La prévision d'ensemble (ensemble forecast) est une technique reconnaissant que l'atmosphère est un système chaotique où de petites différences dans les conditions initiales peuvent produire des résultats très différents à moyen terme (le célèbre « effet papillon »). Au lieu d'exécuter une seule simulation du modèle météorologique, on réalise 20 à 50 exécutions avec des conditions initiales légèrement perturbées, générant un « éventail » de scénarios possibles.
L'analyse de l'ensemble fournit des informations qu'une prévision déterministe ne peut offrir : la moyenne de l'ensemble est généralement plus précise que n'importe quel membre individuel ; la dispersion (spread) indique l'incertitude — si tous les membres convergent, la prévision est fiable ; s'ils divergent largement, l'incertitude est élevée. On peut calculer des probabilités : par exemple, « 70 % de probabilité de pluie supérieure à 20 mm » si 35 des 50 membres produisent ce résultat.
Les principaux systèmes d'ensemble sont l'ENS de l'ECMWF (51 membres, 18 km, jusqu'à 15 jours), le GEFS de la NOAA (31 membres, jusqu'à 16 jours) et le γ-SREPS de l'AEMET (20 membres, haute résolution pour l'Espagne). Cette technique a révolutionné la prévision des phénomènes extrêmes comme les ouragans, les DANAs et les vagues de chaleur, permettant d'émettre des alertes des jours à l'avance.