Un rayon de soleil parmi les nuages.
On regarde la météo pratiquement tous les jours afin de savoir le temps qu’il fera durant les prochains jours. Pourtant, il n’est pas rare que la météo se trompe et on râle. Les prévisions météo existent depuis longtemps, et on pourrait penser qu’en 2019 ils aient inventé un système suffisamment fiable pour ne plus se tromper tout le temps, non ?

Eh bien… en réalité, ce n’est pas si simple de prévoir le temps qu’il fera demain. C’est même extrêmement difficile !

Ne pas confondre climat et météo

J’ai un article sur ça : ne confondez pas climat et météo !.

Pour faire court, le climat c’est le temps qu’il fait à une échelle de plusieurs décennies, voire siècles. Le climat évolue en fonction de la composition de l’atmosphère, de la position sur le globe, de l’activité solaire et volcanique à long terme, etc.

La météo, c’est l’étude du temps qu’il fait sur une durée de quelques heures, ou jours. S’il pleut aujourd’hui et qu’il n’a pas plu hier, c’est une question de météo. La météo évolue en fonction du vent, de l’humidité, de la température locale.

Ainsi, s’il fait plus chaud en été qu’en hiver, c’est le climat. S’il pleut un 21 juillet et s’il fait beau un 12 novembre, c’est une question de météo.

Bien, ce point étant élucidé, on peut commencer à entrer dans le vif du sujet.

Des prédictions en science

Si l’on veut prévoir la météo, il ne s’agit pas juste de jeter un dé à facettes ou de tirer une carte. Une prédiction, en science, se base sur des lois de la nature et sont fondées sur des faits.
La science, c’est pouvoir faire des prédictions justes sur le monde qui nous entoure.

Savoir que le 25 décembre 2019, à Paris, le Soleil se lèvera à 8h43, est une prédiction. On sait l’expliquer : on connaît la vitesse et la position de la Terre sur son orbite, ainsi que la vitesse de rotation de la Terre sur son axe. Avec tout ça, on sait à quel moment la partie de la surface terrestre appelée « Paris » entrera dans la zone éclairée de la planète à une date donnée, même des mois ou des années à l’avance.

Tout ceci demande des calculs compliqués et il a fallu beaucoup de temps pour que notre civilisation soit capable de faire ces prédictions correctement, mais on y est arrivé.

Ces prédictions fonctionnent : vous vérifierez le jour de Noël 2019, le jour se lèvera à 8h43. Alors pourquoi ne sait-on pas prédire le temps qu’il fera pour Noël ? Ni même la semaine prochaine ? Ni même demain ?

Pour qu’une prédiction fonctionne, il faut que le phénomène soit reproductible expérimentalement. Cela signifie que la loi physique qui gère le phénomène donne un résultat identique à chaque fois.

Ainsi, la loi de la gravité qui décrit la chute des pommes est reproductible : si on lâche 1 000 pommes au même endroit, elles tomberont toutes par terre, sans exception, et avec la même vitesse. On explique ça en invoquant la théorie de la gravité qui est admise. Si un jour une pomme s’envolait au lieu de tomber, cela soulèverait des questions et la loi de la gravité serait remise en cause. Heureusement, cela n’a jamais été observée et nous sommes suffisamment confiants grâce à la grande quantité de données expérimentales sur la chute des objets pour dire que ça n’arrivera jamais.

C’est pour cela que l’on dit que la théorie de la gravité est une loi. Tout comme les lois sur la thermodynamique, sur l’électromagnétisme, l’évolution darwinienne ou d’autres. Une loi en science, c’est quelque chose que l’on suppose vrai car on n’a jamais observé quelque chose qui la transgressait. Il n’y a donc pas matière à la remettre en cause (bien que l’on cherche intensivement).

Une fois qu’on a pu formuler une loi physique, on peut l’utiliser pour prédire ce qui va se passer : la loi sur le magnétisme dit que si j’approche un aimant d’une bobine, alors un courant électrique apparaîtra. La loi sur la thermodynamique nous dit que l’énergie libre et les générateurs surnuméraires n’existent pas.

Ces exemples sont reproductibles : tout le monde peut le faire et constater qu’elles sont vraies. Mais tout n’est pas forcément reproductible dans un labo ou à la maison.

Tout n’est pas reproductible

Imaginez-vous au jeu du billard. Vous commencez le jeu : les billes numérotées sont disposés en triangle et vous frappez dessus avec la bille blanche. Vous visez bien et vous savez que la bille blanche tapera dans la bille au sommet du triangle. Savez-vous dire où finiront les différentes billes ? Difficilement, hein ?

Certaines billes seront plus simples à prédire que d’autres (celles aux sommets du triangle), mais les autres sont très difficiles à prédire :

Cas de la casse au billard.
Seules certaines billes ont une trajectoire quasi certaine. Les autres sont imprévisibles.

En fait, lors de la casse (le premier coup joué au billard), la bille blanche frappe une des billes, mais cette bille va transmettre l’énergie aux billes suivantes. Chaque bille recevra et transmettra à son tour une partie de l’énergie aux autres billes. Au final, chaque bille disposera d’une quantité d’énergie qui dépendra de l’endroit exact ou la bille blanche aura tapé sur la première bille.

Maintenant, disons que vous ayez résolu toutes les équations de la mécanique pour savoir où toutes les billes vont aller, connaissant le point d’impact et la vitesse de la bille blanche, ainsi que la position de toutes les autres billes. Arriverez-vous à taper exactement là où il faut ? Pas forcément.

Les équations fonctionnent, là n’est pas le souci. Simplement, les résultats obtenus sont ceux dans un cas précis où la bille blanche tape à un endroit donné avec une vitesse donnée. Réaliser le geste qui permet ça est très très difficile.
De plus, vous pourrez essayer de faire le même geste plusieurs fois de suite : le résultat final sera toujours différent, car l’impact sera toujours légèrement à côté du coup précédent, et même un millimètre à côté suffit à modifier totalement l’issue du jeu.

Quand le système est aussi sensible aux conditions initiales (vitesse et point d’impact de la première bille) et qu’un léger décalage peut tout changer, on dit que le système est chaotique.

Pour la météo du 25 décembre 2019, c’est un peu pareil : je peux dire avec certitude qu’il fera plus froid que le 21 juillet 2019 (où il a fait 35 °C), mais je ne saurais pas dire la température exacte, ni le temps précis. La météo, contrairement au climat, est un phénomène chaotique et donc imprévisible.

La météo n’est pas prédictible

La météo qu’il fait à un endroit et à un moment donné tient compte de plein de choses : température, humidité, vent, ainsi que de ces paramètres durant les heures et jours précédents, et de ces paramètres autour de la zone concernée.

Pour savoir le temps qu’il fera à Paris le 25 décembre, il faut connaître le temps qu’il y a fait le 24 (et pour connaître le temps du 24, il faudra celui du 23, et ainsi de suite), ainsi que le temps qu’il fait dans toute l’Europe : ceci est nécessaire parce qu’il faut connaître la direction du vent, et savoir si ce vent transporte de l’air chaud ou froid, humide ou sec, en provenance d’autres régions.

Déjà ça devient compliqué, mais ça n’explique pas tout.

Reprenons l’exemple du billard.
Il est facile d’envoyer la bille blanche sur une autre bille afin de la pousser dans un trou : généralement on y arrive, même si la trajectoire n’est pas exactement comme on l’aurait souhaité.

Maintenant essayez de faire en sorte que la première bille en touche une seconde, que la seconde en touche une troisième et ainsi de suite jusqu’à 5 billes. C’est tout de suite bien plus difficile, même en plaçant les billes manuellement et en traçant à la craie les trajectoires à effectuer.

La raison est qu’un tout petit écart sur la première bille risque de s’amplifier sur la seconde, puis sur la troisième et ainsi de suite. Et il y a de bonnes chances que la troisième bille rate sa cible et toutes les suivantes.

C’est ça, un système chaotique : un système dont l’évolution dépend très fortement des conditions initiales, et même un très léger écart au début se traduit par une importante différence à l’arrivée.
Même dans un environnement contrôlé avec un bras robotisé qui n’a pas de soucis de tremblements et est précis au centième de millimètre, l’exercice des 5 billes n’est pas forcément faisable : si la déviation de la bille est amplifiée d’un facteur 10 à chaque fois, alors même avec une précision du 1/100ᵉ de millimètre, alors la quatrième bille aura déjà un écart de 10 cm…

Tous les appareils ont leurs limites quant à la précision de leurs gestes, et comme dans un système chaotique le moindre écart est amplifié, il est impossible de prévoir où la dernière bille va se rendre…

Pour la météo, faites le calcul : l’atmosphère est composée de milliards de milliards de milliards (de milliards) de billes appelées molécules. Chaque bille a sa propre vitesse, sa propre direction, sa propre masse, orientation, température, énergie… Et ce n’est pas tout : certaines particules, rayons cosmiques, désintégrations radioactives aléatoires viennent modifier tout ça constamment.

En météorologie, bien-sûr, on ne modélise pas chaque molécule. On simplifie le problème en considérant des poches d’air qui ont des températures et des pressions proches : zones de hautes pressions (les anticyclones), zones de basses pressions (dépressions), par exemple.

Malheureusement, même en simplifiant, il suffit d’un petit écart à un endroit pour que toute la prédiction soit bouleversée et la prédiction totalement faussée. En météo, on sait dire à peu près où va se diriger la masse nuageuse d’ici quelques heures, mais qu’on n’est pas sûr pour demain et après-demain et encore moins pour la semaine prochaine et après.

La notion importante ici est le « à peu près », dans « on sait dire à peu près où va se diriger la masse nuageuse ». Si la masse nuageuse en question est plus large qu’un département, on peut dire de façon raisonnable que tout le département sera soumis aux nuages, mais on ne saura pas dire où les nuages s’arrêtent et où il commencera à faire beau temps.

Pire, si la présence d’une masse nuageuse est quasi-sûre, alors on ne sait peut-être pas s’il va pleuvoir : la pluie est elle-même un phénomène complexe qui dépend de l’humidité, de la température, du vent, du relief… Il suffit qu’un seul de ces paramètres change pour qu’il se mette ou non à pleuvoir…

Une simple phrase comme « demain il fera 24 °C et il pleuvra 3 mm » demande une quantité monstrueuse d’informations pour être vérifiée et dont il faut tenir compte, et un faible écart sur l’un d’eux suffit pour rendre la prédiction inexacte.

Pas de prévisions, mais des tendances

Si prévoir la météo de façon précise est pratiquement impossible au-delà de quelques jours, on peut cependant travailler avec des probabilités : les probabilités qu’ils pleuvent ou non demain, par exemple, peuvent être très différentes (comme 90 % de risque de pluie et 10 % de chances de beau temps). Dans ce cas-là, le bulletin météo parlera de la prévision la plus probable (la pluie, ici), même s’il y a une chance non négligeable de beau temps tout de même.

En pratique, on sait très bien dire quelle est la probabilité qu’il pleuve à un endroit donné : 10 % de pluie signifie que le risque de pluie est fiable, 90 % que le risque de pluie est élevé. Bien-sûr, 90 % de pluie ne signifie pas qu’il va pleuvoir avec certitude (il reste 10 % de chance qu’il ne pleuve pas), mais c’est déjà mieux que jeter un dé ou tirer une carte.

Au-delà de quelques jours, les probabilités d’avoir un temps donné s’approchent de 50 % et on n’a donc plus aucune certitude. De plus, à ces échelles de durées, il faut tenir compte non seulement de l’évolution de l’atmosphère (vents, humidité, température…), mais aussi des océans.
En effet, l’humidité provient essentiellement des océans, et si des courants plus chauds se dirigent vers une région donnée, il y a plus de chances que l’eau s’y évapore, rende l’air humide et qu’il s’y mette à pleuvoir.

Les océans ont un tel impact sur la météo qu’au-delà de 10 jours, les courants marins sont très sérieusement pris en compte dans les analyses météo. Ces derniers servent alors à émettre des tendances sur plusieurs mois à l’avance.
Il n’est pas rare, donc, que la météo prédise « un été particulièrement chaud » ou « un automne particulièrement sec », avec plusieurs mois d’avance.

Bien-sûr, ces prévisions longtemps à l’avance sont vagues et s’entendent pour un continent tout entier : elles ne permettent toujours pas de prévoir la température et les précipitations sur une ville et à une date donnée.

Pour conclure

La météo est un phénomène chaotique : il suffit littéralement d’un battement d’aile en Floride pour qu’il se mette à pleuvoir à Paris en conséquence. Bien-sûr, il ne se mettra pas à pleuvoir dans la seconde : il s’agirait plutôt d’une question de semaines, ou de jours.
C’est pour cela qu’il est encore possible de prévoir le temps qu’il fera dans l’heure ou dans la journée avec une fiabilité raisonnable. Mais après ça, les prévisions ne sont plus certaines et on ne pourra jamais réellement faire mieux.

On sait qu’il fera plus froid en décembre qu’en juillet : ça c’est un phénomène qui ne varie pas et qui est donc prédictible. Mais on ne sait pas toujours s’il va pleuvoir demain à 8 h ou à 19 h, car ce phénomène dépend de beaucoup de facteurs dont certains ne sont pas prévisibles.

Enfin, prédire la météo même avec 1 jour d’avance constitue déjà un exploit compte tenu des difficultés, surtout durant les périodes ou sur les régions où le temps change beaucoup (printemps et automne par exemple, ou en montagne).
Les prévisions météo ne sont donc toujours qu’à prendre de la veille au lendemain.

Je ne pourrais donc que demander d’être indulgent avec les services de météorologie : ils ne font pas la pluie et le beau temps, ils ne font qu’essayer de deviner, avec d’énormes calculateurs, où se trouvera la bille blanche après 100 000 frappements de billes de billard, en temps réel et en continu, parmi des millions d’autres billes à partir d’une quantité limitée d’information disponible à un temps T.

image d’en-tête de Katarina Roccella

5 commentaires

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John Doe wrote:

Chez Météo France, la limite ne vient pas de la puissance de calcul. Leur supercalculateur est largement sur-dimensionné. D’ailleurs ils louent de la puissance de calcul à des pays qui n’ont pas les moyens ou l’utilité à construire le leur (type Belgique ou Luxembourg, à vérifier parce-que je ne connais pas la liste exacte). Le point limitant c’est les données disponibles. Le nombre de stations est limité, la précision aussi. Du coup, avec des informations de départ approximatives, la prévision l’est aussi.

Note : Pour chaque prévision, Météo France donne un indice de confiance entre 1 et 5 (plus c’est élevé, mieux c’est). Pour le calculer, ils font plusieurs dizaine de fois les mêmes calculs mais en changeant à chaque fois légèrement les données de départ, dans la limite de la marge d’erreur des mesures. L’indice de confiance est simplement le ratio entre les résultats qui rentrent dans les prévisions annoncées et ceux qui sont différents.

Source : des prévisionnistes de Météo France avec qui j’ai eu l’occasion de discuter.

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Hyb wrote:

Salut Timo,
Il y a récemment eu une conférence à l'espace des science de Rennes sur le sujet, peut être l'as tu déjà vu.

Je met le lien si ça en intéresse certains https://youtu.be/nrBucgnvj3s

Merci pour tes articles toujours simples et clairs ;)

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seb wrote:

Pour rebondir sur le commentaire de@John Doe :, il me semble que Meteo60 utilise des stations de particuliers pour leur carte d'impact de la foudre. Est ce que ça serait possible d'imaginer que des particuliers aient leur propre station météo et partagent les relevés à Météo France ou alors ça serait trop compliqué à mettre en place à cause de matériel différent et donc précisions de mesurent trop disparate?

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Le Hollandais Volant wrote:

@seb : C’est possible, mais compliqué en effet.
Les stations météo de MétéoFrance ont des spécificités très strictes : taille, hauteur, distance des bâtiments, type de sol, couleur, matériaux : http://education.meteofrance.fr/ressources-pour-les-enseignants/observer-et-mesurer/l-abri-meteo

La seule solution serait d’en installer beaucoup plus, mais ça coûte cher à entretenir, à étalonner, à protéger (des vandales et des animaux, du temps).


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