Prévisions d'ensemble à l'échelle saisonnière : mise en place d'une dynamique stochastique

par Lauriane Saunier-Batté

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Marc Bocquet.

Le président du jury était Francisco Doblas-Reyes.

Le jury était composé de Marc Bocquet, Michel Déqué, Nicholas Hall, Fabio D'Andrea.

Les rapporteurs étaient Laurent Terray.


  • Résumé

    La prévision d'ensemble à l'échelle saisonnière avec des modèles de circulation générale a connu un essor certain au cours des vingt dernières années avec la croissance exponentielle des capacités de calcul, l'amélioration de la résolution des modèles, et l'introduction progressive dans ceux-ci des différentes composantes (océan, atmosphère, surfaces continentales et glace de mer) régissant l'évolution du climat à cette échelle. Malgré ces efforts, prévoir la température et les précipitations de la saison à venir reste délicat, non seulement sur les latitudes tempérées mais aussi sur des régions sujettes à des aléas climatiques forts comme l'Afrique de l'ouest pendant la saison de mousson. L'une des clés d'une bonne prévision est la prise en compte des incertitudes liées à la formulation des modèles (résolution, paramétrisations, approximations et erreurs). Une méthode éprouvée est l'approche multi-modèle consistant à regrouper les membres de plusieurs modèles couplés en un seul ensemble de grande taille. Cette approche a été mise en œuvre notamment dans le cadre du projet européen ENSEMBLES, et nous montrons qu'elle permet généralement d'améliorer les rétro-prévisions saisonnières des précipitations sur plusieurs régions d'Afrique par rapport aux modèles pris individuellement. On se propose dans le cadre de cette thèse d'étudier une autre piste de prise en compte des incertitudes du modèle couplé CNRM-CM5, consistant à ajouter des perturbations stochastiques de la dynamique du modèle d'atmosphère ARPEGE-Climat. Cette méthode, baptisée “dynamique stochastique”, consiste à introduire des perturbations additives de température, humidité spécifique et vorticité corrigeant des estimations d'erreur de tendance initiale du modèle. Dans cette thèse, deux méthodes d'estimation des erreurs de tendance initiale ont été étudiées, basées sur la méthode de nudging (guidage) du modèle vers des données de référence. Elles donnent des résultats contrastés en termes de scores des rétro-prévisions selon les régions étudiées. Si on estime les corrections d'erreur de tendance initiale par une méthode de nudging itéré du modèle couplé vers les réanalyses ERA-Interim, on améliore significativement les scores sur l'hémisphère Nord en hiver en perturbant les prévisions saisonnières en tirant aléatoirement parmi ces corrections. Cette amélioration est accompagnée d'une nette réduction des biais de la hauteur de géopotentiel à 500 hPa. Une rétro-prévision en utilisant des perturbations dites“optimales” correspondant aux corrections d'erreurs de tendance initiale du mois en cours de prévision montre l'existence d'une information à l'échelle mensuelle qui pourrait permettre de considérablement améliorer les prévisions. La dernière partie de cette thèse explore l'idée d'un conditionnement des perturbations en fonction de l'état du modèle en cours de prévision, afin de se rapprocher si possible des améliorations obtenues avec ces perturbations optimales

  • Titre traduit

    Ensemble predictions at the seasonal time scale : implementation of a stochastic dynamics technique


  • Résumé

    Over the last twenty years, research in ensemble predictions at a seasonal timescale using general circulation models has undergone a considerable development due to the exponential growth rate of computing capacities, the improved model resolution and the introduction of more and more components (ocean, atmosphere, land surface and sea-ice) that have an impact on climate at this time scale. Regardless of these efforts, predicting temperature and precipitation for the upcoming season is a difficult task, not only over mid-latitudes but also over regions subject to high climate risk, like West Africa during the monsoon season. One key to improving predictions is to represent model uncertainties (due to resolution, parametrizations, approximations and model error). The multimodel approach is a well-tried method which consists in pooling members from different individual coupled models into a single superensemble. This approach was undertaken as part of the European Commission funded ENSEMBLES project, and we find that it usually improves seasonal precipitation re-forecasts over several regions of Africa with respect to individual model predictions. The main goal of this thesis is to study another approach to addressing model uncertainty in the global coupled model CNRM-CM5, by adding stochastic perturbations to the dynamics of the atmospheric model ARPEGE-Climat. Our method, called “stochastic dynamics”, consists in adding additive perturbations to the temperature, specific humidity and vorticity fields, thus correcting estimations of model initial tendency errors. In this thesis, two initial tendency error estimation techniques were studied, based on nudging the model towards reference data. They yield different results in terms of re-forecast scores, depending on the regions studied. If the initial tendency error corrections are estimated using an iterative nudging method towards the ERA-Interim reanalysis, seasonal prediction scores over the Northern Hemisphere in winter are significantly improved by drawing random corrections. The 500 hPa geopotential height is also clearly reduced. A re-forecast using “optimal” perturbations drawn within the initial tendency error corrections from the current forecast month shows that useful information at a monthly timescale exists, and could allow significant forecast improvement. The last part of this thesis focuses on the idea of classifying the model perturbations according to its current state during the forecast, in order to take a step closer (if possible) to the improvements noted with these optimal perturbations


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