Les simulations obtenues avec les GCM

Entrées, sorties et forçages :

Une fois le modèle validé, on peut enfin l'utiliser pour effectuer des prévisions. On utilise alors des données (entrées) déterminant deux types de conditions :

1. : les conditions initiales (définies au jour 1).
2. : les conditions de forçage : un modèle a besoin de données qu'il ne calcule pas lui-même mais qui sont prises en compte dans ses calculs. Ces données sont des sorties d'autres modèles. Par exemple, un modèle atmosphérique a besoin, entre autres, de deux entrées : la température de surface des océans ainsi que le taux de CO2 atmosphérique. Ces deux données ne sont pas calculées par le modèle atmosphérique, mais elles sont indispensables pour qu'il puisse calculer sa propre sortie qui est la température de l'air :
   • la température de surface océanique est une sortie d'un modèle océanique. Ce dernier va donc forcer le modèle atmosphérique, mais pas sur tout le maillage, uniquement sur la surface de contact entre l'atmosphère et l'océan. On parle alors de forçage aux limites.
   • le taux de CO2 est avant tout une sortie d'un modèle économique (n'oublions pas les effets anthropiques, voir document ci-dessous). Ce CO2 étant partie intégrante de l'atmosphère, le forçage se fait à tous les niveaux (pas de notion de limite). On parle simplement de forçage.

Sorties en CO2 (en ppm) provenant d'un modèle économique d'après deux scénari (A2 et B2) (source : GIEC)

Il faut remarquer que bien souvent le forçage est à double sens. Ainsi, un modèle atmosphérique a besoin de la température de surface des océans, mais le modèle océanique a besoin à son tour de la température de l'air en contact avec les océans.

Les sorties obtenues par le fonctionnement d'un modèle sont toujours sous forme numérique. Un logiciel graphique indépendant se charge ensuite de les traduire en quelque chose de plus lisible, comme un graphique, un histogramme ou un fond de carte. La résolution du document final dépend en premier lieu de celle du modèle utilisé (résolution lâche pour des problèmes de temps de calculs), mais aussi de celle du logiciel graphique (paramétrable à souhait). Les deux exemples suivants montrent bien l'impact du choix de la résolution graphique sur la lisibilité de la simulation, alors que les deux GCM utilisés ne sont pas si différents en résolution propre (même si CGCM fait mieux que aom) : dans le premier cas, la résolution graphique se rapproche de celle du modèle aom, alors que dans le deuxième cas, la résolution graphique adoptée "gomme" la résolution propre de CGCM.

Impact du choix de la résolution graphique sur la lisibilité de la simulation
modèle 4x3-aom-2004 (source NASA/GISS) la résolution graphique est proche de la résolution initiale du modèle	modèle CGCM2 (source CCmaC) la résolution graphique "gomme" la résolution initiale du modèle

Une nécessité technique : le couplage des différents modèles :

La simulation d'un phénomène aussi complexe que les climats et leurs variations implique de diviser cette tâche en plusieurs compartiments, chacun simulant une partie du phénomène étudié. Ainsi, nous allons trouver par exemple un modèle pour l'atmosphère, un autre pour les océans. Il faut ensuite associer ces modèles pour les faire travailler ensemble : c'est le couplage, et on parle de modèles couplés. Ce travail, selon les modèles à coupler, peut être réalisé tel quel (les deux modèles communiquent directement : la sortie d'un modèle devenant l'entrée de l'autre modèle), ou par l'intermédiaire d'un coupleur.

Si nous reprenons l'exemple du modèle IPSL-CM4v1, nous voyons que celui-ci est un modèle couplé composé de quatre modèles spécifiques (voir ci-dessous) : ORCA, LIM, LMDZ et ORCHIDEE, chacun modélisant un domaine particulier :

Architecture interne du modèle couplé IPSL-CM4v1 (source : IPSL)

Les échanges sont directs entre ORCA et LIM, et entre LMDZ et ORCHIDEE. Par contre, un coupleur est nécessaire entre ORCA et LMDZ. Il s'agit ici d'un coupleur autonome baptisé OASIS et développé par le CERFACS de Toulouse. Il existe deux modes de travail : séquentiel (un modèle attend les données de l'autre modèle pour travailler) ou en concurrence (les modèles fonctionnent en même temps). Comme l'expliquent Christophe CASSOU et Sophie VALCKE du CERFACS, "l'intérêt des coupleurs repose sur la modularité extraordinaire qu'ils autorisent (on peut réaliser des combinaisons de modèles à l'infini, ce qui multiplie les données, et donc une meilleure vision des résultats) et la possibilité de faire communiquer entre eux différents modèles tournant sur des plateformes différentes, et ceci pour un coût minimal". A ce titre, le coupleur OASIS est très utilisé dans le domaine de la prévision climatique.
 

 Les différents types de GCM disponibles :

Nous l'avons vu, il existe de nombreux types de GCM selon leur degré de perfectionnement, donc de complexité, et le compartiment qu'ils modélisent. Les quatre types majeurs sont les suivants :

AGCM (Atmospheric Global Circulation Model)

Il s'agit d'un modèle de circulation générale atmosphérique. Ce modèle est une représentation tridimensionnelle de l'atmosphère similaire à ceux utilisés en météorologie, mais produisant des prévisions sur des dizaines d'années ou des siècles, ce qui implique donc moins de précision (pour des raisons de temps de calcul). Ce modèle nécessite des données sur les températures à la surface des océans, sur l'étendue des glaces et les échanges avec la surface terrestre et la biosphère, c'est pourquoi il est souvent couplé, au minimum, à un modèle de la surface terrestre et de la cryosphère (glaces). Ce modèle ne peut pas être utilisé seul pour prédire des variations climatiques, car il n'indique pas comment les conditions climatiques évoluent au-dessus des océans. Par contre, il est très utile pour l'étude des processus atmosphériques, de la variabilité des climats et ses réponses aux changements des températures de surface des océans.

AGCM Slab (couplé à une "couche" océanique)

Ce type de modèle est identique au précédent, mais avec un compartiment "océan" idéalisé à une neveloppe d'eau de profondeur constante (généralement 50 m), les transferts de chaleur au sein de cette enveloppe étant constamment modifiés selon les variations climatiques. Un tel modèle est très utile pour simuler les conditions climatiques en fonction de niveaux fixes en CO2, mais il ne peut être appliqué pour prédire des changements climatiques car cela est largement déterminé par des processus océaniques profonds (non pris en compte ici).

OGCM (Oceanic Global Circulation Model)

Ce modèle de circulation océanique générale est la copie de l'AGCM, mais appliqué aux océans. Il est très souvent couplé à un modèle de cryosphère. Il est utilisé dans l'étude de la circulation océanique, de ses processus internes et ses variations (température, salinité, chimie,...). Il doit cependant être alimenté par des données de température de l'air à la surface, ainsi que d'autres propriétés atmosphériques (taux de CO2,...).

Modèle de cryosphère

Ce modèle, souvent intégré dans un AGCM ou un OGCM, modélise le comportement des glaces continentales et/ou océaniques, ainsi que les transferts de chaleur, salinité, albédo,... qui en résultent.

Modèle du cycle du carbone

Le cycle du carbone terrestre est modélisé dans la partie « surface terrestre » de l'AGCM, et le cycle du carbone océanique dans l'OGCM. Ce modèle est important pour appréhender de nombreux rétrocontrôles climatiques sur la concentration en CO2, par exemple l'impact de la croissance végétale ou encore la prise ou rejet de CO2 par les océans. Dans la majorité des modèles récents, ce cycle prend en compte les effets anthropiques (à partir de données provenant d'un modèle économique).

Modèle des interactions chimiques dans l'atmosphère

Il s'agit d'un modèle tridimensionnel incluant les principaux composés chimiques produisant ou détruisant l'ozone, le méthane, les CFC, les sulfates (...) dans la basse atmosphère. Il gère donc les GES (gaz à effet de serre autres que le CO2).

AOGCM (Atmospheric-Oceanic coupled Global Circulation Model)

Depuis les années 1990, les supercalculateurs ont permis de fusionner des AGCM avec des OGCM, afin d'obtenir des modèles plus performants. Ceux-ci prennent en compte les interactions complexes entre les océans, l'atmosphère et les terres.

Certaines différences constatées dans les résultats de simulations peuvent être dues à la conception même des GCM. Un AOGCM prendra plus fidèlement en compte les interactions océans-atmosphère, contrairement à un AGCM Slab. Mais ce n'est pas toujours le cas, et il faut se méfier des jugements trop hâtifs. Quoiqu'il en soit, la tendance actuelle est aux AOGCM (avec modèle cryosphérique) comportant des modèles de cycle du carbone et/ou de chimie atmosphérique.

Vous trouverez dans les tableaux suivants quelques caractéristiques des modèles GCM utilisés dans notre exposé :