ICON

De GME à ICON

Le Deutscher Wetterdienst (DWD), le service météorologique national allemand installé à Offenbach, fait tourner un modèle global sur grille icosaédrique depuis décembre 1999. Ce modèle, GME, fut le premier modèle opérationnel à découper le globe en mailles construites à partir d'un icosaèdre, un solide à 20 faces triangulaires, plutôt qu'en cases de latitude et de longitude qui se resserrent aux pôles. Ses mailles étaient des hexagones, sa grille d'environ 20 km et ses équations hydrostatiques, c'est-à-dire qu'elles négligeaient les accélérations verticales : un raccourci acceptable à cette échelle, mais qui ferme la porte aux mailles fines.

ICON, pour ICOsahedral Nonhydrostatic (icosaédrique non hydrostatique), a été développé conjointement par le DWD et l'Institut Max-Planck de météorologie de Hambourg comme un cadre unique pour la prévision du temps et le climat. Ses concepteurs voulaient une conservation exacte de la masse, la possibilité d'affiner la grille sur une région et des équations valables jusqu'au kilomètre et en dessous. ICON est devenu le modèle global opérationnel du DWD le 20 janvier 2015, à la place de GME, avec une grille de 13 km et 90 niveaux. Une région affinée sur l'Europe, ICON-EU, a été ajoutée à l'été 2015 et tourne en routine depuis le 21 juillet 2015, en remplacement du modèle régional COSMO-EU.

Le système a grandi pas à pas depuis. En janvier 2016, l'analyse est passée du 3D-Var à un schéma hybride ensembliste-variationnel ; en janvier 2018, l'ensemble global ICON-EPS à 40 membres est entré en service ; le 10 février 2021, ICON-D2, une version à aire limitée d'environ 2 km sur l'Allemagne et ses voisins, a remplacé COSMO-D2, si bien que toute la chaîne de prévision du DWD repose désormais sur ICON. En novembre 2022, le modèle global est passé de 90 à 120 niveaux et le zoom européen de 60 à 74, la plupart des nouveaux niveaux étant placés dans la stratosphère, tandis que l'ensemble passait d'environ 40 à environ 26 km.

Aujourd'hui, ICON est développé par le DWD, l'Institut Max-Planck de météorologie, le centre de calcul climatique allemand (DKRZ), MeteoSuisse et l'Institut de technologie de Karlsruhe. MeteoSuisse s'en sert aussi pour ses prévisions, et l'Institut Max-Planck en a fait le cœur de son modèle de climat. Son code source est publié sous licence libre depuis le 31 janvier 2024.

Des triangles, un cœur non hydrostatique et 120 niveaux

La grille d'ICON part d'un icosaèdre projeté sur la sphère. Chaque arête de ses 20 triangles est d'abord divisée en n parties égales (la division « racine », Rn), puis les triangles obtenus sont coupés en quatre k fois en joignant les milieux de leurs côtés (les bissections, Bk). La grille globale, R3B07, compte 2 949 120 triangles d'une taille moyenne de 13,2 km, mesurée comme le côté d'un carré de même surface. Il n'y a pas de pôle où les mailles s'entassent, et la résolution est presque la même partout sur Terre.

Le cœur dynamique, la partie qui résout les équations du mouvement, utilise les équations pleinement compressibles et non hydrostatiques : les accélérations verticales sont calculées, et non supposées nulles, ce qui permet au même code de tourner à 13 km ou à quelques centaines de mètres. Ses variables pronostiques sont le vent normal à chaque arête de triangle, le vent vertical, la densité de l'air et la température potentielle virtuelle. Les scalaires sont placés au centre de chaque triangle et les vents normaux au milieu de chaque arête, une disposition appelée grille C. L'intégration en temps suit un schéma prédicteur-correcteur à deux niveaux de temps, explicite à l'horizontale et implicite à la verticale pour les ondes sonores, et le schéma conserve exactement la masse.

À la verticale, le modèle global compte 120 niveaux de la surface à 75 km, jusque dans la mésosphère, ce qui aide à assimiler les données satellitaires. Les niveaux épousent le relief près du sol et s'aplatissent progressivement avec l'altitude, selon une coordonnée lissée appelée SLEVE, jusqu'à devenir parfaitement plats au-dessus de 16 km. Sur mer, la couche la plus basse fait environ 20 m d'épaisseur, si bien que le premier niveau du modèle est proche de la hauteur à laquelle on donne le vent à 10 m. Le zoom européen compte 74 niveaux jusqu'à 22,8 km, identiques aux 74 plus bas de la grille globale.

Les phénomènes plus petits qu'une maille sont paramétrés, c'est-à-dire représentés par leur effet moyen. Averses et orages relèvent d'un schéma de convection en flux de masse, une branche du schéma Tiedtke-Bechtold de l'IFS du CEPMMT, car à 13 km et même à 6,5 km une cellule convective est bien plus petite qu'un triangle. La turbulence de la couche limite est pilotée par un schéma pronostique d'énergie cinétique turbulente hérité de COSMO ; les nuages et la pluie par une microphysique à un moment ; le freinage des reliefs non résolus par le schéma de Lott et Miller ; les sols par le modèle TERRA, les lacs par FLake et la glace de mer par un modèle de glace simple.

L'océan n'est pas modélisé. La température de surface de la mer est analysée une fois par jour puis maintenue constante pendant toute la prévision : ICON ne voit donc ni une tempête refroidir la mer dans son sillage, ni un upwelling se mettre en place pendant le run. Les vagues ne sont pas calculées non plus : le DWD fait tourner ses modèles de vagues à part, forcés par les vents d'ICON.

Comment un run est calculé

L'analyse d'ICON, la meilleure estimation de l'état présent de l'atmosphère d'où part une prévision, est renouvelée toutes les 3 heures, à 00, 03, 06 et ainsi de suite jusqu'à 21 UTC. Chaque analyse combine une prévision à 3 heures issue de la précédente, appelée ébauche, avec les observations d'une fenêtre de 3 heures centrée sur l'heure d'analyse : stations au sol, navires, bouées, radiosondages, avions et satellites. Le poids donné à chacun dépend de l'erreur qu'on en attend.

Depuis le 20 janvier 2016, ce travail est confié à un système hybride ensembliste-variationnel, l'EnVar. Une analyse variationnelle cherche l'état de l'atmosphère qui s'accorde le mieux à la fois avec l'ébauche et avec les observations, à la pleine résolution de 13 km ; « hybride » signifie que les erreurs attendues de l'ébauche proviennent en partie de statistiques fixes et en partie de la dispersion d'un ensemble de 40 prévisions à 3 heures, si bien qu'elles suivent le temps du jour. Cet ensemble est lui-même mis à jour par un filtre de Kalman d'ensemble localisé (LETKF), qui corrige chaque membre avec les seules observations voisines, et il fournit les états de départ de l'ensemble ICON-EPS.

Pour ne pas secouer le modèle avec des ondes parasites, les corrections ne sont pas ajoutées d'un coup mais distillées sur 3 heures centrées sur l'heure d'analyse, une méthode appelée mise à jour incrémentale de l'analyse : le modèle démarre en réalité 90 minutes avant l'heure nominale. Des analyses séparées mettent à jour la température de la mer et l'humidité du sol une fois par jour, et l'enneigement toutes les 3 heures.

Quatre prévisions par jour partent de ces analyses, à 00, 06, 12 et 18 UTC. Celles de 00 et 12 UTC vont jusqu'à 180 heures (7,5 jours), celles de 06 et 18 UTC jusqu'à 120 heures, avec une sortie horaire jusqu'à 78 heures et trihoraire au-delà. Le zoom européen tourne à l'intérieur du modèle global avec un couplage dans les deux sens : le modèle global alimente les bords du zoom à chaque pas de temps, et le zoom renvoie sa solution plus fine à la grille globale. Le zoom fait aussi quatre prévisions plus courtes, à 03, 09, 15 et 21 UTC, jusqu'à 51 heures.

Depuis l'entrée en vigueur d'une modification de la loi sur le DWD le 25 juillet 2017, le DWD publie gratuitement les sorties de ses modèles sur son serveur de données ouvertes, opendata.dwd.de, au format GRIB2, réutilisables sous licence CC BY 4.0 à condition de citer le DWD. Le modèle global y est proposé sur ses triangles natifs, ICON-EU et ICON-D2 sur des grilles régulières en latitude et longitude de 0,0625° et 0,02°. Selon le DWD, plus de 30 services météorologiques nationaux pilotent leurs propres modèles régionaux avec les sorties d'ICON.

En mer

Pour un marin, l'intérêt premier d'ICON est d'être un avis indépendant. Il vient d'un autre centre que l'IFS du CEPMMT ou le GFS de la NOAA, avec sa propre grille, sa propre physique et sa propre assimilation, et ses erreurs ne sont donc pas celles des autres. Quand ICON, l'IFS et le GFS placent une dépression ou un front au même endroit, la prévision mérite plus de confiance ; quand ils divergent, le désaccord dit à lui seul que la situation est incertaine et qu'une route qui dépend d'une fenêtre étroite est risquée.

À 13 km, le modèle global dessine bien les dépressions, les fronts, les alizés et les grandes zones d'abri des îles, mais pas le vent le long d'une côte donnée : un cap, un détroit ou une baie de quelques kilomètres ne font que quelques triangles. Sur l'Europe, le zoom à 6,5 km rend mieux les vents façonnés par le relief, comme le mistral et la tramontane dans le golfe du Lion, la bora en Adriatique, le meltem entre les Cyclades ou le levant dans le détroit de Gibraltar, mais une brise de mer qui ne porte qu'à quelques kilomètres au large lui échappe encore. Près des côtes, un modèle kilométrique comme AROME est un meilleur guide.

La convection est paramétrée dans le modèle global et dans ICON-EU : une ligne de grains ou le front de rafales d'un orage y apparaît comme une zone d'averses lissée plutôt que comme la bascule de vent que l'équipage rencontre réellement ; ICON-D2 calcule lui-même averses et orages, même si leur heure et leur place restent incertaines. Le vent à 10 m est un vent moyen sur une maille et dans le temps : les rafales, qui peuvent être bien plus fortes sous un nuage ou dans une accélération soudaine, n'y figurent pas. Le mur de l'œil d'un cyclone tropical est plus étroit que quelques triangles de 13 km, et ses vents maximaux sont donc en général sous-estimés ; face à un cyclone, les bulletins officiels des centres d'alerte priment.

Comme la température de la mer reste figée à sa valeur du jour de l'analyse, le modèle peut prendre du retard quand c'est elle qui commande le vent, par exemple lors d'une descente d'air froid sur un courant chaud ou au-dessus d'une mer refroidie par une tempête précédente. Sur les longues traversées, l'échéance de 7,5 jours des runs de 00 et 12 UTC est plus courte que celle de l'IFS ou du GFS, et, comme pour toute prévision déterministe, ses derniers jours se lisent comme une tendance, pas comme un vent précis.

Dans Saily WR

Saily WR utilise ICON trois fois, comme trois modèles distincts : ICON global, ICON-EU pour l'Europe et ICON-D2 sur l'Allemagne et ses mers. Chacun calcule sa propre route dès que sa zone couvre à la fois le départ et l'arrivée, et cette route est naviguée dans le vent à 10 m du modèle, interpolé dans l'espace et dans le temps, puis affichée à côté des routes des autres modèles pour les comparer.

Pour le modèle global, l'application télécharge les données ouvertes du DWD sur les triangles natifs et les place elle-même sur une grille régulière de 0,25°, en prenant pour chaque point la valeur du triangle le plus proche. Rien n'est lissé, mais avec un point tous les 0,25°, soit environ 28 km en latitude, une partie du détail de la grille de 13 km se perd. L'application prend les quatre runs du jour, à pas horaire jusqu'à 78 heures, puis trihoraire jusqu'à 180 heures pour les runs de 00 et 12 UTC ou 120 heures pour ceux de 06 et 18 UTC ; au-delà d'un run de 06 ou 18 UTC, une route continue dans le run de 00 ou 12 UTC précédent.

Pour ICON-EU, l'application utilise telle quelle la grille de 0,0625° (environ 6,5 km) publiée par le DWD, sur 29,5–70,5°N et 23,5°W–45°E. Elle prend les huit runs du jour : ceux de 00, 06, 12 et 18 UTC jusqu'à 120 heures, à pas horaire jusqu'à 78 heures puis trihoraire, et les intermédiaires jusqu'à 51 heures, au-delà desquelles une route continue dans le run principal précédent.

Pour ICON-D2, l'application utilise telle quelle la grille de 0,02° publiée par le DWD, sur 43,18–58,08°N et 3,94°W–20,34°E, et prend ses huit runs du jour, à pas horaire jusqu'à 48 heures. Ce rectangle est plus large que le domaine du modèle : les points hors du domaine n'ont pas de valeur dans les fichiers du DWD, l'application en tire donc le contour réel du domaine, et ne calcule une route ICON-D2 que si le départ et l'arrivée sont tous deux à l'intérieur. Un serveur récupère chaque nouveau run dès que le DWD le publie, et la page Données montre en direct sur quel run en est chacun des trois modèles, jusqu'où il porte et la zone qu'il couvre.