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Simulations climatiques : entre modèles et modélisations

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Simulations climatiques : entre modèles et modélisations

Au fil des années, les modèles climatiques ont gagné en cohérence et en précision. Ils parviennent à simuler de façon assez réaliste une multitude de caractéristiques du climat actuel ainsi que l’évolution observée de la température moyenne de la Terre depuis plus de 100 ans. Frédéric Hourdin, directeur de recherche CNRS et Francis Codron, maître de conférences à l’UPMC, travaillent au laboratoire de météorologie dynamique (LMD, CNRS/ENS/École polytechnique/UPMC). Le dénominateur commun ? LMDZ, composante atmosphérique du modèle conçu et développé par l’Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL, CNRS/UPMC/UVSQ/CEA/IRD/Cnes/École polytechnique/ENS), et qui fait référence aujourd’hui. Rencontre.

 

Frédéric Hourdin a participé à la construction de LMDZ, le modèle atmosphérique du LMD et la composante atmosphérique du modèle du système Terre de l'IPSL. Il s’intéresse aussi au climat d’autres planètes (Mars, Titan, Vénus), toujours en utilisant LMDZ. Il est le directeur-adjoint du LMD. Francis Codron étudie les interactions océan-atmosphère, fondamentales pour le climat, mais également d’autres aspects de la dynamique atmosphérique, notamment avec différentes versions de LMDZ.

 

Qu’est-ce qu’un modèle de circulation ?

C’est la mise en œuvre informatique d’un jeu d'équations et de formulations numériques, basées sur les lois de la physique, qui décrivent le comportement de l'atmosphère (ou de l'océan). Il existe des modèles en tout genre construits pour la prévision du temps mais aussi pour l’étude du climat, de la chimie atmosphérique, de l'océanographie côtière…

 

Cliquer pour lancer l'animation (© CEA)Nouvelle fenêtre.

 

Le coeur dynamique

Dans un modèle de circulation générale, l'atmosphère est représentée par un quadrillage tridimensionnel, où chaque maille fait environ trois cents kilomètres de côté sur un kilomètre de hauteur. Ce quadrillage s’étend sur les cinquante premiers kilomètres de l'atmosphère, les premières couches proches de la surface étant plus fines. Chaque maille est représentée par une valeur unique de la température, de l’humidité ou du vent. On calcule ensuite à intervalles réguliers l’évolution de ces valeurs en résolvant les équations de la dynamique des fluides (accélération des vents, transport de chaleur ou d’humidité).

 

Les paramétrisations

Un certain nombre de processus atmosphériques (développement de nuages, turbulence, échanges avec la surface) ont lieu à des échelles beaucoup plus fines que les mailles d’une centaine de kilomètres du modèle. D’autres, comme le rayonnement solaire ou infrarouge, ne sont pas décrits par les équations dynamiques.

 

Ces différents processus non résolus sont alors remplacés par des paramétrisations physiques. Il s’agit là encore de modéliser ces processus au sein d’une colonne atmosphérique (mailles sur la verticale),  mais contrairement à la dynamique, on les représente de façon simplifiée au lieu de les résoudre explicitement.

 

© Laurent Fairhead

 

LMDZ, le modèle de circulation générale

LMDZ est un modèle de circulation générale atmosphérique développé au LMD depuis les années 1970, avec des variantes donnant des versions terrestres et planétaires. Le « Z » de LMDZ vaut pour « zoom ».

 

Dans sa version terrestre, LMDZ est la composante atmosphérique du « Modèle intégré de climat » de l'IPSL, dont le développement est coordonné par le « pôle modélisation » et qui est impliqué dans l'énorme effort de recherche international sur l'évolution future du climat.

Du côté des planètes, les versions de LMDZ ont été développées en grande partie en lien avec l'exploration spatiale du système solaire, et plus récemment avec la recherche de planètes extrasolaires.

 

LMDZ permet aussi la simulation d'observations par satellites (RTTOV, ISCCP, CALIPSO…) et peut être utilisé en mode semi-opérationnel : versions zoomées, guidées temps réel ou non, transport de polluant et rétro-transport…

 

Le modèle climat de l’IPSL

Un modèle de climat rassemble les différentes composantes du système climatique et les couple entre elles : modèles de circulation atmosphérique et océanique, de surface continentale, de glace de mer, avec l’ajout le cas échéant de modules de chimie ou même de biologie marine.

L’IPSL rassemble l’expertise de ses différents laboratoires pour le développement de différentes configurations d’un modèle de climat commun, et maintient une plateforme permettant de mettre en œuvre ce modèle très complexe dans divers centres de calcul intensif, et de distribuer les résultats dans la communauté.

 

Se projeter dans le futur

Des projections des changements climatiques futurs suivant différents scénarios d’émissions de gaz à effet de serre ont été réalisées à l’aide de modèles de climat par plusieurs centres dans le monde, dont l’IPSL. Plusieurs résultats sont considérés comme robustes car ils se retrouvent dans les différents modèles et ont trouvé des explications théoriques. Ce sont notamment la distribution géographique de l’accroissement de température (plus élevé sur les continents que sur les océans, très fort en région Arctique), les changements de précipitations (augmentation dans les régions équatoriales humides et aux hautes latitudes, diminution dans les régions subtropicales), ou le retrait de la glace de mer dans les régions polaires.

 

La difficile évaluation des modèles

Les modèles de climat restent cependant, et par essence, une représentation approchée du système climatique réelle. L’évaluation des performances des modèles de climat est un exercice délicat du fait de la nécessaire observation d'un grand nombre de processus clefs (à l'intérieur des nuages ou au fond des océans) mais aussi de la complexité et de la variabilité du système climatique. Plus le modèle de climat devient réaliste, mieux il prend en compte les processus impliqués. À la difficulté de mesure des propriétés en local, s’ajoute celle de l'échantillonnage qui est loin d’être réglée.

 

Pour en savoir plus :

Laboratoire de météorologie dynamique (LMD, CNRS/UPMC/ENS/École polytechnique)Nouvelle fenêtre

 

Animation des pluies simulées par le modèle de l'IPSL (à haute résolution, plutôt quelques dizaines de kilomètres).



13/09/13