WP2. Compréhension et réduction des biais des modèles. 1. Enjeux. Verrous identifiés dans le bilan.

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1 WP2. Compréhension et réduction des biais des modèles 1. Enjeux Verrous identifiés dans le bilan. L'évaluation récente des modèles de climat mis en œuvre dans le cadre du projet d'inter-comparaison CMIP5 au regard de la problématique du climat Ouest Africain souligne les progrès qui restent à réaliser dans ce domaine. Les biais principaux des modèles couplés, et en particulier le biais chaud quasi-systématique des températures de surface sur l'upwelling Atlantique sud n'a quasiment pas décru entre les exercices CMIP3 et CMIP5, pourtant espacés de six ans. Or ce biais chaud a un impact de premier ordre sur les pluies de mousson, qui ne progressent pas suffisamment vers le nord, du fait d'un gradient de température réduit entre le Golfe de Guinée et le Sahara. Même dans les simulations atmosphériques dans lesquelles on impose les températures de surface de l'océan observées comme conditions aux limites, des biais importants persistent, non seulement pour la pluie mais également sur les flux radiatifs ou les températures. Si des avancées importantes ont été réalisées dans la représentation des processus atmosphériques par les modèles et leurs paramétrisations, rien ne garantit que celles-ci conduisent à une amélioration de la représentation du climat Ouest-Africain, une fois intégrées au sein du modèle de climat. En fait on manque souvent de guide, de piste et de méthodologie pour passer des biais observés à des hypothèses testables et à une hiérarchisation des développements et améliorations à apporter dans le contenu même du modèle. Lien avec les priorités pour la société Ces biais persistants des modèles limitent fortement leurs utilisations pour des applications sociétales. D'une part, les forts biais des modèles couplés font planer un doute sur la confiance qu'on peut accorder à leurs projections des changements climatiques futurs au Sahel, et donc aussi à toutes les études de descentes d'échelles et d'impact réalisées à partir de ces simulations. Même si on accorde une certaine crédibilité à la tendance obtenue dans une simulation, le fait que l'état de base soit fortement erroné impose l application de méthodes de corrections sur les simulations pour les traduire en changements de ressources en eaux ou de potentiels agricoles. Or de telles corrections font croître l'incertitude des projections, dans la mesure où on ne peut jamais garantir que la méthode utilisée restera valide dans un climat modifié. D'autre part, les biais observés dans les modèles de climat affectent tout autant les simulations de prévision du temps ou de prévisions saisonnières. L'amélioration des modèles est donc un enjeu de premier plan, à la fois parce qu'une telle amélioration signifie toujours une avancée dans la compréhension du système modélisé, mais aussi pour l ensemble des applications utiles à la société, tant pour la prévision du temps aux échelles synoptique à intra-saisonnière que pour les prévisions saisonnières ou l'anticipation des changements climatiques à venir et de leurs impacts. 2. Stratégie L'objectif de ce WP est donc de réaliser des avancées significatives dans la représentation du climat Ouest-Africain dans les modèles de climat et prévision numérique du temps, globaux ou régionaux, couplés ou non, en s'appuyant sur les avancées réalisées dans le cadre d'amma en termes de

2 compréhension du système de mousson et d'améliorations de paramétrisations, en lien étroit avec le WP1. La réalisation d'un tel objectif passe in-fine par l'amélioration de la représentation des processus (nuages, convection, hydrologie, circulation méso-échelle, etc) mais le but ici n'est pas d améliorer seulement le comportement individuel des paramétrisations, mais aussi la représentation des interactions entre processus et vis-à-vis de la dynamique explicitement représentée par le modèle. L'idée est donc bien de s'attaquer de front aux principaux biais, en allant au delà de l introduction lente et incrémentale de développements de la physique des modèles, aussi pertinents soient-ils. On s'attaquera en priorité à des biais déjà bien identifiés : biais de températures océaniques dans les modèles couplés, biais sur le cycle saisonnier moyen des pluies ou des flux aux interfaces (à la surface et vers l'espace). L'approche la plus classique pour s'attaquer à ces questions consiste à améliorer la représentation des processus individuels : paramétrisation de la convection, des nuages ou de l'hydrologie ; accroissement de la résolution spatiale, etc. Les améliorations de paramétrisations s'appuieront ici en particulier sur des études de cas tests bâtis sur les résultats de la campagne AMMA. Quand un nouveau développement est disponible, on l'intègre dans le modèle de climat et on teste son impact, ici sur la représentation du climat Ouest-Africain. En suivant cette approche, des avancées significatives ont pu être obtenues récemment au LMD avec la «nouvelle physique» qui permet de mieux représenter le cycle diurne de la convection et les forçages radiatifs des nuages. Pourtant, de façon surprenante, les changements profonds entre la physique précédente et cette nouvelle physique n'ont eu que très peu d'impact sur la représentation des biais moyens comme les biais chauds de l'upwelling sud-atlantique ou la représentation du cycle saisonnier moyen de la pluviométrie (Hourdin et al., 2012). Il est donc crucial de construire des stratégies et méthodologies qui permettent de réduire ce saut dans l'inconnu que représente le passage de l'amélioration d'une paramétrisation à sa mise à l'épreuve dans des simulations tri-dimensionnelles. Deux voies peuvent être poursuivies à cette fin. Dans la première, on essaie de tester la paramétrisation dans un contexte intermédiaire entre les études de cas 1D et le modèle climatique complet : simulations 1D longues avec couplages, équilibres radiatifs-convectifs perturbés. Un certain nombre de ces étapes possibles commencent à apparaître, notamment au travers de programmes comme Euclipse ou Embrace. Des méthodologies doivent également être développées dans l'autre sens, du climat vers les processus, du 3D vers le 1D, pour comprendre les biais des modèles, faire le lien avec leur physique, analyser finement les biais jugés prioritaires, proposer des améliorations de physique et au final constater la réduction de ces biais. Pour cela, la mise en place d un lien entre les modélisateurs et les personnes qui étudient le système mousson dans sa globalité ou en termes de processus plus fins (ie WP1) doit continuer à être encouragée et renforcée. L'analyse dans une vision systémique des observations disponibles depuis la campagne AMMA, notamment des flux aux interfaces (à la surface avec les super-sites instrumentés et de l espace avec les nouveaux satellites) devrait permettre de progresser de façon significative en ce sens. S il faut évidemment que les modélisateurs s'approprient ces données et leur contenu physique, il est tout aussi important que les personnes expertes dans l'analyse de ces observations s'approprient les modèles ou les résultats des simulations, et ainsi interrogent les observations au regard de la physique du système dans son ensemble, telle qu'elle peut être représentée, même très imparfaitement, dans ces modèles. Là aussi, des avancées ont déjà été réalisées dans la dynamique du projet AMMA.

3 La réduction des biais dont il est question ici concerne principalement les améliorations de la représentation du cycle saisonnier moyen (sachant que les échelles plus courtes et plus longues sont étudiées dans les WP1 et 3). Evidemment, la bonne représentation d'échelles de temps plus courtes peut être importante pour réduire ces biais, auquel cas le WP2 est directement concerné. De ce point de vue, le positionnement de ce WP rejoint celui de l'expérience AMMA-MIP pendant le projet AMMA, sauf qu'on passe ici de l'évaluation à l'amélioration. D'autre part, si AMMA s'était plutôt concentré sur la région et la saison des pluies de mousson, les problèmes de flux et températures identifiés en saison sèche, et l'importance des forçages radiatifs sur le Sahara, soulignent que l'étude doit être étendue à la saison sèche et à l'atmosphère sèche. Les travaux développés dans ce WP ont des liens étroits avec les projets Européens Euclipse et Embrace et avec le projet Lefe Dephy portant sur le Développement et l'evaluation des PHYsiques des modèles de climat et de prévision du temps. 3. Mise en œuvre Elle se fera autour des objectifs principaux suivants : Objectif 1. Réduire des biais des modèles couplés océan-atmosphère, et notamment les biais de SST sur l'upwelling. Aurore Voldoire, Guy Caniaux, Hervé Giordani, Bernard Bourles, Jean-Luc Redelsperger, Laurence Eymard, Gaelle Coetlogon, Frédéric Hourdin, Catherine Rio, Sophie Bastin, Serge Janicot, Alban Lazar, Pascale Braconnot. L'objectif est d utiliser les résultats acquis lors de la période pour tenter d améliorer les simulations numériques des modèles couplés de climat. A l heure actuelle, tous les modèles couplés océan-atmosphère qui sont utilisés pour réaliser des simulations climatiques sont incapables de représenter correctement la variabilité interannuelle de la langue d eau froide (e.g. Richter et al., 2011, Wahl et al., 2011, Tozuka et al., 2011). La langue d eau froide est mal positionnée et l amplitude de son refroidissement insuffisante. Par conséquent, son interaction avec la mousson de l Afrique de l Ouest est irréaliste. Les projections climatiques sont par ailleurs incertaines en ce qui concerne l évolution du climat en Atlantique Tropical et celle des précipitations associées à la mousson Africaine. Cette région représente ainsi un enjeu majeur pour la modélisation climatique. Il s agira dans une première phase de comprendre l origine du biais chaud dans les modèles couplés. Outre les travaux se focalisant sur une origine purement océanique (mélange vertical, barrière de sel, etc.), ou purement atmosphérique (nuages mal représentés, vent de surface généralement trop faible), un effort important sera mené sur la question des couplages qui amplifient manifestement de façon importante tout biais initial dans l'océan ou l'atmosphère. La thèse de Moussa Diakhaté (Université de Dakar / LOCEAN) sur les interactions océan-atmosphère en Atlantique Tropical permettra notamment d'avancer en dans la compréhension des mécanismes de rétroaction de grande ou moyenne échelle (Bjerknes et / ou mode zonal, Wind-evaporation-SST et / ou mode méridional, rétroaction des flux de surface / advection horizontale, etc.) et de leur empreinte sur la langue d'eau froide à l'échelle de l'apparition du biais (c'est à dire quelques semaines). Pour cela, des

4 analyses combinant observations et réanalyses viseront à déterminer quels sont les couplages bien ou mal représentés dans les simulations. Dans une seconde phase, on essayera d agir sur la résolution et sur les paramétrisations (flux, de surface, mélange vertical océanique, drag atmosphérique etc.) pour réduire ces biais. Au CNRM, le modèle couplé CNRM-CM (tu ne mets pas une version?) sera utilisé dans des configurations partiellement contraintes pour quantifier les sources d erreur. Des diagnostiques supplémentaires seront implémentés dans le modèle pour être analysés à la lumière des études antérieures. Enfin des études de sensibilité seront réalisées. A l IPSL, plusieurs modèles seront examinés. En version globale, le modèle NEMO-LMDZ sera mis en oeuvre dans des configurations diverses, dont celles qui permettront d'effectuer des études de sensibilité similaires au modèle CNRM-CM, et de comparer les résultats. De plus, il pourra bénéficier de l'implémentation de la «nouvelle physique» du modèle LMDZ, et d'en estimer l'impact dans cette région du globe très sensible. Les simulations couplées régionales NEMO- WRF seront également mises à profit pour l'interprétation des tests de paramétrisations dans les modèles couplés globaux. Le CNRM et l IPSL sont tous deux engagés dans le futur projet européen FP7 qui est en cours d élaboration pour l automne Objectif 2. Analyser les biais de la représentation du cycle de l'énergie et de l'eau en Afrique de l'ouest. Dominique Bouniol, Françoise Guichard, Béatrice Marticoréna, Geneviève Sèze, Frédéric Hourdin, Jean-Louis Dufresne, Cyrille Flamant, Ionela Musat, Jean-Yves Grandpeix, Catherine Rio, Philippe Peyrillé, Romain Roehrig, Laurent Kergoat, Christophe Peugeot, Bernard Cappelaere, Fleur Couvreux Il s'agira ici de construire à partir d'une analyse croisée des observations, des modèles de climat et du modèle conceptuel développé dans le WP1 une vision d'ensemble des grands équilibres qui régissent le climat moyen en Afrique de l'ouest. Sur la base de cette analyse, on tentera d'identifier les origines possibles des biais principaux des modèles, d'établir un ensemble de critères clés permettant de mesurer la bonne représentation du système de mousson et de contraindre le cycle de l'énergie et de l'eau dans la région Ouest-Africaine. On proposera enfin des hypothèses testables pour l'amélioration des modèles. On exploitera en particulier la richesse des mesures disponibles sur un certain nombre de sites bien instrumentés depuis le début d AMMA («super-sites») XXXCOMMMENT LES DENOMMENT ON?. On mettra en exergue les caractéristiques robustes ou «propriétés émergentes» de ces enregistrements, comme la faible variabilité des températures pendant certaines périodes de l année, le temps de réponse de l'évaporation à la pluie,... La représentation de ces propriétés par les modèles sera analysée. Lorsqu elles seront raisonnablement capturées, une analyse plus fine permettra d identifier si elles ont pour origine la bonne combinaison des divers processus. Dans le cas contraire, on essaiera d'identifier le ou les processus mis en cause et d'améliorer leur représentation. Dans la mesure du possible, l ensemble de ces propriétés robustes et émergentes permettra de définir des critères d'évaluation des modèles, basés sur les processus. Ces critères pourront être ensuite appliqués aux simulations multi-modèles mises à disposition dans le cadre du projet CMIP5. Un élément important sera d'évaluer et améliorer la représentation des forçages radiatifs de la circulation atmosphérique sur le continent. Les analyses préliminaires des simulations CMIP5 ont en effet mis en évidence des biais très importants, atteignant plusieurs dizaines de W/m2 sur des régions aussi grandes que le Sahara. On identifiera plus précisément l'origine de ces biais sur ces forçages radiatifs (albédo de surface, vapeur d'eau, nuages, aérosols) et on proposera des améliorations de leur représentation dans les modèles. En particulier, on tentera de palier à l absence quasi-systématique dans

5 les modèles des nuages moyens vers 5-6 km au-dessus du Sahel et du Sahara. En plus des effets radiatifs des nuages associés à la mousson, essentiels aussi pour la bonne simulation des températures de surface de l océan Atlantique tropical (avec le problème notamment de la mauvaise représentation des cumulus d'alizés et strato-cumulus marin dans les modèles), l accent sera également mis sur les effets radiatifs des aérosols, dont l impact est crucial pour la représentation de la dépression thermique saharienne. Afin de quantifier précisément les améliorations réelles des modèles, et en particulier qu elles se font pour de bonnes raisons, sans compensation d erreurs, un ensemble de diagnostics proche des processus physique sera proposé. Ces derniers seront mis en œuvre sur les modèles de CMIP5 et les versions en cours de développement, ce qui constituera une poursuite du projet AMMA-MIP et permettra de valoriser plus largement les résultats et expertises acquis pendant la campagne AMMA. Une réflexion devra être menée pour identifier les moyens humains (½ à 1 ETP) nécessaires à la réussite de cet objectif. Objectif 3. Comprendre quels sont les enjeux liés aux interactions d'échelles pour la réduction des biais en Afrique de l'ouest. Benjamin Pohl, Sophie Bastin, Jean-Yves Grandpeix, Frédéric, Hourdin, Francis Codron, Romain Roehrig, Jean-Philippe Lafore, Bejamin Sultan, Arona Diedhiou, Laurent Kergoat, Ionela Musat, Fleur Couvreux. Les questions d'échelles sont évidemment particulièrement importantes pour le système de mousson : forçage de très grande échelle (gradient thermique entre l'atlantique sud et le Sahara + téléconnexions variées), échelle synoptique (flux de mousson, ondes d'est), systèmes convectifs organisés, convection localisée, couche limite. Mais peu d'études sont menées spécifiquement pour identifier lesquelles d entre elles doivent être capturées par les modèles pour reproduire le climat Ouest-Africain. Une bonne représentation du couplage entre onde d'est et convection est-elle par exemple une priorité ou un enjeu important pour la bonne représentation du cycle saisonnier. On s'attaquera en particulier aux questions suivantes : - Quelle est l importance des effets de couplages à petite échelle entre surface et convection pour la représentation du climat? - Quel est le rôle des interactions entre ondes d'est et convection pour la représentation du climat? - Quelle est l importance de bien représenter le cycle de vie et la propagation des systèmes convectifs? - Quelle est la bonne stratégie pour produire des simulations utilisables pour les études d'impact? - Quelle est la valeur ajoutée des simulations à aire limitée? Quelle est la stratégie de mise en œuvre de ces simulations? La réponse à ces questions repose essentiellement sur des études de modélisation, utilisant des modèles globaux, zoomés ou à aire limitée, avec différentes résolutions, en croisant différents jeux de paramétrisations physiques avec les différentes configurations de modèles. On analysera en particulier les résultats des simulations AMIP (avec températures de surface de l'océan imposées) réalisées dans le cadre du projet CMIP5 et les simulations du projet Cordex. En fonction des questions abordées, des simulations plus spécifiques et/ou idéalisées seront réalisées avec les modèles impliqués dans le projet : LMDZ, Arpege, Arome, Aladin, WRF.

6 Objectif 4. Améliorer la représentation des processus couplés surface/couche limite/ convection. Françoise Guichard, Catherine Rio, Fleur Couvreux, Romain Roehrig, Agnès Ducharne, Aaron Boone, Frédérique Cheruy, Jean-Philippe Lafore, Catherine Ottle, Jean-Yves, Grandpeix, Camille Risi, Philippe Peyrillé, Abdoul Khadre Traore, Marie Lothon, Marine Bonazzola, Romain Roehrig, Marie- Pierre Lefebvre Il s'agira ici de proposer et tester des améliorations effectives de la représentation des processus atmosphériques dans les modèles de climat. L'identification des priorités de développemennt s'appuiera sur les résultats du WP1, sur les résultats obtenus dans les «objectifs» 1 à 3 exposés ci-dessus, et sur des études intégrées permettant de quantifier et comprendre le rôle des processus concernés pour le climat Ouest Africain. Pour cela, on se basera en particulier sur des simulations réalisées avec des modèles «réalistes» ou plus idéalisés (e.g., modèle 2D transect). On effectuera pour ces différents modèles des tests de sensibilités afin d identifier les processus clés et de tester des améliorations. On s'intéressera également à l'importance des réglages (tuning) plus fins des paramètres des modèles qui contrôlent notamment les équilibres radiatifs du système, ainsi qu à leur poids relatif vis-à-vis de l'amélioration à proprement parler de la représentation des processus. On se concentrera sur l'amélioration de la représentation des processus «humide» (hydrologie de surface, turbulence, convection et nuages) sur la région de mousson et le Golfe de Guinée, mais également sur celle de la représentation des couches limites sèches, de leur couplage avec les aérosols et les nuages, que l on retrouve sur la région saharienne et pendant la saison sèche sur le Sahel. Pour tester et améliorer la représentation des processus convectifs et nuageux, une stratégie éprouvée consiste à commencer par tester les paramétrisations proposées sur des cas test dans des versions uni-colonne des modèles de climat. Leur comportement est comparé à des simulations explicites équivalentes, réalisées avec des modèles 3D, dont les résolutions de ~100m à ~1km sur des domaines de quelques dizaines de km permettent de résoudre convenablement les processus que l on souhaite paramétriser. Le cas AMMA de déclenchement d'un orage isolé sur Niamey a permis par exemple de tester et proposer des améliorations significatives de la fermeture et du déclenchement de la convection dans la nouvelle physique du LMD (cf. bilan, Rio et al., 2012). Certaines des améliorations doivent encore être testées dans le modèle tri-dimensionnel. Afin de diminuer le saut que représente le passage de ce cadre 1D à la mise en œuvre dans le modèle de climat complet, un certain nombre de stratégies intermédiaires seront promues (quand elles existent) ou proposées : test dans des modèles 3D avec guidage, simulation de type prévision du temps pour les modèles de climat, test dans des simulations longues 1D appuyées sur des observations (super-sites) ou idéalisées (ensemble de cas de déclenchement de convection, proposé par Guichard et al., équilibre radiatif-convectif sur continent, par Rochetin et Grandpeix). L'augmentation des moyens de calculs devrait également permettre de réaliser des premières simulations explicites sur des domaines suffisamment grands (millier de km) et des périodes suffisamment longues pour représenter le cycle de vie des systèmes convectifs. Ce type de simulations constituera un jeu de données unique pour aider au développement et à la validation des paramétrisations, des interactions entre paramétrisations et de leurs interactions avec la circulation grande échelle. Un enjeu concernera également l extension de cette stratégie pour améliorer les couplage de la colonne atmosphérique avec les surfaces continentales et océaniques. Liste des modèles impliqués :

7 Modèles globaux LMDZ et le modèle couplé de l'ipsl ARPEGE climat Modèles régionaux : Aladin, LMDZ-Zoomé sur l'afrique, WRF, Arome? Modèles de surface Isba et Sechiba. Partenaires africains : LPAOSF et LAPA

8 BILAN MODELES WP : Evaluation et amélioration des modèles 1 - Bilan des réalisations des années 2009 à 2012 Les années 2009 à ont été marquées dans les groupes de modélisation du climat par la préparation des modèles et la réalisation des simulations numériques pour le projet CMIP5. L'analyse de ces simulations ainsi que des simulations Cordex réalisées avec des modèles régionaux constituera un matériel essentiel pour le prochain rapport du GIEC sur le changement climatique. Certaines des simulations ont été effectuées à l'ipsl avec un modèle qui a bénéficié d'améliorations de la représentation de la convection qui se sont appuyées pour partie sur des cas d'études de la campagne AMMA (Rio et al., 2012). L'analyse des ces simulations CMIP5 a débuté en 2012 et a fait l'objet d'un certain nombre de communications à la conférence AMMA de Juillet 2012, et à l'écriture d'un article de synthèse (Roehrig et al., 2012, soumis à J. Clim.). Enfin le travail spécifique sur les schémas de surface On décrit ci-dessous les principaux résultats obtenus sur ces questions. 1-a Biais des simulations couplées océan-atmosphères Les simulations CMIP5 on commencé à être mises à la disposition de la communauté courant Une vingtaine de groupe et modèles ont contribué à cet exercice, avec pour chacun un vaste ensemble de simulations correspondant à des configurations et protocoles très variés. On distingue notamment les simulations couplées océan-atmosphère et les simulations atmosphériques dans lesquelles les températures de surface océaniques sont imposées. Les simulations couplées océanatmosphère souffrent encore aujourd'hui de biais relativement important dans la représentation des températures de surface océaniques. Deux constats se dégagent des analyses CMIP5. D'abord elles confirment que ces biais sont relativement systématiques, avec dans tous les modèles analysés sauf un des biais chauds marqués sur les régions d'upwelling équatoriaux, et notamment dans le Golfe de Guinée (Fig XXX). Plus inquiétant, le biais moyen des modèles CMIP5 (ENSEMBLE sur la figure), est quasiment identique au biais moyen des simulations CMIP3, réalisées il y a environ 6 ans. Ces biais systématiques des températures océaniques ont un impact tout aussi systématique sur les précipitations de mousson qui montrent systématiquement un biais positif sur le Golfe de Guinée quand on compare les simulations couplées avec les simulation forcées par les températures de surface de l'océan observées, effectuées avec les mêmes configurations des modèles, les températures chaudes sur le golfe de Guinée diminuant systématiquement la pénétration du flux de mousson sur l'afrique de l'ouest. Si on regarde seulement les simulations Amip elles-mêmes, les modèles montrent encore des biais importants. La précipitation moyenne sur le Sahel est typiquement de 2 fois trop faible à deux fois trop forte suivant les modèles. Les températures peuvent montrer pour leur part des biais de 2 à 3 K sur de très large région (par exemple sur tout le Sahara).

9 Fig XXX : Biais de précipitations (mm/jour) et température de l'air à 2m (courbes, K, en rouge +1, +3, +3, en bleu, -1, -2, -3) dans les simulations couplées océan-atmosphère dans des simulations historiques CMIP5, comparées aux mêmes configurations de modèle atmosphériques forcés par les températures de surface de l'océan (en suivant le protocole Amip). 1-b Evaluation orientée vers les processus des simulations atmosphériques. Pour essayer de décomposer l'origine de ces biais, les résultats des simulations AMIP ont été analysés plus finement en exploitant les données obtenues pendant AMMA. Les travaux se sont principalement focalisés sur l'évaluation de la capacité des modèles à reproduire les principales caractéristiques de la Mousson d'afrique de l'ouest, sa variabilité intrasaisonnière des précipitations et son cycle diurne, en s'appuyant sur les jeux de données et les travaux réalisés durant la phase I d'amma. Ces résultats ont été regroupés dans uns publication Roehrig et al. (2012) récemment soumis à Journal of Climate. Il apparaît, dans ces simulations forcées, que la grande majorité des modèles présente un cycle saisonnier de la MAO raisonnable, avec un maximum de précipitation localisé vers N, dont l intensité est rarement capturée, un certain nombre de modèles les sous-estimant, les autres le sur-

10 estimant. Ces précipitations sont associées à l occurrence de nuages convectifs, si bien que la position de la ZCIT correspond à un maximum de nébulosité de forte extension verticale. Cependant des défaillances dans la représentation des autres types nuageux sont également apparentes. On notera en particulier une trop faible extension verticale (lorsqu'ils existent) des stratocumulus sur le Golfe de Guinée et un déficit quasi-systématique de la nébulosité de moyenne troposphère sur le Sahara. Dans cette région, les modèles présentent également une très grande dispersion sur la température de surface, qui atteint 7K, mais qui reste du même ordre de grandeur que celle obtenue entre les divers jeux de données. Les flux radiatifs à la surface dans les modèles ont été examinés montrant des biais cohérents avec les défaillances dans la représentation des nuages, bien que certains effets compensatoires peuvent être diagnostiqués. La représentation des aérosols est également un élément important, en particulier au Sahara, où il pourrait expliquer une grande partie de la forte dispersion des estimations. La variabilité intra-saisonnière est également un défi pour les modèles de climat : plus de la moitié des modèles de CMIP5 sous-estiment la variabilité de l'activité convective dans la gamme jours, en mettant trop de poids sur les échelles de temps longues. Si les modèles présentent une variabilité raisonnable dans la gamme 3-10 jours, ils sous-estiment la variabilité très haute fréquence (inférieures à 3 jours) qui résulte de précipitations très intermittentes et peu persistantes sur le Sahel. Le cycle diurne des précipitations a été examinés dans les modèles fournissant des sorties à haute cadence temporelle. Le phasage des précipitations avec le maximum d'insolation reste un problème persistant dans les simulations de CMIP5, malgré une amélioration notable dans la nouvelle physique du modèle de l IPSL. Les précipitations en Afrique de l'ouest proviennent également en grande partie de systèmes convectifs se propageant vers l'ouest et initiés en fin de journées sur les reliefs. La capacité à simuler de tels systèmes propagatifs demeurent un défi pour les modélisateurs, et n'existe à l heure actuelle dans aucun modèle. 1-c Amélioration de la représentation des processus convectifs dans les modèles de climat. Parmi plusieurs études de processus sur les phénomènes de convection menées dans la cadre d'amma, on retiendra nota celles ayant conduit à la définition d'un cas d'étude de développement de convection diurne en conditions semi-arides telles que rencontrées au Sahel (Lothon et al. 2011). Une simulation à haute résolution de ce cas a été réalisée, qui intègre les différentes phases observées, de la croissance de la couche limite à l'apparition des premiers nuages de couche limite, et en fin d'après midi, le déclenchement de convection profonde et la formation de courant de densité convectifs (Couvreux et al. 2012). Les conditions initiales et limites de cette simulation ont été définies de manière à permettre une simulation de cette situation dans les mêmes conditions avec un modèle paramétré. Ceci permet une comparaison directe des processus représentés dans chacun des modèles. Les paramétrisations de la convection avaient été jusqu'à présent peu testées dans ce type d'environnement qui présente des caractéristiques bien distinctes de celles rencontrées dans les tropiques humides, telles une fraction évaporative faible, une croissante diurne importante de la couche limite conduisant à une décroissance diurne de la CAPE. Ce type de situation fait intervenir des interactions fortes entre couche limite et convection profonde, et permet d'analyser dans le détail le fonctionnement de la nouvelle physique intégrée dans LMDZ qui visent justement à traiter de manière plus physique ces processus et leurs interactions (Hourdin et al. Clim Dyn 2012). L'étude de Rio et al. (2012) montre effectivement que la nouvelle physique de LMDZ, qui inclut une représentation des thermiques de couche limite, des poches froides et un contrôle de la convection profonde par les processus sous-nuageux, permet à la fois une meilleure simulation de ce cas d'étude et améliore dans le GCM 3D le cycle diurne de la convection simulée. C'est un résultat très satisfaisant et important: la simulation du cycle diurne de la convection reste en effet un problème récurrent de la plupart des autres

11 modèles de grande échelle. De part ses conditions très spécifiques, le cas AMMA a également permis de mettre en lumière un certain nombre de défauts dans la nouvelle version du modèle. Avec les versions initiales de la paramétrisation de cette nouvelle physique, la fermeture de la convection profonde qui repose sur le calcul des vitesses des panaches ascendants dans la couche limite convective a été mise en défaut, pour ce cas où la couche limite est particulièrement haute (3km) : La vitesse verticale à la base des ascendances convectives, utilisée dans l'équation de fermeture du schéma de convection, fixée à 1m/s, était adaptée pour des cas où la couche limite fait 1km. Plus elle est profonde, plus la flottabilité est importante et plus la vitesse dans les ascendances au niveau de convection libre est grande. Une nouvelle formulation, dans laquelle cette vitesse verticale augmente avec la hauteur du niveau de convection libre, permet de retarder le développement progressif de la convection profonde, en meilleur accord avec les observations (Rio et al., 2012). Une condition supplémentaire de déclenchement a également été mise au point, basée sur des critères géométriques, faisant intervenir un tirage au sort stochastique comparé à la probabilité d'avoir un panache thermique suffisamment grand dans la maille pou déclencher la convection. Ce critère supplémentaire a permis de retarder le déclenchement de convection profonde de 13h30 à 16h, ayant pour conséquence une meilleure représentation des nuages peu profonds de transition dans le cas AMMA, le modèle du thermique n'étant pas inhibé prématurément par la convection (Rochetin et al., en préparation). Ce nouveau déclenchement commence tout juste à être testé dans le modèle tridimensionnel. Malgré ces amélioration, certains défauts persistent encore et nécessiteront de revisiter les paramétrisations : une trop faibile intensité des thermiques de couche limite dans cet environnement caractérisé par un rapport de Bowen particulièrement fort (10) ; des poches froides qui se développent trop rapidement et sont trop froides et trop humides, dans l'environnement particulièrement sec de ce cas potentiellement à cause du déclenchement prématuré de la convection. L'évaluation fine des propriétés des poches froides à partir de la LES doit être effectuée. Le cas AMMA, de part ses conditions extrêmes et très spécifiques, a donc révélé un certain nombre de défauts de la nouvelle version de LMDZ, et des développements sont en cours pour les améliorer. 1-d Evaluation des modèles de surface. ALMIP (AMMA Land surface Model Intercomparison Project) est un projet international destiné à évaluer et inter-comparer des modèles représentants les échanges de matière (eau, carbone) et d'énergie à l'interface sol-végétation-atmosphère (modèles dits «de surface») sur la région ouest africaine. Les modèles de ce type sont couramment utilisés, en mode couplé avec des modèles atmosphériques pour les travaux sur le changement climatique, ou en mode autonome, dans le cadre des études d'impact des changements globaux, notamment le cycle hydrologique et les ressources en eau. En Afrique de l'ouest, ces questions constituent maintenant des enjeux scientifiques et sociétaux importants. La question se pose donc d'évaluer les performances de ces modèles, de surcroît dans une zone (Afrique de l'ouest) qui se caractérise par des échanges surface-atmosphère très intenses et où les modèles de surface ont été moins testés que dans d'autres régions, faute de données d'observation suffisantes. Les observations réalisées au cours de la campagne AMMA permettent maintenant de disposer des jeux de données nécessaires à ces évaluations. ALMIP est un projet international développé dans le cadre d'amma et soutenu par GEWEX (Global Energy and Water EXchange, composante du Programme Mondial de Recherche sur le Climat). Le principe du projet est d'utiliser une série de modèles de surface différents, en mode

12 autonome («off-line») et dans des conditions identiques (forçages atmosphériques, conditions de surface), et d'analyser les résultats par rapport à des données de référence. La première phase du projet (ALMIP-1, ) était centrée sur l'échelle régionale (Afrique de l'ouest), avec des simulations à la résolution de 0.5 et 3 heures (Boone et al, 2009). La seconde phase (ALMIP2) est dédiée aux simulations locales (~100x100 m2) et de méso-échelle ( km 2 ), à plus fine résolution (0.05, 30 minutes), sur la période L'expérience est ouverte à tout modèle (modèle TSVA, modèles hydrologiques, de dynamique de végétation) pour peu qu'il représente tout ou partie du fonctionnement de la surface continentale. Les domaines retenus pour la modélisation sont les trois sites expérimentaux de l'observatoire AMMA-CATCH ( au Mali, Niger et Bénin. Depuis une quinzaine d'années, ils permettent de documenter la dynamique de la végétation et le fonctionnement hydro-météorologique le long du gradient climatique ouest africain. Ces sites ont accueilli une grande partie des observations au sol de la campagne AMMA, et l'on dispose des données de référence nécessaires pour l'exercice ALMIP. ALMIP2 est en cours, et les resultats attendus de cette étude sont :i) la mise à disposition de la communauté scientifique internationale d'un ensemble de données de référence pour la modélisation à l'échelle locale et la méso-échelle sur la région, ii) la constitution d'un ensemble de simulations multimodèles, évalué et validé par des observations, représentant les meilleures estimations actuelles des processus de surface à la méso-échelle dans cette zone, iii) l'analyse critique des forces et faiblesse des différents modèles pour représenter les interactions surface atmosphère, et iv) la diffusion des résultats à la communauté scientifique sous la forme de recommandations quant aux précautions à prendre dans l'utilisation de ces modèles, aux performances que l'on peut en attendre, et aux perspectives de recherche futures. 2 Verrous et questions scientifiques à approfondir. Les analyses menées récemment soulignent les insuffisances des modèles de climat actuels pour simuler le climat en Afrique de l'ouest. Outre le doute que les biais des modèles peuvent faire porter sur les projections du changement climatique, la traduction des simulations existantes en termes d'impact sur l'agriculture ou l'hydrologie implique l'utilisation de méthodes statistiques de corrections de biais, qui posent en général autant de questions que les simulations elles-mêmes (on ne peut démontrer que ces corrections resteront stables dans un climat changeant). On peut identifier quatre points plus particulièrement sur lesquels des avancées importantes doivent être réalisées en priorité. La première concerne évidemment la réduction des biais dans les simulations couplées océanatmosphère. Le fait que la moyenne de ces biais n est pas évoluée entre les exercices CMIP3 et CMIP5 fait planer un doute sur le choix des priorités de ces dernières années réalisés par les groupes de modélisation mais soulignent sans doute en même temps la difficulté du sujet, et l'absence d'hypothèses sérieuses pour expliquer l'origine de ces biais. Les études menées dans le cadre d'amma, et la mise à disposition aujourd'hui d'observations beaucoup plus systématiques des flux et des nuages, à la fois sur les super-sites et grâce aux satellites de dernière génération, mettent en évidence des biais très importants dans les flux radiatifs à la surface et au sommet de l atmosphère. Ces biais proviennent sans doute à la fois d'une mauvaise prise en compte du forçage des aérosols, d'une mauvaise représentation des nuages et d'une modélisation encore trop grossière de l'hydrologie de surface et de son couplage avec la colonne atmosphérique. Dans quelle mesure ces erreurs sur les flux conditionnent-elles d autres erreurs sur la représentation de

13 la mousson dans les simulations climatiques, qu elles couplés ou forcées par les températures observées sur les océans? La représentation de la convection et de ses interactions avec les variabilités synoptique et intrasaisonnière est-elle déterminante? La plupart de ces questions demeurent ouvertes et expliquent sans doute en grande partie, de même que les biais des modèles couplées, que les progrès dans la représentation de ce système complexe dans les modèles restent difficiles. Quels processus sont manquant ou mal modélisé par la génération actuelle de LSM sur cette région (infiltration sur des sols encroûtés, de l'hydrologie endoréique...)? Quel est l'impact de changement de l'échelle spatiale sur les processus? Es-ce que les LSMs relativement simples peuvent simuler la réponse de la végétation au forçage atmosphérique à l'échelle de temps saisonnière (pendant plusieurs cycles annuels) pour les différents climats / couvertures végétales? Quels sont les impacts des incertitudes de la précipitation sur les flux de surface et les réponses hydrologiques dans les modèles LSM? Et en termes d'hydrologie, les modèles de surface ne représentent pas, pour la plupart, les transferts d'eau latéraux (entre mailles adjacentes), ni la dynamique des flux d'eau au delà des premiers mètres de sol. Ces mécanismes sont pourtant essentiels dans le cycle hydrologique. Sur le site du Bénin, par exemple, les écoulements en rivière proviennent principalement des transferts en subsurface. Il est donc nécessaire de mettre en oeuvre des méthodes de transfert dans le réseau hydrographique du ruissellement calculé par les modèles ALMIP, pour restituer un débit calculé à l'exutoire de chaque bassin versant. En plus, il faut modéliser la partition du flux d'eau traversant la base du réservoir sol des modèles en un terme d'écoulement latéral de sub-surface (alimentant les rivières) et un terme de recharge verticale (nappe). 3 Biblio Boone, A., P. de Rosnay, G. Basalmo, A. Beljaars, F. Chopin, B. Decharme, C. Delire, A. Ducharne, S. Gascoin, M. Grippa, F. Guichard, Y. Gusev, P. Harris, L. Jarlan, L. Kergoat, E. Mougin, O. Nasonova, A. Norgaard, T. Orgeval, C. Ottlé, I. Poccard-Leclercq, J. Polcher, I. Sandholt, S. Saux-Picart, C. Taylor, and Y. Xue, 2009: The AMMA Land Surface Model Intercomparison Project. Bull. Amer. Meteor. Soc., 90(12), Couvreux, F., F. Hourdin and C. Rio, Resolved versus parametrized boundary-layer plumes. Part I: a parametrization-oriented conditional sampling, BLM in press, 134: PDF Diatta, Sammo, F. Hourdin, I., A. T. Gaye, N. Viltard, 2010, Comparison of rainfall profiles in the West African monsoon as depicted by the TRMM-PR and LMDZ climate model,. Monthly Weather Review, 138: PDF Grippa, M., L. Kergoat, F. Frappart, Q. Araud, A. Boone, P. De Rosnay, J.-M. Lemoine, S. Gascoin, G. Balsamo, C. Ottlé, B. Decharme, S.Saux-Picart and G. Ramillien, 2011: Land water storage changes over West Africa estimated by GRACE and land surface models.wat. Res. Res., 47, W F. Hourdin, I. Musat, F. Guichard, P. M. Ruti, F. Favot, M.-A. Filiberti,* M. Pham, J.-Y. Grandpeix, J. Polcher, P. Marquet, A. Boone, J.-P. L afore, J.-L. Redelsperger, A. Dell aquila, T. Losada Doval, A. K. Traore, and H. Gallée 2010, AMMA-Model Intercomparison Project, BAMS, 91 : 95-+ PDF

14 Hourdin, F., J.-Y. Grandpeix, C. Rio, S. Bony, A. Jam, F. Cheruy, N. Rochetin, L. Fairhead, A. Idelkadi, I. Musat, J.-L. Dufresne, A. Lahellec, M.-P. Lefebvre, and R. Roehrig, 2012, LMDZ5B: the atmospheric component of the IPSL climate model with revisited parameterizations for clouds and convection, Clim. Dyn., 79, doi: /s y Jam, A., F. Hourdin, Rio C., and F. Couvreux, 2012, Resolved versus parameterized Boundary Layer Plumes: III Derivation of a statistical scheme for cumulus clouds, Clim. Dyn., accepted for publication Kaptue, A.T., J.-L. Roujean, J.-L., and S. Faroux, 2010: ECOCLIMAP-II: An ecosystem classification and land surface parameters database of Western Africa at 1 km resolution for the African Monsoon Multidisciplinary Analysis (AMMA) project. Rem. Sens. Environ., 114, Pedinotti, V., A. Boone, B. Decharme, J.-F. Crétaux, N. Mognard, G. Panthou, and F. Papa, 2012: Characterization of the hydrological functioning of the Niger basin using the ISBA-TRIP model. Hydrol. and Earth Sys. Sci., 16, , doi: /hess Rio, C., F. Hourdin, J.-Y. Grandpeix, and J.-P. Lafore, 2009b, Shifting the diurnal cycle of parameterized deep convection over land, Geophys. Res. Lett., 36, , 2009b PDF Rio, C., F. Hourdin, F. Couvreux and A. Jam, 2010, Resolved versus parametrized boundary-layer plumes. Part II: Continuous Formulations of Mixing Rates for Mass-Flux Schemes, BLM, 135: PDF Rio C., J.-Y. Grandpeix, F. Hourdin, F. Guichard, F. Couvreux, J.-P. Lafore, A. Fridlind, A. Mrowiec, N. Rochetin, R. Roehrig, A. Idelkadi, M.-P. Lefebvre, 2012, Control of deep convection by sub-cloud lifting processes: The ALP closure in the LMDZ5B general circulation model, Clim. Dyn., accepted for publication Roehrig, R., D. Bouniol, F. Guichard, F. Hourdin and J.-L. Redelsperger, 2012 : The presnet and future of the West African monsoon : a process-oriented assessment of CMIP5 simulations along the AMMA transect. Submitted to Journal of Climate. Ruti, P. M., J. E. Williams, F. Hourdin, F. Guichard, A. Boone, P. van Velthoven, F. Favot, I. Musat, M. Rummukainen, M. Domınguez, M. A. Gaertner, J. P. Lafore, T. Losada, M. B. Rodriguez de Fonseca, J. Polcher, F. Giorgi, Y. Xue, I. Bouarar, K. Law, B. Josse, B. Barret, X. Yang, C. Mari, and A. K. Traore, 2011, The West African climate system: a review of the AMMA model inter-comparison initiatives, Atmospheric Science Letters, 12, , PDF Verhoef, A., C. Ottlé, B. Cappelaere,T. Murray, S. Saux-Picart, M. Zribi, F. Maignan, N. Boulain, J. Demarty, and D. Ramier, 2012: Spatio-temporal surface soil heat flux estimates from satellite data; results for the AMMA experiment at the Fakara, Niger supersite, Ag. For. Meteor., (in press). Vischel T., T. Lebel, S. Massuel, and B. Cappelaere, Conditional simulation schemes of rain fields and their application to rainfall runoff modeling studies in the Sahel. J. of Hydrology. 375(1-2),

15 Vischel T., G. Quantin, T. Lebel, J. Viarre, M. Gosset, F. Cazenave and G. Panthou, 2011: Generation of high resolution rainfields in West Africa: evaluation of dynamical interpolation methods. J. of Hydrometeor., (in press).