Prévisions saisonnières basées sur des modèles de prévision numérique du temps

Introduction

Depuis septembre 1995, le le Service météorologique du Canada (CMC) d'Environnement Canada produit des aperçus de 1-3 mois pour le Canada. Ces aperçus sont des prévisions de l'anomalie de la température de l'air à la surface et de précipitations pour une période de 3 mois.

La prévision 1-3 mois se compose de 40 exécutions de modèles (membres), avec 10 exécutions de chacun des modèles suivants: la version climatique du modèle global environnemental multi échelle (GEM-CLIM) du groupe de recherche en prévision numérique (RPN) du temps, la seconde et la troisième génération du modèle de circulation générale atmosphérique (MCGA2 et MCGA3) du Centre canadien de la modélisation et de l'analyse climatique (CCmaC) et le SEF (modèle spectral aux éléments finis) de RPN.

  • Le modèle GEM-CLIM utilise le modèle GEM (Côté et al. 1998) développé dans le groupe de la Recherche en Prévision Numérique du temps (RPN). Ce modèle a une résolution horizontale de 2 degrés avec 50 niveaux dans la verticale vertical levels.
  • Le modèle MCGA2 (McFarlane et al. 1992), du (Centre canadien de la modélisation et de l'analyse climatique (CCmaC), a une résolution horizontale de 625 km (T32) avec 10 niveaux dans la verticale.
  • La troisième génération du modèle de circulation générale atmosphérique (MCGA-3) (Scinocca et al. 2004), aussi du CCmaC a une résolution horizontale de 315 km (T63) avec 32 niveaux dans la verticale.
  • Le modèle SEF, développé à RPN a été utilisé dans des études antérieurs pour l'asimilation de données globale et les prévisions à moyens et longue échéances (Ritchie, 1991; Ritchie and Beaudoin, 1994). C'est un modèle spectral, global, avec une résolution horizontale de 210 km (T95) et 27 niveaux dans la verticale.

Les modèles utilisent les mêmes analyses atmosphériques qui proviennent du CMC. Par ailleurs, le traitement des champs de surface diffèrent. Le forçage de surface doit être traité avec attention car il est crucial dans le contrôle de la variabilité de l'atmosphère à l'échelle de la saison. Les modèles numériques utilisés dans le système de prévisions du CMC sont forcés par 3 champs : les températures de la surface de la mer (TSM), la couverture en glace marine et le couvert de neige. Le traitement de ces champs est effectué selon la méthode suivante :

  • Pour GEM-CLIM : étant donné que l'on n'utilise pas de modèle d'océan interactif, les anomalies de TSM observées dans les 30 jours précédents le début de la prévision sont prescrites pour toute la saison prédite. Ces anomalies sont additionnées à la climatologie de TSM qui évolue au cours de la saison prévue. Les étenudes de la neige et de la glace marine sont, quant à eux, initialisées avec les analyses du CMC puis interpolées vers la climatologie observée durant les 15 premiers jours des intégrations numériques.
  • Pour MGCA2 : le traitement des anomalies de TSM est fait de façon identique au traitement décrit ci-dessus pour le modèle GEM. Le couvert de glace marine est prescrit comme étant climatologique durant toute l'intégration. Le couvert de neige est initialisé à partir des observations hebdomadaires.
  • Pour MGCA3 : le traitement des anomalies de TSM est fait de façon identique au traitement décrit ci-dessus pour le modèle GEM. Le couvert de glace marine est initialisés avec les analyses du CMC puis interpolés vers la climatologie observée durant les 15 premiers jours des intégrations numériques. Le couvert de neige est initialisés à partir d'observations hebdomadaires et par la suite il est calculé de façon prognostique.
  • pour le modèle SEF : le traitement des anomalies de TSM est fait de façon identique au traitement décrit ci-dessus pour le modèle GEM. Les étendues de la neige et de la glace marine sont, quant à elles, initialisées avec les analyses du CMC puis interpolées vers la climatologie observée durant les 15 premiers jours des intégrations numériques.

Les dérives climatiques ou biais des modèles, sont enlevés en utilisant leurs climatologies respectives (voir ci-dessous pour plus d'explications). Les climatologies des modèles viennent de 30 ans de prévisions historiques effectuées lors du projet de prévisions historiques (appelé HFP). Le HFP a été également essentiel pour estimer la performance attendue des modèles (voir les discussions dans Derome et al., 2001; Kharin et Zwiers, 2001; Kharin et al., 2001 et Plante et Gagnon, 2000). Les données du projet des prévisions historiques sont disponibles en ligne au site du CCmaC.

Méthodologie de la prévision de la température de l'air à la surface

Les prévisions de la température de l'air à la surface sont produites en faisant premièment la moyenne saisonnières de la température quotidienne tel que prévue par chaque modèle. La climatologie des modèles est ensuite soustraite de la température moyennne prévue par chacun pour calculer l'anomalie prévue. Les anomalies des modèles sont ensuite normalisées et combinées en utilisant une moyenne arithmétique.  L'anomalie prévue de la température de l'air à la surface est une prévision de l'anomalie température moyenne journalière tel que mesurée à la hauteur de l'abri Stevenson (2 mètres). Finalement, les anomalies sont divisées en 3 categories (au-dessus, près et sous la normale).

Méthodologie de la prévision de précipitations

Les prévisions de précipitations sont produites en utilisant l'accumulation des précipitations durant la saison. Les précipitations prédites par les modèles sont le total liquide et incluent tous les types: neige, pluie, grésil, etc. La climatologie des modèles est soustraite du total des précipitations prévues pour determiner les anomalies prévues. Les anomalies des  modèles sont ensuite combinées en utilisant une simple moyenne normalisée puis mise sous forme de catégories (au-dessus, près et sous la normale)comme pour la prévision de la température.

Références

Côté, J., S. Gravel, A. Méthot, A. Patoine, M. Roch, and A. Staniforth, 1998: The operational CMC-MRB Global Environmental Multiscale (GEM) model: Part I - Design considerations and formulation, Mon. Wea. Rev., 126, 1373-1395. [article]

Derome J., G. Brunet, A. Plante, N. Gagnon, G. J. Boer, F. W. Zwiers, S. J. Lambert, J. Sheng, et H. Ritchie, 2001: Seasonal Predictions Based on Two Dynamical Models.Atmos. Ocean., 39, 485-501. [article] (Nécessite Acrobat Reader pour voir)

Kharin, V. V. et F. W. Zwiers, 2001: Skill as a function of time scale in ensemble of seasonal hindcasts. Climate Dynamics, 17, 127-141. [résumé]

Kharin, V.V ., F. W. Zwiers et N. Gagnon, 2001: Skill of seasonal hindcasts as a function of the ensemble size. Climate Dynamics, 17, 835-843. [résumé]

McFarlane, N.A., G.J. Boer, J.-P. Blanchet et M. Lazare. 1992: The Canadian Climate Centre second-generation general circulation model and its equilibrium climate. J. Climate, 5, 1013-1044. [résumé]

Plante A. et N. Gagnon, 2000: Numerical Approach to Seasonal Forecasting. In the "Proceedings of the sixth workshop on operational meteorology", Halifax, Novembre 1999, 162-165. (Nécessite Acrobat Reader pour voir)