.3 - Une formulation globale synthétique des équations121
  - VII.6 - Les propriétés conservatives des équations 123
  - VII.6.1 - L'expression des paramètres globaux123
  - VII.6.2 - La conservation de la masse124
  - VII.6.3 - La conservation du moment cinétique124
  - VII.6.4 - La conservation de l'énergie125
  - VII.7 - Conclusion 126
  - Chapitre VIII Quelques modèles baroclines
  - VIII.1 - Introduction 127
  - VIII.2 - Le contexte de la discrétisation 127
  - VIII.2.1 - Les équations127
  - VIII.2.2 - Les couches, les niveaux et la position des variables128
  - VIII.3 - La discrétisation verticale des équations 129
  - VIII.3.1 - Les advections verticales129
  - VIII.3.2 - Équation d'évolution de la pression de surface130
  - VIII.3.3 - Équation diagnostique pour la vitesse verticale généralisée130
  - VIII.3.4 - Équation diagnostique pour le géopotentiel130
  - VIII.3.5 - Expression de la force de pression131
  - VIII.3.6 - Terme de conversion d'énergie131
  - VIII.3.7 - Place des niveaux de pression133
  - VIII.3.8 - Solutions alternatives pour la discrétisation verticale134
  - VIII.4 - Un modèle en coordonnée sigma et différences finies sur grille C 135
  - VIII.4.1 - Simplifications avec la coordonnée sigma pure135
  - VIII.4.2 - La position des variables sur la grille C135
  - VIII.4.3 - Les équations discrétisées136
  - VIII.4.4 - L'intégration du modèle de façon explicite139
  - VIII.4.5 - Mise en oeuvre de l'intégration temporelle semi-implicite141
  - VIII.5 - Formalisation de la méthode semi-implicite 145
  - VIII.5.1 - Écriture générale de l'algorithme145
  - VIII.5.2 - Interprétation de la méthode semi-implicite145
  - VIII.6 - Modèle spectral à résolution variable en coordonnée hybride 147
  - VIII.6.1 - Les équations de base147
  - VIII.6.2 - L'intégration du modèle de façon explicite148
  - VIII.6.3 - Mise en oeuvre de l'intégration temporelle semi-implicite151
  - VIII.7 - Le traitement lagrangien de l'advection dans les modèles baroclines 153
  - Chapitre IX Les paramétrisations physiques
  - IX.1 - Introduction 155
  - IX.2 - Les équations relatives à une atmosphère humide multiphasique 156
  - IX.2.1 - Cadre schématique des interactions entre les constituants157
  - IX.2.2 - Les équations sous forme conservative158
  - IX.3 - Le rayonnement 160
  - IX.3.1 - Généralités160
  - IX.3.2 - Prise en compte des effets du rayonnement dans l'atmosphère161
  - IX.3.3 - L'approximation des deux flux et l'intégration sur une couche161
  - IX.3.4 - Le calcul des épaisseurs optiques et l'intégration spectrale163
  - IX.3.5 - L'intégration sur les chemins optiques et le calcul des flux165
  - IX.3.6 - Le traitement des nuages166
  - IX.4 - La couche limite et la diffusion 170
  - IX.4.1 - Généralités170
  - IX.4.2 - La paramétrisation des flux turbulents en surface171
  - IX.4.3 - Les flux dans la couche limite planétaire173
  - IX.4.4 - La prise en compte de la convection peu profonde175
  - IX.4.5 - L'évolution des paramètres de surface175
  - IX.4.6 - Prise en compte des flux, diffusion verticale178
  - IX.5 - Les précipitations résolues à l'échelle de la maille 180
  - IX.5.1 - Généralités180
  - IX.5.2 - Le calcul des précipitations dans une couche d'atmosphère180
  - IX.5.3 - L'évaporation des précipitations181
  - IX.5.4 - La fonte de la neige en cours de chute182
  - IX.5.5 - Le processus de calcul dans les diverses couches183
  - IX.5.6 - La nécessité de schémas plus détaillés184
  - IX.6 - La convection 185
  - IX.6.1 - Généralités185
  - IX.6.2 - Le problème de la causalité pour la convection185
  - IX.6.3 - Les équations de base pour le schéma186
  - IX.6.4 - Les profils caractéristiques du nuage et la microphysique188
  - IX.6.5 - Le déclenchement de l'instabilité188
  - IX.6.6 - La relation de fermeture188
  - IX.6.7 - Perspectives189
  - IX.7 - L'effet de l'orographie sur le flux à grande échelle 189
  - IX.7.1 - Le flux de quantité de mouvement induit par le relief189
  - IX.7.2 - Effets de résonance et de piégeage de l'onde190
  - IX.7.3 - Conséquences du blocage partiel du flux191
  - IX.8 - La diffusion horizontale 192
  - IX.9 - La validation des paramétrisations physiques 193
  - Chapitre X La prévision opérationnelle
  - X.1 - Introduction 195
  - X.2 - Les observations météorologiques 195
  - X.2.1 - Le Système mondial d'observations195
  - X.2.2 - Les observations in situ196
  - X.2.3 - Les observations télédétectées196
  - X.3 - L'analyse objective et l'assimilation de données 197
  - X.3.1 - Introduction197
  - X.3.2 - La méthode des corrections successives198
  - X.3.3 - L'approche statistique et la modélisation des erreurs199
  - X.3.4 - L'interpolation statistique par l'approche des moindres carrés199
  - X.3.5 - L'interpolation optimale200
  - X.3.6 - La méthode variationnelle 3D201
  - X.3.7 - La variante incrémentale202
  - X.3.8 - L'assimilation variationnelle 4D203
  - X.3.9 - Le filtre de Kalman204
  - X.4 - L'initialisation des données au démarrage du modèle 206
  - X.4.1 - Les premières tentatives d'initialisation206
  - X.4.2 - Le principe de l'utilisation des modes normaux206
  - X.4.3 - L'initialisation intégrée à l'assimilation de données209
  - X.5 - Les modèles couplés 209
  - X.5.1 - Les modèles sur domaine limité209
  - X.5.2 - Le traitement classique des conditions aux limites latérales210
  - X.5.3 - Le principe des modèles emboîtés210
  - X.5.4 - L'utilisation d'un domaine à maille variable212
  - X.6 - Le post-traitement des données prévues par les modèles 212
  - X.6.1 - Le problème du relief212
  - X.6.2 - Les diverses interpolations212
  - X.7 - La prévision locale 213
  - X.7.1 - Le principe de l'adaptation statistique213
  - X.7.2 - La méthode de la prévision parfaite214
  - X.7.3 - La méthode de statistique des sorties de modèle214
  - X.7.4 - La méthode de correction à l'aide du filtre de Kalman214
  - X.8 - La chaîne de prévision numérique 215
  - X.8.1 - Les divers maillons de la chaîne215
  - X.8.2 - L'importance du « temps de coupure »215
  - X.8.3 - La chaîne de prévision et la chaîne d'assimilation216
  - X.9 - La vérification des prévisions 216
  - X.9.1 - Les définitions de base216
  - X.9.2 - Quelques scores classiques de vérification217
  - X.9.3 - La vérification des événements catégorisés219
  - X.10 - La prévision d'ensemble 220
  - X.10.1 - La limite de prévisibilité220
  - X.10.2 - L'utilisation d'un ensemble221
  - X.10.3 - La présentation des résultats222
  - X.11 - La coopération internationale 223
  - X.12 - Les perspectives pour l'avenir 224
  - X.12.1 - La puissance des ordinateurs ne cesse d'augmenter224
  - X.12.2 - L'assimilation de données224
  - X.12.3 - Les modèles de prévision225
  - X.12.4 - Les modèles d'application spécialisés225
  - X.12.5 - La simulation225
  - X.12.6 - La prévision d'ensemble226
  - X.12.7 - Conclusion226
  - Bibliographie229
  - Liste des symboles principaux245
  - Index251
Origine de la notice:
- Electre