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Comprendre la modélisation du climat

 

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  • Voir les conférences mises en ligne sur le site Formaterre :

Qu'est-ce qu'un modèle de climat ?

Physique du climat et sa modélisation.

Christophe Cassou (CNRS, CERFACS)

Modélisation numérique du climat. Introduction à EdGCM.
Christophe Cassou, Sophie Ricci (CERFACS) 

 

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EdGCM, EVA et PANOPLY : des outils pour traiter des données et afficher des résultats de modélisation climatique

 

  • EdGCM est donc d'abord un outil pédagogique... 

- EdGCM (Ed pour "Education") est une interface permettant de manipuler un modèle de la NASA développé par le Goddard Institute for Space Studies (GISS). Le modèle retenu est le MODEL II proposé dans sa version la plus récente 1.0.7 qui utilise une résolution spatiale très lâche de 8x10x9 (découpage en latitude-longitude par maille de 8°x10° et découpage de l'atmosphère en altitude selon 9 couches) : il s'agit d'une version dégradée (adaptée au monde de l'éducation d'où le nom EdGCM) qui autorise l'utilisation de machines moins gourmandes en ressources et en temps de calculs.

  • EdGCM utilise un modèle de circulation générale (MCG ou GCM)

 

Pour comprendre comment et pourquoi le climat change et pour prédire les changements, les climatologues ont construit des modèles numériques prenant en compte l'ensemble des compartiments du système climatique (atmosphère, océan, banquise, calottes glaciaires, continents et biosphère) ainsi que l'ensemble des interactions entre ces compartiments.

- Des modèles numériques représentent les compartiments sous forme de "boîtes".
Des équations permettent de combiner les différents phénomènes envisagés et de représenter leurs comportements différents à l'échelle temporelle (par exemple, la circulation atmosphérique varie selon des mouvements rapides à l'échelle de la semaine alors que l'océan varie plus lentement...) et surtout de représenter des comportements non linéaires c'est-à-dire non proportionnels aux perturbations.
On peut consulter les pages consacrées au logiciel VENSIM et à la modélisation par compartiments (équipe  Orléans-Tours) : pour chaque "boîte", le modèle fait le bilan des échanges d'énergie et de matière et calcule l'effet d'une perturbation climatique. Mais ces modèles en "boîtes" ne rendent pas compte de la répartition géographique des phénomènes étudiés.

- Des modèles de circulation générale représentent les différents compartiments par un maillage tri-dimensionnel.
C'est l'augmentation de la capacité de calculs des ordinateurs qui a permis les progrès dans la modélisation de plus en plus fine du système climatique par l'intermédiaire d'un découpage en latitude, longitude et altitude des compartiments en un réseau de mailles. Chaque maille du réseau peut donc être considérée comme une "boîte" à l'intérieur de laquelle s'effectue le traitement des équations prenant en compte des phénomènes à grandes et petites échelles (exemple des couplages entre différentes enveloppes, des nuages...). Selon la résolution spatiale du maillage et les choix d'approximation des phénomènes complexes, différents modèles sont proposés par plusieurs laboratoires (environ une quinzaine actuellement).

 
- le modèle s'appuie sur le calcul des transferts radiatifs dans l'atmosphère ce qui permet des simulations relativement correctes de la circulation atmosphérique selon 2 modes de fonctionnement : à l'équilibre ou en mode transitoire.

- Fonctionnement à l'équilibre :
Dans ce mode de fonctionnement, on introduit une perturbation dans les conditions initiales puis on lance les calculs pour une durée suffisamment longue pour atteindre un état stationnaire du point de vue statistique.

 Selon le comportement de l'océan prédéfini par les options des conditions aux limites choisies pour initialiser l'expérience, on atteint l'équilibre pour une durée de 5 à 10 ans de simulation (cas d'un modèle uniquement atmosphérique où l'océan est statique).

 Mais si on utilise un modèle associant la couche de mélange océanique (cas de l'option de modèle Qflux qui intègre un océan échangeur en surface ), il faut compter une durée de simulation d'environ 35 ans (selon les indications données dans la notice d'utilisation d'EdGCM) alors qu'en réalité l'équilibre est en général atteint au bout d'une durée de 60 à 70 ans. Si on incorpore la circulation profonde océanique (EdGCM permet l'option intermédiaire associant couche de mélange et diffusion vers l'océan profond - Mixed-Layer + Deep ocean-), il faut compter 100 années voire plusieurs centaines d'années selon l'expérience pour atteindre l'équilibre. Enfin, il faut noter qu'EdGCM ne permet pas pour l'instant la modélisation dynamique de l'océan (option non valide au niveau de l'interface).

- Fonctionnement en mode transitoire :
L'expérience s'effectue en fonction de conditions aux limites définies par exemple selon les reconstitutions paléo-géographiques connues (extension des calottes glaciaires, des surfaces continentales, de la végétation, des reliefs)  et avec des conditions initiales déterminées par l'expérimentateur qui souhaite appliquer différents forçages et simuler ainsi une évolution paléoclimatique ou une évolution future (avec plusieurs options pour le forçage océanique). La durée de simulation peut être relativement courte (1 à 10 ans) dans le cas de reconstruction paléoclimatique où l'océan est statique (il définit une condition aux limites) mais peut être aussi de durée relativement longue (100 ans et plus) dans le cas de scénario du GIEC par exemple (où on introduit un océan échangeur avec l'atmosphère soumise à un forçage "continu" des concentrations en GES au cours de la simulation ) .

 

  • Etudier les variations du climat :

On peut donc appliquer les modèles climatiques pour étudier l'histoire des climats et leur évolution future. Trois grandes périodes peuvent servir de cadre aux expériences de simulations :

- la période préholocène (avant 11500 ans Before Present) : toutes les simulations sont caractérisées par des conditions limites prédéterminées (répartition des masses continentales, extension des calottes glaciaires, végétation etc...) et qui sont en principe proposées dans les modélisations de EdGCM.
Ces expériences permettent les reconstructions paléoclimatiques.

- la période holocène préindustrielle (avant 1850) :
Elle est caractérisée par des conditions aux limites similaires à l'actuel et permet donc de définir une situation de référence avec des conditions initiales supposées pas encore perturbées par l'influence de l'Homme.

- la période dite "anthropocène" (postérieure à 1850) :
Elle  est caractérisée par les influences humaines sur le climat.

 

  • Tester la fiabilité de la modélisation avec EdGCM

 

Une démarche essentielle du modélisateur est de confronter les résultats des modèles  à diverses données climatiques bien repérées dans le temps.
Il est donc intéressant de choisir des périodes de "référence"  permettant une évaluation fiable du modèle utilisé.
Le Minimum de Maunder (1650-1710) est choisi pour évaluer la variabilité du climat en période préindustrielle.


- Une période de simulation spécifique : le Minimum de Maunder

Certains résultats obtenus à partir de simulations portant sur la période actuelle sont  aussi intéressants pour évaluer le modèle utilisé par EdGCM (modèle GISS MODEL II 1.0.7). On propose alors les 2 exemples ci-dessous :


- Comparer les distributions de la pluviosité et de l'évaporation
- Comparer les flux énergétiques

 

 

 

 

 

  • Sources bibliographiques :
    - Article de GAVIN A. SCHMIDT  "la modélisation des variations climatiques" dans l'ouvrage collectif  "L'Homme face au climat" sous la direction de Edouard Bard - Editions Odile Jacob - 2006
    - "L'homme et le climat" par EDOUARD BARD - Editions Gallimard - 2005

     DS équipe Angers

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