NOAA GFS

Soixante-dix ans de prévision numérique américaine

Le GFS descend des toutes premières prévisions numériques opérationnelles. En 1954, le Weather Bureau américain, l'armée de l'air et la marine ont fondé la Joint Numerical Weather Prediction Unit ; elle a installé un IBM 701 en mars 1955 et choisi le modèle de Princeton à trois niveaux de Jule Charney, mais ce n'est qu'à partir de 1958, avec un modèle plus simple sur un IBM 704 plus puissant, que ses prévisions sont devenues utiles. En janvier 1958, l'unité a fusionné avec le National Weather Analysis Center pour former le National Meteorological Center, devenu les National Centers for Environmental Prediction (NCEP) en octobre 1995.

L'ancêtre direct du modèle actuel est le modèle spectral mondial mis en service en août 1980, à une résolution d'environ 375 km avec 12 niveaux ; spectral signifie que les champs étaient décrits comme des sommes d'ondes autour du globe plutôt que comme des valeurs sur une grille. Pendant deux décennies, il a tourné sous deux noms : l'AVN, quatre fois par jour jusqu'à environ cinq jours, et le MRF, la prévision à moyenne échéance une fois par jour jusqu'à environ deux semaines. En 2002, le nom Global Forecast System a remplacé les deux, pour ce qui était devenu un seul run quatre fois par jour jusqu'à 16 jours.

Le GFS spectral s'est affiné pas à pas, d'environ 55 km en 2002 à une version semi-lagrangienne en T1534, environ 13 km, en janvier 2015 ; en 2007, son analyse est passée au code GSI encore utilisé aujourd'hui. En juillet 2016, la NOAA a choisi un nouveau cœur dynamique, le cœur du modèle qui calcule le vent et la pression : FV3, développé à son Geophysical Fluid Dynamics Laboratory de Princeton, en gardant le nom GFS. Le GFS v15, première version FV3, est devenu opérationnel le 12 juin 2019, premier changement du cœur dynamique du modèle en près de 40 ans.

Le GFS v16, opérationnel depuis le 22 mars 2021, a doublé le nombre de couches verticales de 64 à 127, relevé le sommet du modèle de 54 à 80 km, renouvelé le schéma de turbulence et fait entrer le modèle mondial de vagues dans le GFS. Il est toujours la version opérationnelle en octobre 2026, sous forme de versions de maintenance 16.3.x. Son successeur, le GFS v17, a été proposé en avril 2026 pour octobre 2026 : environ 9 km, couplé à un modèle d'océan, de glace de mer et de vagues, avec une nouvelle assimilation bâtie sur le cadre JEDI ; au 22 octobre 2026, la NOAA n'avait pas encore annoncé sa date de mise en service.

Le modèle : FV3 sur une sphère cubique

FV3 signifie volumes finis sur sphère cubique. Imaginez un cube gonflé jusqu'à ce que ses faces couvrent le globe : chacune des six faces est découpée en grille, et dans la grille C768 du GFS chaque face compte 768 mailles sur 768, distantes d'environ 13 km. Cela évite le resserrement des méridiens aux pôles qui gêne les grilles en latitude-longitude. Volumes finis signifie que le modèle suit la quantité d'air, de chaleur et d'humidité qui traverse les parois de chaque maille, si bien que la masse est conservée exactement.

Le cœur est non hydrostatique : il ne suppose pas que le mouvement vertical est négligeable, ce qui compte pour la convection forte. Sur la verticale, il utilise 127 couches de la surface jusqu'à environ 80 km, plus serrées près du sol, là où se forme le vent que sent le marin. Comme le GFS est mondial, il n'a pas de frontières latérales : ce qui sort d'un côté de la grille rentre simplement sur une autre face.

Tout ce qui est plus petit qu'une maille est paramétré, c'est-à-dire représenté par des règles simplifiées nourries par les champs résolus. Averses et orages viennent d'un schéma de convection en flux de masse de la famille Arakawa-Schubert ; nuages et pluie de la microphysique du GFDL, qui porte plusieurs sortes d'eau et de glace nuageuses ; la turbulence près de la surface d'un schéma adapté à l'échelle, fondé sur l'énergie cinétique turbulente et le flux de masse, introduit avec la v16. Le rayonnement utilise le code RRTMG, les sols le modèle de surface Noah, et un schéma de température proche de la surface de la mer laisse le haut de l'océan se réchauffer le jour et se refroidir la nuit.

À 13 km, le GFS résout les fronts, les dépressions et les grands traits des alizés et des moussons, mais pas les grains isolés, les brises de mer dans les baies étroites ni la canalisation du vent entre les îles et dans les détroits. Les reliefs sont lissés à la grille, si bien qu'une crête de 2 000 m sur une petite île peut n'apparaître que comme une bosse. Le modèle de vagues WAVEWATCH III tourne à l'intérieur du GFS, poussé par ses vents sans rétroagir sur l'atmosphère.

Des observations aux fichiers GRIB

Chaque run part d'une analyse produite par le Global Data Assimilation System (GDAS), qui fond une courte prévision du GFS avec les observations des satellites, radiosondages, avions, navires, bouées et stations terrestres. Sa méthode, dite 4D-EnVar hybride, cherche l'état de l'atmosphère qui colle le mieux à la fois aux observations, réparties sur une fenêtre de temps, et à la prévision de départ ; les erreurs qu'elle attend de cette prévision viennent en partie d'une statistique fixe et surtout d'un ensemble de 80 courtes prévisions à environ 25 km. Le calcul est fait par le code Gridpoint Statistical Interpolation (GSI) des NCEP.

Rapidité et complétude tirent en sens contraire, donc les NCEP font deux analyses par cycle. La prévision du GFS part d'une analyse précoce, faite peu après l'heure du cycle pour que la prévision arrive vite aux utilisateurs ; le GDAS attend plus longtemps les observations tardives, et son analyse plus complète prépare le cycle suivant. Depuis la v16, la correction apportée par l'analyse est répartie peu à peu sur les premières heures de la prévision au lieu d'être ajoutée d'un coup, ce qui évite un choc au démarrage.

Les runs de 00, 06, 12 et 18 UTC sont calculés sur WCOSS2, les deux supercalculateurs jumeaux HPE Cray de la NOAA, Cactus et Dogwood, à Phoenix (Arizona) et Manassas (Virginie), en service depuis juin 2022 à 12,1 pétaflops chacun ; l'un fait la production pendant que l'autre se tient prêt. Chaque run prévoit 16 jours, écrits toutes les heures jusqu'à 120 h et toutes les 3 heures au-delà. En juillet 2026, la NOAA a annoncé qu'elle déplacerait ces opérations, GFS compris, vers Google Cloud à partir de début 2027, le transfert devant s'achever en décembre 2027.

La sortie est publiée en GRIB2 sur des grilles régulières, la plus fine à 0,25 °, sur NOMADS, le NOAA Operational Model Archive and Distribution System, qui permet aussi de découper une région et quelques variables. Comme information produite par le gouvernement américain, elle est du domaine public : gratuite, pour tout usage légal, y compris commercial, à condition de ne pas la présenter comme un document officiel de la NOAA une fois modifiée.

Le GFS en mer

Gratuit et sans restriction depuis des décennies, le GFS est devenu le GRIB par défaut de nombreux marins hauturiers, souvent le premier fichier téléchargé par liaison satellite. Ses pas horaires jusqu'à cinq jours et sa portée de 16 jours couvrent toute une traversée, et pour la grande image, la position de l'anticyclone des Açores, la trajectoire d'une dépression à travers l'Atlantique, l'étendue des alizés, c'est une référence solide.

Ses limites sont celles d'un modèle mondial à 13 km. Près de la côte, il manque les brises de mer, l'accélération du vent autour des caps et sa canalisation dans les détroits, et le calme sous le vent d'une île haute ; les grains sous une ligne de nuages tropicaux sont moyennés en un vent régulier. Dans un cyclone tropical, il donne une trajectoire utile, mais une grille de 13 km ne peut contenir le cœur serré d'un ouragan intense, si bien que le vent maximal est en général trop faible.

L'évaluation par les NCEP de la v15 avait trouvé qu'elle avait tendance à déplacer les systèmes météo trop vite et qu'elle était moins habile sur la trajectoire des cyclones tropicaux intenses, deux défauts que la v16 a réduits. Comme le GFS part de sa propre analyse, faite avec d'autres méthodes que celle de l'ECMWF, ses erreurs sont largement indépendantes de celles de l'IFS et de l'AIFS, qui partagent une analyse. C'est donc la première comparaison naturelle : quand le GFS et l'IFS s'accordent sur une route, la prévision est probablement solide ; quand ils divergent, le moment d'un front ou la position d'une dépression est incertain, et le choix de route doit laisser de la place aux deux.

Le GFS dans Saily WR

Saily WR télécharge chaque nouveau run du GFS sur NOMADS dès sa publication, quatre fois par jour, sur la grille de 0,25 ° : le vent à 10 m, en composantes est-ouest et nord-sud, toutes les heures jusqu'à 120 h puis toutes les 3 heures jusqu'à 384 h, 16 jours à l'avance. Avec le NOAA AIGFS, c'est le modèle de plus long horizon de l'application, et comme il est mondial, chaque route a sa version GFS.

La route par isochrones est naviguée selon la polaire de votre bateau dans ce vent, interpolé dans l'espace entre les points de grille et dans le temps entre les pas, et elle est affichée à côté des routes de tous les autres modèles qui couvrent votre départ et votre arrivée. Le courant et l'évitement des terres que vous choisissez s'y appliquent exactement comme aux autres. La page Données montre en direct sur quel run du GFS l'application se trouve et jusqu'où il porte.

Au-delà d'une dizaine de jours, une route GFS renseigne plus sur la situation générale que sur le tracé exact. Lisez ses derniers jours comme une esquisse, comparez-la aux routes IFS et AIFS, qui s'arrêtent à 15 jours, et recalculez à l'arrivée des nouveaux runs.