Assimilation de réseau lidar vapeur d'eau – WaLiNeAs

Pour combler le manque d'observation qui empêche des prévisions plus précises des EFP dans le sud de la France, nous visons à mettre en œuvre un outil de prévision intégré, en couplant les mesures des profils de vapeur d'eau du réseau de lidar et un modèle de prévision numérique du temps pour estimer précisément la quantité, le moment et la localisation des précipitations associées aux EFP dans le sud de la France. Le projet d'assimilation du réseau de lidars de vapeur d'eau (WaLiNeAs) déploiera pendant 3 mois un réseau de 6 lidars Raman autonomes de vapeur d'eau autour de la Méditerranée occidentale pour fournir des mesures avec une haute résolution verticale et une grande précision qui seront assimilées dans le modèle français Application de la Recherche aux Opérations à Mésoéchelle (AROME-France), en utilisant une approche d'ensemble-variationnelle quadridimensionnelle avec des mises à jour de 15 minutes. Cet outil de prévision intégré devrait améliorer la capacité du modèle à prévoir les EFP à l'échelle kilométrique sur le sud de la France jusqu'à 48 heures à l'avance. La campagne de terrain devrait commencer début septembre 2022, afin de couvrir la période la plus propice aux événements de fortes précipitations dans le sud de la France. Le réseau de lidar Raman VE sera exploité par un consortium de groupes de recherche français, allemands, italiens et espagnols.

Le réseau lidar VE proposé a été conçu pour prendre en compte toutes les sources VE pertinentes et les modèles de transport connus pour contribuer à la génération des EFP dans le sud de la France. Ce réseau visera à démontrer l'avantage de l'assimilation de données VE résolues verticalement dans le système opérationnel de PNT AROME-France, d'une taille de grille de 1,3 km, qui permet l'assimilation de données variationnelles d'ensemble pour la prévision à l'échelle kilométrique de fortes précipitations sur le sud-est de la France. Le système d'assimilation de données variationnelles d'ensemble disponible depuis 2022 produira des analyses horaires et sera exploité avec un cycle de mise à jour rapide d'assimilation de nouvelles observations
au moins toutes les 15 minutes.

Le bénéfice de WaLiNeAs pour les communautés académiques et opérationnelles est double : faire progresser la connaissance des processus en jeu dans le cycle de vie des EPP et améliorer la prévisibilité des EFP dans le sud de la France à des échelles pertinentes pour les études météorologiques.

Pour l'assimilation en temps quasi-réel, les 6 lidars Raman fourniront des profils moyennés sur 15 minutes avec une résolution verticale de 100 m et une erreur quadratique moyenne ciblée de 0,4 g kg-1 dans les 2-3 premiers kilomètres, de jour comme de nuit. De plus, les incertitudes statistiques de ces profils ainsi que la variance atmosphérique seront fournies. La séquence d'acquisition, de traitement et de transmission du profil VE devrait durer plus de 25 minutes.

La campagne WaLiNeAs sera menée à l'automne 2022. Néanmoins, nous fournissons ci-dessous une description de ce qui a été fait jusqu'à présent (fin août 2022).

1- Positionnement des stations du réseau de lidars vapeur d’eau en Méditerranée occidentale:
Les discussions au sein du consortium ont conduit à repositionner certains des sites de déploiement des systèmes lidar par rapport à ce qui était initialement prévu dans la proposition, et une modification par rapport à la description faite du réseau dans la publication de Flamant et al. (2021). Les modifications ont été notamment proposées sur la base d’une analyse récente faite par le CNRM sur 2 HPE de 2021.

2- Développements des deux lidar Raman Vapeur d’Eau du LSCE:
Les deux lidars, HORUS-1 et HORUS-2 ont été intégré au LSCE début juillet 2022, et sont en cours de tests (voir Annexe A). Jérémy Lagarrigue, SupOpticien et IE recruté au LSCE pour 12 mois en 2021-2022 et financé par le projet, participe activement au développement des 2 systèmes lidar. Il participera également à la mise en place des lidars du LSCE (HORUS-1, HORUS-2 et WALI) du réseau WaLiNeAs dans la phase initiale de la campagne de terrain à l’automne 2022.

3- Harmonisation des fichiers de données de vapeur d’eau pour l’ensemble des lidars de WaLiNeAs:
Suite à l’écriture du Data Management Plan, le consortium s’est mis d’accord pour définir un format commun pour l’écriture des données de profil de rapport de mélange de vapeur d’eau issus de chacun des 6 systèmes lidar participant à WaLiNeAs. Ce fichier type NetCDF au format unique sera produit 4 fois par heure et mis à disposition de Météo-France via un site ftp dédié mis en place à Météo-France. Il est primordial de pouvoir disposer d'observations valides toutes les 15 minutes à assimiler dans le 4DEnvar Arome comme c'est le cas pour les autres observations comme les radars, SEVIRI sur MSG, les GPS sols ou les stations de surface. Un fichier type sera mis à la disposition de l’équipe du CNRM avant le début de la campagne, au moment du recrutement du post-doc qui travaillera à l’assimilation des observations lidar dans Arome-France.

4- Mise en place de la chaîne de monitoring des données en quasi-temps réel:
Le candidat recruté au 1er juin et financé par le projet, Guillaume Thomas, est déjà formé aux outils pour commencer à travailler sur le sujet. Le post-doc devra mettre en œuvre la chaîne de monitoring des données en temps réel, incluant une étape de transformation des fichiers NetCDF en données utilisables par les outils AROME. Il a déjà construit un prototype d'une telle chaîne qui tourne déjà en temps réel et qui utilise pour l'instant des pseudo-observations LIDAR (fabriquées par perturbation de l'ébauche AROME). Cette chaîne inclue une correction tenant compte de l’atténuation du faisceau lidar par les gaz et les aérosols et va jusqu'à la mise à disposition quotidienne de graphiques sur les statistiques de monitoring.

Les progrès dans l'utilisation des données lidar de vapeur d'eau dans l'assimilation en temps quasi-réel dans les modèles de PNT amélioreront la capacité des prévisionnistes à anticiper les EFP dans les sorties de PNT à l'échelle kilométrique. Les résultats du projet seront présentés aux prévisionnistes des services météorologiques impliqués dans HyMeX en France, Italie et Espagne, ainsi qu'aux étudiants de l'Ecole Nationale de Météorologie de Toulouse (ENM) et aux participants de l'initiative MedLab. Les résultats seront également présentés aux étudiants du Master2 «Océan-Atmosphère et Surfaces Continentales« (Univ. P. Sabatier, Toulouse) et du Master1 «Atmosphère Océan Continent« (Univ. P. Sabatier, Toulouse) et au Master «Océan, Atmosphère, Climat et Observations Spatiales« (Sorbonne Université). Les vidéos qui seront réalisées à partir de simulations numériques constitueront un excellent outil pédagogique. De plus, plusieurs mémoires de master seront proposés à ces étudiants au cours du projet dans les différents domaines du projet.

Ce projet contribuera de manière significative aux objectifs scientifiques du CES04 « Innovations scientifiques et technologiques pour accompagner la transition écologique « par le développement de systèmes lidar Raman tout temps, non surveillés, robustes et opérationnels pour la surveillance intelligente de l'environnement, et du VE en particulier. Le projet WaLiNeAs vise à développer le banc d'essai d'un outil de prévision intégré, couplant des mesures en réseau de profils de VE et un modèle de prévision météorologique pour estimer précisément l'eau précipitable en amont d'un événement 24 à 48 heures à l'avance dans le sud de la France. Ce projet est très innovant et jettera les bases d'un futur outil d'alerte intégré visant à prévenir les risques naturels associés aux événements de fortes précipitations tels qu'ils se produisent souvent le long du littoral méditerranéen. Une fois la preuve de concept validée dans le cadre du projet WaLiNeAs, des outils intégrés similaires pourront être appliqués dans d'autres régions du monde pour éviter des risques naturels similaires. Le projet contribuera également aux objectifs scientifiques du CES01 « Milieux et biodiversité : Terre fluide et solide «, c'est-à-dire l'amélioration de notre compréhension des processus liés au cycle de vie de la convection et la caractérisation de la zone critique dans le sud de la France et dans d'autres régions touchées par de fortes précipitations. Il conduira à des recommandations sur le traitement des données lidar pour une future exploitation opérationnelle dans les systèmes de prévision numérique du temps. Dans l'ensemble, le projet contribuera à augmenter la précision des prévisions de précipitations quantitatives afin de satisfaire les demandes de la société en termes de quantité, de moment et de localisation des précipitations et des crues soudaines dans les bassins.

C. Flamant, P. Chazette, O. Caumont, P. Di Girolamo, A. Behrendt, M. Sicard, J. Totems, D. Lange, N. Fourrié, P. Brousseau, C. Augros, A. Baron, M. Cacciani, A. Comerón, B. De Rosa, V. Ducrocq, P. Genau, L. Labatut, C. Muñoz-Porcar, A. Rodríguez-Gómez, D. Summa, R. Thundathil and V. Wulfmeyer, 2021: A network of water vapor Raman lidars for improving heavy precipitation forecasting in southern France – Introducing the WaLiNeAs initiative, Bull. Atmos. Sci. Tech., 2, 10, doi.org/10.1007/s42865-021-00037-6

Les épisodes de précipitations extrêmes (EPE) constituent une menace pour la vie humaine mais restent difficiles à prévoir. Des efforts considérables ont été déployés ces dernières années pour améliorer la qualité des prévisions relatives à ces événements graves et des progrès significatifs ont été réalisés grâce à la mise au point de systèmes de prévision numérique météorologique (SPNM) résolvant explicitement la convection profonde. Toutefois, notre capacité à prévoir ces événements à fort impact reste limitée en raison du manque d'observations de vapeur d’eau (VE) à haute fréquence et haute résolution dans la basse troposphère (en dessous de 3 km).

Nous avons pour objectif de mettre en place un outil de prévision intégré, couplant les mesures du réseau de profils de VE et un SPNM pour estimer précisément la quantité, le moment et l'emplacement des précipitations associées aux EPE dans le sud de la France (région frappée par environ 7 EPE par an pendant l'automne).

Le projet WaLiNeAs proposé est une initiative unique et innovante qui permettra pour la toute première fois d'assimiler des profils de VE à haute résolution verticale mesurés par lidars dans les 3 premiers kilomètres de la troposphère. L'avantage de WaLiNeAs pour les communautés académiques et opérationnelles est double : faire progresser les connaissances sur les processus dynamiques et complexes qui contrôlent le cycle de vie des EPE et améliorer la prévisibilité des EPE dans le sud de la France à des échelles pertinentes pour les études météorologiques.

Un réseau de 5 lidars Raman VE autonomes sera déployé en Méditerranée occidentale pour fournir des mesures à haute résolution verticale, comblant ainsi les lacunes critiques des observations de VE dans la basse troposphère par les réseaux opérationnels et satellites actuels. Le traitement en temps quasi réel et l'assimilation d'ensemble des données de VE dans le modèle opérationnel français AROME (Application of Research to Operations at MEsoscale), utilisant une approche 4DEnVar avec des mises à jour de 15 minutes, devrait améliorer la capacité du modèle à prévoir les EPE à l'échelle kilométrique dans le sud de la France 48 heures à l'avance.

La campagne de terrain devrait commencer début septembre 2022, pour couvrir la période la plus propice aux fortes précipitations dans le sud de la France. Le réseau de lidar VE sera exploité par un consortium de groupes de recherche français, allemands et italiens. Les données Lidar seront mises à la disposition de Météo-France peu après avoir été acquises et jusqu'à 96 fois par jour.

Outre la démonstration du potentiel d'assimilation des données VE lidar dans un contexte opérationnel en temps quasi réel, un objectif auxiliaire du projet est également de montrer que les lidars Raman peuvent être laissés en fonctionnement continu, sans surveillance pendant une période d'au moins 3 mois. Il s'agit d'une condition préalable dans la perspective du déploiement futur de systèmes lidar Raman opérationnels destinés à combler les lacunes d'observation en VE dans la basse troposphère. Ce projet aboutira à des recommandations sur le traitement des données lidar en vue d'une exploitation opérationnelle future dans les SPNM.

Ce projet contribuera de manière significative aux objectifs scientifiques du CES04 «Innovations scientifiques et technologiques pour accompagner la transition écologique» à travers le développement de systèmes lidar Raman pour une surveillance intelligente de l'environnement, en tout temps, sans surveillance et continue, en particulier pour la VE. Ce projet est très innovant et jettera les bases d'un futur outil d'alerte intégré visant à prévenir les risques naturels associés aux fortes précipitations, comme par exemple le long du littoral méditerranéen. Une fois la preuve de concept validée dans le cadre du projet WaLiNeAs, des outils intégrés similaires pourront être appliqués dans d'autres parties du monde pour éviter des risques naturels similaires.