B.14 - Prévisions météorologiques – Méthode des analogues hydrométéorologiques

Présentation de la méthode

Le moyen le plus simple de décrire le principe d’analogie est de faire un parallèle avec le comportement d’un prévisionniste en météorologie : grâce à son expérience et à sa mémoire, il associe instinctivement une situation météorologique prévue à des situations passées sensiblement similaires. Cette démarche devenue finalement habituelle pour le prévisionniste expérimenté, repose sur l’hypothèse que deux situations météorologiques similaires doivent engendrer des effets locaux du même ordre.

Principe de la méthode

Le constat de départ est que la pluie est une variable difficile à prévoir par les modèles météorologiques. La prévision des variables synoptiques (pression, vent, température) par les modèles est bien plus performante que celle des précipitations. L’intérêt de la méthode réside dans l’utilisation de ce constat, à savoir l’utilisation des variables synoptiques pour en déduire les précipitations à partir du principe d’analogie.

La méthode suit la démarche suivante : les prévisions synoptiques du modèle météorologique sont récupérées. On recherche ensuite dans une archive météorologique les situations synoptiques passées similaires. Pour réaliser cette comparaison, il est nécessaire de déterminer les variables sur lesquelles sera faite la comparaison et le critère d’analogie permettant de déterminer la proximité ou non de deux situations. Le premier critère d’analogie utilisé s’applique à la forme des champs de pressions (1000 hPa à 12 h et 500hPa à 24 h). Le second utilise une information plus locale via deux variables : l’humidité relative à 850 hPa et l’eau précipitable prise à 12 h et 24 h TU. Il permet de retenir les situations dont la quantité d’humidité présente dans la troposphère est équivalente à celle de la situation cible.

L’ensemble des précipitations observées lors de ces dates analogues permet d’obtenir une courbe de fréquence cumulée empirique. Il est alors possible de déterminer des quantiles de précipitations. Ces courbes de fréquence sont élaborées pour chaque échéance de prévision.

Ainsi la méthode des analogues hydrométéorologiques fournit des prévisions probabilistes quantitatives de précipitations journalières de J à J+6. Cette méthode est aujourd'hui utilisée en opérationnel aux SPC Alpes du Nord, Loire, Cher Indre et Allier, à EDF et à la Compagnie nationale du Rhône. Les plate-formes opérationnelles utilisent des versions légèrement différentes : modèle météorologique utilisé, variables d'analogie (modèle utilisant ou non la variable d'humidité), nombre de dates analogues, choix de la date ou de la variable température pour la limitation de la plage de recherche de dates analogues...

Principales limitations

La limitation principale provient de la longueur des archives utilisées. Les situations analogues sont recherchées sur la période commune aux périodes couvertes par les archives de lames d’eau et de variables météorologiques. Si cette période n’est pas assez longue, il sera alors difficile de trouver des situations suffisamment analogues notamment pour les situations météorologiques les plus rares.

Par ailleurs, les champs des variables d’analogie étant prévus par un modèle, il est nécessaire de travailler avec des variables d’analogie robustes, dont la prévision doit dépendre le moins possible du modèle.

Enfin, la performance d’une prévision par analogie est également limitée par la résolution des champs de variables d’analogie. Les phénomènes se produisant à une échelle inférieure à la résolution des champs ne peuvent être expliqués par des variables atmosphériques. Ainsi, la convection isolée à l’échelle du kilomètre ne peut être anticipée par une technique d’analogie.

Évaluation des prévisions analogues

Une évaluation de la méthode des analogues hydrométéorologiques utilisée en opérationnel a été réalisée au SPC Alpes du Nord (R. Janet 2010) puis au SPC LCI (A. Godart 2011). La période d’analyse est août 2008 – juin 2011.

Outils d'analyse

Les évaluations de prévisions hydrométéorologiques dépendent de l’objectif du système de prévision. Pour la mise en vigilance, l’objectif est de connaître la capacité à émettre de bonnes alertes et à éviter les fausses alertes. Les scores usités proviennent alors du tableau de contingence (fiche D.07). Les prévisions probabilistes sont transformées en prévisions déterministes via le choix d’un quantile comme indicateur d’alerte. Un événement sera un dépassement de seuil de pluie ou non. Remplir le tableau de contingence consiste alors à compter le nombre de fois où l’événement a été observé ou non en fonction du nombre de fois où il avait été prévu ou non. À partir de ce tableau, il est possible de calculer plusieurs scores : la probabilité de détection (POD), le taux de fausses alertes (FAR) et l’indice de réussite (H).

Évaluation de la méthode sur la Loire amont sur la période 2008 – 2011

La méthode des analogues hydrométéorologiques est appliquée sur 4 bassins du territoire du SPC LCI : la Loire à Goudet (441 km²), la Loire à Chadrac (1 331 km²), la Loire à Bas en Basset (1 647 km²), le Lignon du Velay (709 km²).

Les précipitations analysées sont celles correspondant aux quantiles q20 %, q60 % et q90 % et la valeur maximale de pluie prévue. Les seuils de pluie considérés sont 0,2 mm (seuil de détection pluie/non pluie), 2 mm, 10 mm, 20 mm et 50 mm .

La probabilité de détection (POD) diminue avec l'échéance, surtout au-delà de 3 jours. La prévisio de dépassement du seuil de 10 mm par le quantile q60 % correspond à un dépassement effectif dans 40 à 60 % des cas pour les bassins étudiés pour les échéances J à J+3.

Le taux de fausses alertes (FAR) augmente avec l'échéance de prévision, surtout au-delà de J+3. Il est d'environ 50 % pour le seuil de 10 mm pour les bassins étudiés.

L'indice de réussite diminue avec l'échéance de prévision. Il augmente avec le seuil de pluie ce qui signifie que la méthode est plus performante pour détecter les fortes pluies. Les scores du modèle avec humidité sont légèrement supérieurs à ceux du modèle sans humidité. Les quantiles q60 % et q90 % sont les mieux adaptés pour les seuils de pluie 10 et 20 mm.

  Exemple 1 (événement pluvieux du 30 et 31 octobre 2010). Les 30 et 31 octobre 2010, un épisode méditerranéen s’est abattu sur le sud de la France. Les précipitations intenses ont débordé les crêtes du Massif central, entraînant des cumuls importants sur les hauts bassins de la Loire.

Pour l’ensemble des bassins, la méthode des analogues hydrométéorologiques a bien détecté un événement pluvieux pour le 30 octobre, dès le 25 octobre. Cet événement a été confirmé par les prévisions des jours suivant, avec un allongement de la durée de l’événement prévu. En ce qui concerne les valeurs des quantiles, ce sont plutôt les valeurs du modèle avec humidité qui correspondent aux observations pour les prévisions de J-2 à J.

Conclusions

La méthode des analogues hydrométéorologiques apporte un complément d'information utile par rapport aux prévisions quantitatives expertisées actuellement produites par Météo France via le système des bulletins de précipitation.

Elle permet de détecter avec plusieurs jours d'avance la survenue d'un événement pluvieux intense et étendu et apporte une estimation probabiliste quantitative des lames d'eau sur les bassins couverts par cette méthode.

Le taux de détection et le taux de fausses alertes en cas de fortes précipitations sont de l'ordre de 50 %. En ce qui concerne les estimations quantitatives de précipitation, les quantiles q60 %, et q90 % sont les mieux adaptés. Ils permettent de générer plusieurs scénarios de pluie future pour l'analyse du risque de mise en vigilance.

Voir également

Fiche D.07 – Taux de fausses alertes et d’événements manqués

Pour aller plus loin

DREAL Centre, Service Hydrométrie et Prévision des Étiages et des Crues (octobre 2011). Évaluation d'un modèle de prévision de précipitations sur la Loire Amont.