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

Aperçu

Ce document donne un aperçu des produits de neige de l'ERA5, dans le contexte de l'ensemble 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 :

Plusieurs variables liées à la neige sont disponibles sous forme de sous-ensembles horaires et mensuels. Le tableau ci-dessous fournit plus de détails pour chacune d'entre elles et les noms utilisés dans ERA5.

Nom	Unités	Description
Épaisseur de la neige	mètres d'équivalent eau	Ce paramètre est fourni par l'analyse et par la prévision comme une variable instantanée. Il s'agit de la quantité de neige de la zone enneigée d'une maille. La neige peut couvrir tout ou partie de la maille. Ses unités sont les mètres d'équivalent eau, c'est donc la profondeur qu'aurait l'eau si la neige fondait et était répartie uniformément sur toute la maille. Il s'agit donc en fait de l'équivalent en eau de la neige. Les utilisateurs peuvent utiliser la densité de la neige pour convertir le mètre d'eau équivalent en mètres.
Densité de la neige	kg m-3	Ce paramètre est une mesure instantanée fournie par l'analyse et par la prévision et correspond à la masse de neige par mètre cube dans la couche de neige. La neige peut couvrir tout ou partie de la maille. Ce paramètre est défini sur l'ensemble du globe, même là où il n'y a pas de neige. Les régions non enneigées peuvent être masquées en ne considérant que les points de grille où l'épaisseur de neige (m d'équivalent eau) est supérieure à 0,0.
Albédo de la neige	Sans dimension	Ce paramètre est une mesure instantanée fournie par l'analyse et par la prévision et c'est une mesure de la réflectivité de la partie couverte de neige de la maille. Il s'agit de la fraction du rayonnement solaire (ondes courtes) réfléchie par la neige sur l'ensemble du spectre solaire. La neige peut couvrir tout ou partie de la maille. Ce paramètre change avec l'âge de la neige et dépend également de la hauteur de la végétation. Il a une plage de valeurs entre 0 et 1. Pour une végétation basse, il se situe entre 0,52 pour de la vieille neige et 0,88 pour de la neige fraîche. Pour une végétation haute avec de la neige en dessous, il dépend du type de végétation et a des valeurs comprises entre 0,27 et 0,38. Ce paramètre est défini sur l'ensemble du globe, même là où il n'y a pas de neige. Les régions non enneigées peuvent être masquées en ne considérant que les points de grille où l'épaisseur de neige (m d'équivalent eau) est supérieure à 0,0.
Évaporation de la neige	m d'équivalent eau	Ce paramètre est fourni par la prévision uniquement et il s'agit de l'accumulé. Ce paramètre est la profondeur d'eau qu'il y aurait si la neige évaporée (de la zone enneigée d'une maille) était liquide et était répartie uniformément sur toute la maille. Ce paramètre est accumulé sur une période de temps particulière. Pour la réanalyse, la période d'accumulation est d'une heure se terminant à la date et à l'heure de validité. La convention IFS veut que les flux descendants soient positifs. Par conséquent, des valeurs négatives indiquent une évaporation et des valeurs positives indiquent un dépôt.
Chute de neige	m d'équivalent eau	Ce paramètre est fourni uniquement par les prévisions et correspond à la neige accumulée qui tombe à la surface de la Terre. Il s'agit de la somme des chutes de neige à grande échelle et des chutes de neige par convection. Les chutes de neige à grande échelle sont générées par le schéma des nuages dans le système intégré de prévision de l’ECMWF (IFS). Le schéma des nuages représente la formation et la dissipation des nuages et les précipitations à grande échelle dues aux changements des quantités atmosphériques (telles que la pression, la température et l'humidité) prédites directement à des échelles spatiales de la maille de la grille ou plus grandes. Les chutes de neige convectives sont générées par le schéma de convection de l'IFS, qui représente la convection à des échelles spatiales plus petites que la maille. Dans le modèle, les précipitations sont constituées de pluie et de neige. Ce paramètre est accumulé sur une période de temps particulière. Pour la réanalyse, la période d'accumulation est sur l'heure se terminant à la date et l'heure de validité. Les unités de ce paramètre sont la profondeur en mètres d'équivalent eau. Il s'agit de la profondeur qu'aurait l'eau si elle était répartie uniformément sur la maille. 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.

Ces produits peuvent être trouvés en sélectionnant leur nom dans la catégorie neige sur les pages ci-dessous :

- données horaires sur les niveaux simples de 1950 à 1978,

- données horaires sur les niveaux simples 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,

Plus largement, ERA5 fournit quatre sous-ensembles principaux disponibles, avec un échantillonnage horaire et mensuel : les niveaux de pression (champs d'air supérieur) et les niveaux simples (quantités atmosphériques, vagues océaniques et surface terrestre).

Note : La convention pour les accumulations utilisée dans ERA5 et dans ERA5-Land diffère.

Le ECMWF fournit une table de conversion pour les variables accumulées (précipitations/flux totaux) pour ERA5-Land et ERA5. La table montre comment les variables accumulées provenant d'un certain nombre de jeux de données C3S et ECMWF doivent être traitées pour obtenir des valeurs pour une heure, un jour, un mois et une année. Dans la documentation, 'les précipitations totales' et 'le rayonnement solaire' sont utilisés à titre d'illustration, mais le même traitement devrait être appliqué à toutes les variables de précipitation et de flux radiatif.

Couverture et résolution spatiales :

La température à 2 m de l'ERA5, comme toutes les données de l'ERA5, est un jeu de données mondial. Toutes 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 :

Les données de température à 2 m de l'ERA5, comme toutes les données de l'ERA5, sont disponibles de 1950 à aujourd'hui (divisées 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 à l'échantillonnage horaire et mensuel (voir ci-dessus).

La température à 2 m de l'ERA5, comme toutes les données de l'ERA5, est mise à jour quotidiennement avec un temps de 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)

Comme toute autre variable climatique issue d'un produit de réanalyse, la température à 2 m est potentiellement influencée par toutes les observations assimilées dans le produit. 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 (« screen level » en anglais). La documentation technique en ligne (uniquement en anglais) fournit des tableaux avec les observations satellitaires et in-situ utilisées comme entrée dans ERA5.

Les mesures satellitaires utilisées dans l'ERA5 sont les suivantes : température, humidité, ozone, collonne de la vapeur d'eau, eau liquide dans les nuages, précipitations, vitesse du vent à la surface de l'océan, vecteur vent, humidité du sol, 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 la hauteur 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 (L'Amérique du Nord seulement) à partir de NOAA/NESDIS IMS. L'analyse de la neige est mise à jour sur la base d'une interpolation optimale bidimensionnelle des observations de la profondeur de la neige effectuées par les stations et de la couverture neigeuse de l'IMS à une résolution de 4 km. La couverture neigeuse de l'IMS n'est pas utilisée au-dessus de 1500 m.

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.

Informations concernant la qualité technique et scientifique

Les données ERA5 représentent la dernière réanalyse atmosphérique globale produite par le Service des changements climatiques de 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 produits principaux de documentation scientifique. Une liste des "problèmes connus" est tenue à jour dans la documentation en ligne (uniquement en anglais):

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, des évaluations dans d'autres régions ont montré que dans les régions montagneuses au-dessus d'environ 1 500 m, l'épaisseur de la neige est irréaliste dans ERA5.

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 mensuelles moyennes 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.