Les mathématiques
du temps

L'auteur

Michel Béland,
directeur général des sciences de l'atmosphère et du climat au Service météorologique du Canada à Dorval.

L'origine du nom de la météorologie vient de la Grèce antique. Le mot meteor signifiait des particules en suspension dans l'atmosphère; la météorologie s'est donc donné l'objectif d'étudier ces mêmes particules. À l'origine purement descriptive, la météorologie est rapidement devenue un lieu d'application de la physique, de la chimie et des mathématiques.

En fait, à cause de la visibilité et de l'importance des phénomènes qu'elle décrit, elle en vint rapidement à susciter l'intérêt des plus grands scientifiques. Le premier mathématicien célèbre à s'intéresser à ce problème fut von Neumann dans les années 50. On lui doit la première formulation des équations météorologiques pouvant être intégrées aux superordinateurs de l'époque. Depuis lors, les techniques n'ont cessé de se développer et de se raffiner, en particulier grâce aux contributions du mathématicien québécois André Robert, des universités Laval et McGill.

De plus, aux techniques de prévision proprement dites, il faut ajouter celles que nécessitent les études de turbulence atmosphérique (un problème non encore résolu), et le problème associé de sa prévisibilité. En effet, même les formes les plus simplifiées des équations météorologiques peuvent mener à des formes chaotiques de l'écoulement; ce phénomène fut pressenti par des mathématiciens comme Poincaré et Kolmogorov (1954). La démonstration de ce que l'on appelle maintenant l'effet papillon fut le fruit du travail du grand météorologue Edward Lorenz, au MIT dans les années 70. Cela signifie que la plus petite erreur d'observation ou de modélisation peut dans certaines conditions s'amplifier exponentiellement et rendre toute prévision impossible après un certain temps, ce qui est caractéristique d'un écoulement chaotique.

Au fur et à mesure que se sont raffinés les modèles de prévision, on s'est rendu compte de l'importance cruciale de la spécification de l'état initial dans les trois dimensions de l'atmosphère. En effet, à chaque instant, des milliers, sinon des millions d'observations provenant de partout dans le monde (bateaux, avions, radiosondages, plates-formes dérivantes à la surface des océans, stations de surface, etc.) et de l'espace (satellites sondant le rayonnement émis par l'atmosphère dans une gamme étendue de longueurs d'onde) sont colligées et analysées afin d'obtenir la description la plus exacte possible de l'état de l'atmosphère à un instant donné. Ces observations doivent ensuite être reportées sur la grille de solution des modèles.