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Prévision des traînées de condensation

L'API Contrails utilise deux modèles différents pour prévoir les traînées de condensation : un modèle basé sur le machine learning(ML) qui prédit les zones susceptibles de générer des traînées de condensation et un modèle basé sur la physique, Contrail Cirrus Prediction (CoCiP), qui prédit le réchauffement.

Modèle basé sur le ML

Le modèle de prévision des zones susceptibles de générer des traînées de condensation (CLZ) basé sur le ML prédit la probabilité de formation de traînées de condensation. Il s'agit d'un réseau de neurones profond qui prend des caractéristiques météorologiques comme entrées et prédit les CLZ en fonction des détections de traînées de condensation par satellite (Geraedts et al. 2023).

Ses entrées sont principalement constituées de caractéristiques météorologiques HRES : humidité spécifique, température, composante u du vent, composante v du vent, vitesse verticale, vorticité relative, fraction de couverture nuageuse, teneur spécifique en eau glacée des nuages, teneur spécifique en eau de neige et divergence. L'humidité relative est calculée à l'aide de l'humidité spécifique et de la température. Les entrées du modèle incluent également l'heure solaire locale, le jour de l'année, la latitude et l'altitude des points de cheminement du vol.

Pour certaines zones géographiques (par exemple, les États-Unis), le modèle est ajusté pour utiliser la latitude, la longitude et l'altitude comme caractéristiques d'entrée, tandis que le modèle de secours global n'utilise que la latitude et l'altitude.

Le modèle atteint des performances de pointe lorsqu'il est évalué par rapport aux données d'observation des traînées de condensation.

Modèle CoCiP

Le modèle de prédiction des cirrus de traînées de condensation prédit le forçage énergétique de la traînée de condensation, qui est une mesure de l'impact sur le climat de la traînée de condensation.

Le forçage énergétique est défini comme suit :

\[ EF [J] = \int_{0}^{t} RF'(t) \times L(t) \times W(t)dt \]

ce qui signifie le forçage radiatif instantané de la traînée de condensation intégré sur sa durée de vie (Teoh et al. 2020). Le forçage énergétique est normalisé par la distance de vol, ce qui donne des unités de (J/m).

CoCiP est un modèle basé sur la physique qui simule la formation, l'évolution et l' impact des traînées de condensation en utilisant les conditions atmosphériques, le type d'aéronef, la trajectoire de vol et d'autres caractéristiques (Schumann 2012 ; Schumann et al. 2012). Le modèle utilise 10 membres d'ensemble des ensembles de prévisions haute résolution (HRES ENS) d'ECMWF comme entrées pour advecter les points de cheminement du vol où des traînées de condensation se sont formées dans le temps (Hersbach et al. 2020). Le modèle CoCiP utilise également la théorie de la microphysique des nuages pour déterminer quelles traînées de condensation persistent, en tenant compte du courant descendant initial, de la chute et de la sublimation. Compte tenu de l'évolution simulée de la traînée de condensation, CoCiP calcule le forçage énergétique en fonction des propriétés de la traînée de condensation et des conditions météorologiques environnantes.

En plus de l'estimation du forçage énergétique de CoCiP, une estimation climatologique du forçage énergétique est calculée en faisant la moyenne d'une année de sorties CoCiP, regroupées par heure de la journée, saison et latitude.

La quantité finale de forçage énergétique est une moyenne du forçage énergétique des membres de l'ensemble CoCiP avec un EF non nul et de la moyenne climatologique, qui est toujours non nulle. L'inclusion de la climatologie dans la moyenne garantit une estimation de l'impact des traînées de condensation, même lorsque CoCiP ne prédit pas la formation d'une traînée de condensation à l'aide de l'un des membres de l'ensemble météorologique.

Forçage énergétique effectif attendu

Le forçage énergétique effectif attendu est ensuite calculé comme le produit des probabilités de formation de traînées de condensation calculées à partir du modèle ML et du forçage énergétique effectif de ces traînées de condensation calculées à partir du modèle CoCiP.

Valeurs de l'indice de forçage des traînées de condensation

Les valeurs de forçage énergétique effectif attendu calculées peuvent ensuite être mappées sur une échelle de 0 à 4 pour produire des valeurs d'indice de forçage des traînées de condensation. Les valeurs d'indice de forçage des traînées de condensation s'inspirent des valeurs de prévision des turbulences.

L'API Contrails traduit expected_effective_energy_forcing en indice de gravité contrails par écrêtage et échelle linéaire :

ds["contrails"] = ds["expected_effective_energy_forcing"].clip(min=2e7, max=2e8)
ds["contrails"] = ((ds["contrails"] - 2e7) / (2e8 - 2e7)) * 4

Pour en savoir plus sur ce mappage, consultez la page Interprétation du forçage énergétique.

Vous pouvez également consulter les notes de version de l'API Contrails et vous abonner aux annonces pour être informé des modifications apportées à cette échelle.

Équivalents CO2

Le forçage énergétique effectif attendu peut également être interprété en termes d'impact climatique des traînées de condensation comparable au dioxyde de carbone, c'est-à-dire leur équivalent $\text{CO}_2$.

Pour calculer l'équivalent $\text{CO}_2$ du réchauffement des traînées de condensation prévu, utilisez la conversion suivante :

\[ \text{CO}_2\text{eq [kg]} = EEEF \text{ [J]} \times \text{GWP Factor} \]

où :

EEEF est le forçage énergétique effectif attendu.
Le facteur PRG est le facteur de potentiel de réchauffement global, soit l'inverse du forçage énergétique intégré total produit par 1 kg de $\text{CO}_2$ sur un horizon temporel spécifique (H, en années). Il peut s'agir du PRG 20, 50 ou 100.

Offres de facteurs PRG

En fonction des horizons temporels de 20, 50 et 100 ans, les facteurs PRG proposés sont les suivants :

Horizon temporel	Facteur PRG (kg-$\text{CO}_2$/J)
GWP20	2,497e-9
GWP50	1,173e-9
GWP100	6,779e-10

Calcul du facteur PRG

Ces facteurs PRG sont dérivés du potentiel de réchauffement global absolu (PRGA) pour le $\text{CO}_2$ à l'aide des facteurs du 5e rapport d'évaluation du GIEC et du calcul suivant :

\[ \text{GWP Factor} = \frac{1}{AGWP_{\text{CO}_2, H} \times A_{\text{earth}} \times S_{\text{year}}} \]