Réanalyse atmosphérique globale de 5éme génération de l’ECMWF (ERA5)

Aperçu

Ce document donne un aperçu des produits de vent à un seul niveau de l'ERA5, dans le contexte de l'ensemble plus vaste des données de l'ERA5. Pour rappel, ERA5 est la 5e génération de la réanalyse atmosphérique globale (la plus récente - elle remplace la réanalyse ERA-Interim) produite par le Service des changements climatiques de Copernicus de l’ECMWF, couvrant la période de janvier 1950 à aujourd'hui. Elle fournit des données horaires pou de nombreux paramètres atmosphériques, de surface terrestre et d'état de la mer, ainsi que des estimations de l'incertitude.

Coordonnées du fournisseur

ERA5 est produit par le Service des changements climatiques de Copernicus (C3S) de l’ECMWF.

Copernicus User support (copernicus-support@ecmwf.int (externe à C3S)).

Licences

Licence : Copernicus (Les informations sur l'accord de licence peuvent être trouvées ici ou ici).

Dataset citable as : Le Service des changements climatiques de Copernicus (C3S) (2017) : ERA5 : Cinquième génération de réanalyses atmosphériques du climat mondial de l’ECMWF . « Copernicus Climate Change Service Climate Data Store (CDS) », date d'accès. https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/home

Nom de la variable et unités :

Le vent à un seul niveau de l'ERA5 sur le nord du Canada est le principal objet de ce document. La description des paramètres est fournie dans le tableau ci-dessous.

Nom	Unités	Description
100 m Composante u du vent	m s-1	Ce paramètre est la composante est du vent à 100 mètres. Il s'agit de la vitesse horizontale de l'air se déplaçant vers l'est, à une hauteur de 100 mètres au-dessus de la surface de la Terre, en mètres par seconde. Il faut être prudent lors de la comparaison des paramètres du modèle avec les observations, car les observations sont souvent locales à un point particulier dans l'espace et le temps, plutôt que de représenter des moyennes sur une maille du modèle. Ce paramètre peut être combiné avec la composante nord pour donner la vitesse et la direction du vent horizontal à 100 m.
100 m Composante v du vent	m s-1	Ce paramètre est la composante nord du vent à 100 mètres. Il s'agit de la vitesse horizontale de l'air se déplaçant vers le nord, à une hauteur de 100 mètres au-dessus de la surface de la Terre, en mètres par seconde. Il convient d'être prudent lors de la comparaison des paramètres du modèle avec les observations, car les observations sont souvent locales à un point particulier dans l'espace et le temps, plutôt que de représenter des moyennes sur une maille du modèle. Ce paramètre peut être combiné avec la composante Est pour donner la vitesse et la direction du vent horizontal à 100 m.
10 m Composante u du vent neutre	m s-1	Ce paramètre est la composante vers l'est du "vent neutre", à une hauteur de 10 mètres au-dessus de la surface de la Terre. Le vent neutre est calculé à partir de la contrainte de surface et de la longueur de rugosité correspondante en supposant que l'air est stratifié de manière neutre. Le vent neutre est plus lent que le vent réel dans des conditions stables, et plus rapide dans des conditions instables. Le vent neutre est, par définition, dans la direction de la contrainte de surface. La taille de la longueur de rugosité dépend des propriétés de la surface terrestre ou de l'état de la mer.
10 m Composante u du vent	m s-1	Ce paramètre est la composante est du vent à 10 mètres. Il s'agit de la vitesse horizontale de l'air se déplaçant vers l'est, à une hauteur de dix mètres au-dessus de la surface de la Terre, en mètres par seconde. Il convient d'être prudent lors de la comparaison de ce paramètre avec les observations, car les observations du vent varient sur de petites échelles spatiales et temporelles et sont affectées par le terrain local, la végétation et les bâtiments qui ne sont représentés qu'en moyenne dans le système intégré de prévision (IFS) de l’ECMWF. Ce paramètre peut être combiné avec la composante V du vent à 10m pour donner la vitesse et la direction du vent horizontal à 10m.
10 m Composante v du vent neutre	m s-1	Ce paramètre est la composante nord du "vent neutre", à une hauteur de 10 mètres au-dessus de la surface de la Terre. Le vent neutre est calculé à partir de la contrainte de surface et de la longueur de rugosité correspondante en supposant que l'air est stratifié de manière neutre. Le vent neutre est plus lent que le vent réel dans des conditions stables, et plus rapide dans des conditions instables. Le vent neutre est, par définition, dans la direction de la contrainte de surface. La taille de la longueur de rugosité dépend des propriétés de la surface terrestre ou de l'état de la mer.
10 m Composante v du vent	m s-1	Ce paramètre est la composante nord du vent à 10 mètres. Il s'agit de la vitesse horizontale de l'air se déplaçant vers le nord, à une hauteur de dix mètres au-dessus de la surface de la Terre, en mètres par seconde. Il convient d'être prudent lors de la comparaison de ce paramètre avec les observations, car les observations du vent varient sur de petites échelles spatiales et temporelles et sont affectées par le terrain local, la végétation et les bâtiments qui ne sont représentés qu'en moyenne dans le système intégré de prévision (IFS) de l’ECMWF. Ce paramètre peut être combiné avec la composante U du vent à 10m pour donner la vitesse et la direction du vent horizontal à 10m.
Rafale de vent de 10 m depuis le post-traitement précédent	m s-1	Vent maximal de 3 secondes à 10 m de hauteur, tel que défini par l'OMM. La paramétrisation représente la turbulence uniquement avant le 01/10/2008 ; par la suite, les effets de la convection sont inclus. La rafale de 3 s est calculée à chaque pas de temps et le maximum est conservé depuis le dernier post-traitement.
Rafale de vent instantanée de 10 m	m s-1	Ce paramètre est la rafale de vent maximale à l'heure spécifiée, à une hauteur de dix mètres au-dessus de la surface de la Terre. L'OMM définit une rafale de vent comme le maximum du vent moyenné sur des intervalles de 3 secondes. Cette durée étant plus courte que le pas de temps d'un modèle, le système intégré de prévision de l’ECMWF (IFS) déduit l'ampleur d'une rafale à chaque pas de temps à partir de la moyenne des contraintes de surface, du frottement de surface, du cisaillement du vent et de la stabilité. Il convient d'être prudent lors de la comparaison des paramètres du modèle avec les observations, car les observations sont souvent locales à un point particulier dans l'espace et le temps, plutôt que de représenter des moyennes sur une maille du modèle.

Les sous-ensembles horaires et mensuels sont disponibles aux liens ci-dessous :

Les données mensuelles sont précalculées sous forme de moyennes mensuelles à partir des données horaires.

Couverture et résolution spatiales :

Le vent dans ERA5, comme toutes les données ERA5, est un jeu de données global. Les données atmosphériques sont disponibles sur une grille régulière de latitude-longitude à une résolution de 0,25o x 0,25o (convertie à partir d'une résolution native de grille gaussienne réduite d'environ 31 km x 31 km), et sur 37 niveaux de pression.

Couverture et résolution temporelles :

Le vent dans l'ERA5, comme toutes les données de l'ERA5, est disponible de 1950 à aujourd'hui (divisé en deux entrées : primaire à partir de 1979 et une extension arrière de 1950-1978). L'extension arrière est une version préliminaire qui a été publiée en 2020, et une version mise à jour (qui corrige certains problèmes dans les tropiques) apparaîtra vers la fin de 2021.

Les données sont disponibles sous forme de données horaires et mensuelles.

Le vent dans l'ERA5, comme toutes les données de l'ERA5, est mis à jour quotidiennement avec une latence d'environ 5 jours dans un premier produit et avec une version finale 2 à 3 mois plus tard.

Informations sur les observations (nombre, homogénéité)

L'assimilation de données d'ERA5 utilise des observations pour toutes les quantités géophysiques à partir d'environ 0,75 million d'observations par jour en 1979 et d'environ 24 millions en 2018. La 2D-OI utilise des observations de surface au niveau de l'écran. La documentation technique en ligne fournit des tableaux avec les observations satellitaires et in-situ utilisées comme entrée dans ERA5.

Les mesures satellitaires utilisées dans l'ERA5 sont : la température, l'humidité, l'ozone, la vapeur d'eau en colonne, l'eau liquide des nuages, les précipitations, la vitesse du vent à la surface de l'océan, le vecteur vent, l'humidité du sol, la hauteur des vagues.

Les données in-situ sont fournies par le WIS de l'OMM et consistent en des mesures pour : la pression de surface, la température, l'humidité, le vent, les profils de vent et l'épaisseur de neige. La figure 4 de Hersbach et coll. (2020) présente les observations conventionnelles assimilées par jour dans ERA5 pendant la période 1979-2018.

ERA5 assimile les taux de pluie à partir d'observations composites de jauges, radar au sol depuis 2009, et la couverture neigeuse (NH seulement) à partir de NOAA/NESDIS IMS.

La nature évolutive dans le temps des observations assimilées signifie qu'il faut faire preuve de prudence lorsqu'on utilise ERA5 pour évaluer la variabilité et les tendances à long terme.

Méthodologie

Comme toute autre variable climatique issue d'un produit de réanalyse, la température à 2 m d'ERA5 est fortement influencée par la méthodologie d'assimilation des données. ERA5 est produit en utilisant l'assimilation de données 4D-Var avec le modèle « Integrated Forecast System (IFS) » de l’ECMWF (CY41R2). Le modèle de prévision comporte 137 niveaux hybrides sigma/pression (modèle) dans la verticale, le niveau supérieur étant situé à 0,01 hPa. L'IFS est couplé à un modèle de surface terrestre et à un modèle de vagues océaniques. Le modèle utilise comme conditions limites la température de surface de la mer, la couverture de glace de mer, les gaz à effet de serre, les aérosols et l'irradiation solaire totale. Les variables climatiques sont proposées par le modèle atmosphérique, le modèle de surface et le modèle de vagues.

Le jeu de données ERA5 contient une réalisation à haute résolution (HRES) de 31 km et un ensemble de 10 membres à résolution réduite (EDA). Le pas de temps du modèle est de 12 minutes pour la réalisation HRES et de 20 minutes pour l'assimilation des données d'ensemble (EDA), bien qu'occasionnellement ces nombres soient ajustés pour faire face aux instabilités. Les variables climatiques proviennent d'analyses et de prévisions à court terme (18 heures), initialisées deux fois par jour à partir d'analyses à 06 et 18 UTC. La plupart des variables climatiques issues des analyses sont également disponibles dans les prévisions. Cependant, il y a plusieurs variables climatiques provenant des prévisions, par exemple, les taux moyens et les accumulations qui ne sont pas disponibles à partir des analyses. Plus d'informations sur les différences entre les analyses, les prévisions, les paramètres instantanés, accumulés et les taux moyens sont fournies sur https://confluence.ecmwf.int/pages/viewpage.action?pageId=85402030 (uniquement en anglais).

L'analyse atmosphérique de l'ERA5 est basée sur un système hybride incrémentiel d'assimilation variationnelle de données à 4 dimensions (4D-Var) incluant une correction du biais variationnel (VarBias). Cette méthode permet de trouver la meilleure estimation de l'état de l'atmosphère, de la terre et de l'océan de surface dans une fenêtre temporelle d'assimilation, compte tenu d'une prévision de fond valable au début de la fenêtre et des observations effectuées dans cette fenêtre. L'assimilation des données 4D-Var utilise des fenêtres de 12 heures allant de 09 UTC à 21 UTC et de 21 UTC à 09 UTC (le jour suivant).

Estimation de l'incertitude : Une estimation de l'incertitude est échantillonnée par un ensemble d'assimilation de données (EDA) de 10 membres à résolution plus faible qui fournit des estimations de l'erreur de fond pour le système déterministe d'assimilation de données 4D-Var du HRES. La méthode d'analyse est la même pour chaque membre de l'EDA et suit celle du HRES. Chaque membre (sauf le contrôle) est exécuté avec différentes perturbations aléatoires ajoutées aux observations. De même, les tendances physiques du modèle sont perturbées dans les prévisions courtes qui relient les fenêtres d'analyse ultérieures. La moyenne et l'écart de l'ensemble ont été précalculés pour faciliter l'utilisation. Ces estimations d'incertitude sont étroitement liées au contenu en information du système d'observation disponible, qui a considérablement évolué au fil du temps. Elles indiquent également les zones sensibles dépendant du débit. Pour faciliter de nombreuses applications climatiques, les moyennes mensuelles ont également été précalculées, bien que les moyennes mensuelles ne soient pas disponibles pour la moyenne et la dispersion de l'ensemble.

La température à 2 m est la température de l'air à 2 m au-dessus de la surface de la terre, de la mer ou des eaux intérieures, et elle est calculée par interpolation entre le niveau le plus bas du modèle et la surface de la Terre, en tenant compte des conditions atmosphériques.

L'un des points forts de la réanalyse ERA5 pour la température à 2 m et pour d'autres variables est l'utilisation d'une méthodologie d'assimilation/prévision cohérente tout au long du cycle d'analyse. Ainsi, même si les observations assimilées évoluent dans le temps (voir ci-dessus), l'approche d'assimilation des données peut être considérée comme fixe tout au long de la période d'analyse des produits, ce qui ajoute à l'homogénéité du jeu de données.

Informations concernant la qualité technique et scientifique

Le vent ERA5 représente l'un des produits de la dernière réanalyse atmosphérique globale produite par le Service des changements climatiques Copernicus au ECMWF. Elle est archivée à un pas de temps plus court (horaire), a une résolution spatiale plus fine, utilise un système d'assimilation plus avancé et inclut plus de sources de données que les versions précédentes. Elle est accompagnée d'une documentation technique étendue et de deux documents de documentation scientifique principaux. Une liste des "problèmes connus" est tenue à jour dans la documentation en ligne :

(https://confluence.ecmwf.int/display/CKB/ERA5%3A+data+documentation#ERA5:datadocumentation-Knownissues).

Un contrôle de qualité préalable à la publication a révélé quelques problèmes affectant les performances dans les tropiques (les cyclones tropicaux sont trop intenses) et l'humidité du sol profond a tendance à être trop sèche pour le jeu de données 1950-1978. Une nouvelle version devrait progressivement être disponible d'ici fin 2021. Ce problème n'aura que peu d’influence directe pour la température à 2 m dans le nord du Canada, mais l'utilisateur doit être conscient de la raison de cette mise à jour.

Informations sur l'amélioration du modèle : Le modèle de prévision de l'ERA5 est au cycle IFS 41r2. Au cours de la période de dix ans entre ERA-Interim (Cy31r2) et ERA5 (Cy41r2), de nombreuses améliorations significatives ont été apportées à la représentation des processus physiques atmosphériques (voir la section 4 de Hersbach et coll., (2020)). La température à 2 m d'ERA5 sera influencée par plusieurs changements apportés au modèle de surface terrestre et aux schémas de paramétrage d'ERA5. Le schéma de surface terrestre HTESSEL d'ERA5 (Balsamo et coll., 2015) tient compte des cartes de végétation mensuelles variant selon les saisons, spécifiées à partir du jeu de données satellitaires MODIS. En outre, une paramétrisation améliorée du manteau neigeux permet une synchronisation plus réaliste du ruissellement et des variations du stockage de l'eau terrestre, ainsi qu'une meilleure correspondance de l'albédo avec les produits satellitaires. La paramétrisation choisie pour les lacs (FLake) permet de prendre en compte à la fois les masses d'eau sous-maille et résolues, ce qui est potentiellement pertinent pour la région subarctique canadienne enrichie en lacs. Cette série de changements contribue à améliorer considérablement la cohérence de l'humidité du sol et des flux de surface terrestre, ce qui a permis d'utiliser les données satellitaires dans ERA5 pour analyser l'humidité du sol. Ceci influencera le bilan énergétique de surface et donc la température à 2 m d'ERA5 dans le nord du Canada. Parmi les améliorations importantes apportées au modèle de vagues, citons : une mise à jour de la bathymétrie du modèle avec une version plus récente d'ETOPO2 et un schéma révisé de bathymétrie non résolue. Certains de ces changements auront également une incidence sur la température à 2 m dans les régions côtières. Ils permettront de mieux prendre en compte la propagation des vagues le long des côtes et de mieux modéliser l'impact de caractéristiques auparavant non résolues, comme les îles et les échancrures étroites.

Contraintes et atouts pour l’application dans le nord du Canada

ERA5 est une nouvelle réanalyse atmosphérique et il n'existe pas d'évaluations scientifiques du jeu de données consacrées spécifiquement au nord du Canada. Cependant, il faut noter que dans le nord du Canada, il n'existe pas actuellement d'enregistrements sous-quotidiens sur une longue période historique pour de nombreuses stations météorologiques. Les données de réanalyse à sortie horaire couvrent cette lacune et, avec une étude et un calibrage appropriés (réduction d'échelle), pourraient constituer des ressources précieuses.

Comme pour toutes les données sur grille, il faut être prudent lors de la comparaison du vent à 10 m avec les observations, car les observations du vent varient sur de petites échelles spatiales et temporelles et sont affectées par le terrain local, la végétation et les bâtiments qui ne sont représentés qu'en moyenne dans les réanalyses.

De plus, comme mentionné ci-dessus, les changements dans les quantités et les types de données d'observation qui sont assimilées peuvent produire des tendances ou une variabilité artificielle dans les variables de réanalyse. Pour ERA5, cela a été observé pour le vent dans la couche limite (Hersbach et coll. , 2020).

Jusqu'à une ou deux fois par an, les vents analysés près de la surface (par exemple, à 10 m) dans ERA5 souffrent d'un problème de vitesses de vent extrêmement grandes ; les plus grandes vitesses observées jusqu'à présent sont de l'ordre de 300 ms -1.

Références aux documents décrivant la méthodologie ou/et le jeu de données

Hersbach, H., B. Bell, P. Berrisford, G. Biavati, A. Horányi, J. Muñoz Sabater, J. Nicolas, C. Peubey, R. Radu, I. Rozum, D. Schepers, A. Simmons, C. Soci, D. Dee, J-N. Thépaut, 2018 : « ERA5 hourly data on single levels from 1979 to present. Copernicus Climate Change Service (C3S) Climate

Data Store (CDS) ». (Consulté le < 29-Avr-2019 >), https://doi.org/10.24381/cds.adbb2d47.

Hersbach, H., B .Bell, P. Berrisford, S. Hirahara, A. Horányi, J. Muñoz-Sabater, J. Nicolas, C. Peubey, R. Radu, D. Schepers, A. Simmons, C. Soci, S. Abdalla, X. Abellan, G. Balsamo, P. Bechtold, G. Biavati, J. Bidlot, M. Bonavita, G. Chiara, P. Dahlgren, D. Dee, M. Diamantakis, R. Dragani, J. Flemming, R. Forbes, M. Fuentes, A. Geer, L. Haimberger, S. Healy, R.J. Hogan, E. Hólm, M. Janisková, S. Keeley, P. Laloyaux, P. Lopez, C. Lupu, G. Radnoti, P. Rosnay, I. Rozum, F. Vamborg, S. Villaume, et J.-.N. Thépaut, 2020 : « The ERA5 global reanalysis. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society », 146(730), 1999-2049. https://doi.org/10.1002/qj.3803.

Documentation technique en ligne (uniquement en anglais) :

https://confluence.ecmwf.int/display/CKB/ERA5%3A+data+documentation

Lien pour télécharger les données et format des données :

Accès aux données : Copernicus | NCAR | ECMWF

ERA5 est disponible dans les formats GRIB1 et NetCDF.

Lien pour télécharger des données horaires et mensuelles sur Copernicus :

données horaires sur les niveaux simples de 1950 à 1978,

données horaires sur les niveaux simples de 1979 à aujourd'hui,

des données horaires sur les niveaux de pression de 1950 à 1978,

des données horaires sur les niveaux de pression de 1979 à aujourd'hui,

données moyennes mensuelles sur les niveaux simples de 1950 à 1978,

données moyennes mensuelles sur les niveaux simples de 1979 à aujourd'hui,

des données moyennes mensuelles sur les niveaux de pression de 1950 à 1978,

des données moyennes mensuelles sur les niveaux de pression de 1979 à aujourd'hui.

Publications comprenant l'évaluation de l'ensemble des données ou la comparaison avec d'autres données au Canada.

Tarek, M., F.P. Brissette, et R. Arsenault, 2020 : « Evaluation of the ERA5 reanalysis as a potential reference dataset for hydrological modelling over North America. Hydrology and Earth System Sciences », 24(5), 2527-2544. (Il compare ERA5 et ERA-Interim avec des stations aux États-Unis et au Canada au sud du 60ᵒ de latitude).

Sheridan, S.C., C.C. Lee, et E.T. Smith, 2019 : « A comparison between station observations and reanalysis data in the identification of

extreme temperature events. Geophysical Research Letters », 47(15), e2020GL088120. (Il compare les observations, ERA5, ERA5-LAND et NARR, aux États-Unis et au Canada - seul un très petit nombre de stations se trouvent dans le nord du Canada).

Betts, A.K., D.Z. Chan, et R.L. Desjardins, 2019 : « Near-surface biases in ERA5 over the Canadian Prairies. Frontiers in Environmental Science », 7 (129). (ERA5 est comparé aux données horaires de 4 stations de Saskatchewan, Canada).

Cao, B., X. Quan, N. Brown, E. Stewart-Jone, et S. Gruber, 2019 : « GlobSim (v1.0) : deriving meteorological time series for point locations from multiple global reanalyses. Geosci. Model Dev. », 12, 4661-4679, https://doi.org/10.5194/gmd-12-4661-2019 (La température à 2 m de ERA5 est comparée à celle de ERA-Interim, JRA-55 et MERRA-2 sur un site situé près de la rive nord du lac de Gras dans les Territoires du Nord-Ouest, au Canada).