Le Climat et sa modélisation

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1 Le Climat et sa modélisation Introduction - le système climatique Sources naturelles de variabilité climatique Principes de la modélisation du climat La validation des modèles de climat D après les supports de Serge Planton, David Salas Météo-France, CNRM-GAME

2 Le climat : une définition Le climat se définit à partir de statistiques sur les évènements météorologiques et donc sur des états atmosphériques. Spatialement, un climat est caractéristique d une région plus ou moins étendue suivant que l on considère les climats zonaux, généraux ou régionaux. Le premier type de climat concerne une bande de latitude et dépend principalement de l inclinaison du rayonnement solaire au sommet de l atmosphère. Etymologiquement, le terme climat signifie d ailleurs «inclinaison». Il y a deux à trois types de climats généraux par bandes de latitudes, tandis que les climats régionaux couvrent des domaines atteignant plusieurs millions de kilomètres carrés de superficie. Temporellement, les statistiques sont généralement établies sur une période de 30 ans, mais le climat varie sur des échelles de temps allant de quelques semaines à plusieurs millions d années.

3 Le système climatique et les facteurs de forçage du climat Atmosphère Rayonnement Solaire Gaz à effet de serre (H 2 O, CO2, CH 4, N 2 O, CFCs, ) Particules Volcanisme Banquises Activités Humaines Glaciers Calottes Biosphère Océans Surfaces continentales Rivières et lacs Tectonique

4 Bilan d énergie au début du XXI e siècle (Wild et al, 2013) déséquilibre du bilan radiatif au sommet de l atmosphère de 0.6 W/m 2 Énergie supplémentaire reçue par le système climatique

5 Temps caractéristiques des échanges dans le système climatique

6 Bilan radiatif du système Terre-atmosphère Hémisphère Nord Hémisphère Sud Le bilan radiatif par cercle de latitude (Gill, 1982) Courbe rouge : rayonnement solaire moyen reçu au sommet de l atmosphère par cercle de latitude Courbe verte : rayonnement IR moyen émis vers l espace. Courbe bleue : rayonnement solaire absorbé

7 Bilan radiatif annuel observé par ERBE (Trenberth et Stepaniak, 2003) Moyennes annuelle en W/m2

8 Rayonnement net et transport d énergie Transport d énergie

9 Transport méridien d énergie La part de l océan La part de l atmosphère Courbe rouge : transport d énergie total nécessaire pour équilibrer le bilan énergétique moyen. Surface sous la courbe bleue : part d énergie transportée par l atmosphère. Surface entre les deux courbes : part d énergie transportée par les océans. (Gill, 1982)

10 Les circulations méridienne et de Walker

11 Cellules de Hadley 1 D après : Malardel Fondamentaux de météorologie Moyennes annuelles de vent méridien et de vitesse verticale. Les flèches résument, sur les zones de maximums, l info des champs superposés.

12 Cellules de Hadley 2 déc. janv. fév. Moyennes saisonnières de vent méridien et de vitesse verticale. juin juillet août Seule la cellule de l hémisphère d hiver est bien marquée. D après : Malardel Fondamentaux de météorologie

13 Vent zonal en moyenne saisonnière Décembre Janvier février Juin Juillet août D après : Malardel Fondamentaux de météorologie Moyenne zonale du champ de vent zonal (m.s 1) entre hpa et 100 hpa sur les 44 ans de réanalyse ERA40

14 La circulation thermohaline mondiale Transfert de chaleur vers atm. Courant chaud de surface Courant profond froid et salé Re-circulation profonde

15 Les changements climatiques Introduction - le système climatique Sources naturelles de variabilité climatique Principes de la modélisation du climat La validation des modèles de climat D après les supports de Serge Planton, David Salas Météo-France, CNRM-GAME

16 Le Dernier Maximum Glaciaire (il y a ans)

17 Forçage naturel: les paramètres orbitaux (Milankovitch, 1920) Précession lent changement de direction de l axe de rotation de la terre Inclinaison S Excentricité

18 Forçage naturel: la variabilité solaire Rayonnement solaire reconstitué = activité solaire qui est proportionnelle au nombre de taches solaires. Corrélation et lien de cause à effet entre la variabilité solaire et la température reconstituée. L activité solaire est une source de variabilité du climat mais de faible intensité.

19 Forçage naturel: évolution des températures expliquée par le volcanisme Températures de la basse stratosphère Températures de la troposphère

20 Variabilité interne du système climatique Un cas dans les tropiques: conditions normales

21 Variabilité interne du système climatique Un cas dans les tropiques: conditions El Niño

22 Variabilité interne du système climatique Un cas aux latitudes moyennes: conditions NAO positive -> NAO + : zone barocline moyenne + intense et décalée vers le Nord

23 Variabilité interne du système climatique Un cas aux latitudes moyennes: conditions NAO négative -> NAO - : zone barocline moyenne - intense et décalée vers le Sud

24 L effet de serre : source naturelle et anthropique de variabilité climatique

25 L effet de serre : source naturelle et anthropique de variabilité climatique ACTIVITE N 1

27 Comment modéliser le climat futur? U t 2 U.

28 Comment modéliser le climat futur? Un exemple de «système-terre» (CNRM-GAME) Collaboration CNRM-GAME/Cerfacs Aérosols Gaz à effet de serre Insolation Atmosphère ARPEGE-Climat v5.2 (1.4, 31 niveaux) Interface SURFEX OASIS v3 24h Glace de mer GELATO v5 Océan NEMO v3.2 (1, 42 niveaux) Surfaces continentales ISBA 24h 24h Routage Fleuves TRIP

29 Les principes de la modélisation du climat Le calcul de l évolution des variables qui décrivent le climat nécessite d appliquer les lois de la physique qui régissent le comportement de l atmosphère, mais aussi des autres composantes du système climatique qui interagissent avec elle. La prise en compte de processus chimiques et biologiques peut aussi s avérer nécessaire pour certaines applications. Les lois utilisées résultent des connaissances théoriques accumulées depuis plusieurs siècles, mais certaines d entre elles font encore l objet de recherches parce que les processus qui les sous-tendent sont encore mal connus ou mal observés. Une résolution complète de l ensemble des équations nécessite une approche numérique dont les premiers jalons ont été posés dans le domaine de la prévision du temps.

30 Jeu typique de variables définissant l état du climat dans un modèle climatique Composante atmosphérique: composantes horizontales du vent, température et humidité sur l ensemble de la troposphère et parfois la stratosphère jusque vers 50km d altitude; concentrations de gaz (CO2, CH4, N2O, O3, ) et de particules (sulfates, ) Surfaces continentales: température, contenu en eau des sols sur une épaisseur de quelques mètres, couverture et épaisseur de neige, propriétés de surface (relief, rugosité, albédo, couverture et types de végétation, types de sol, ) Composante océanique: composantes horizontales des courants, température et salinité sur l ensemble des océans de la surface jusqu au fond. Banquise: température, couvertures et épaisseurs de plusieurs types de glace, couverture et épaisseur de neige.

31 Jeu typique d équations utilisées dans la partie «dynamique» des modèles atmosphérique et océaniques Conservation de la masse de l air, de l eau dans l océan, de la masse des constituants minoritaires équilibrant la variation de masse avec les sources et les puits (exemple: conservation de l eau atmosphérique avec source par évaporation et puits par condensation). Relation fondamentale de la dynamique ou deuxième loi de Newton mettant en relation l accélération de la particule d air ou d eau avec la résultantes des forces (pression, gravité, inertie, frottement). Premier principe de la thermodynamique (ou conservation de l énergie) mettant en relation la variation de température avec le travail des forces de pression et les sources de chaleur. Équation d état mettant en relation, température, pression et densité dans l atmosphère, température, salinité et densité dans l océan.

32 Traitement numérique des équations: grille tri-dimensionnelle d un modèle atmosphérique La valeur d un champ en un point de grille est représentative de la moyenne du champ continu sur une boite de dimension caractérisées par la taille des mailles horizontales et niveaux verticaux de la grille.

33 Le relief vu par les modèles climatiques Modèle CNRM-CM3 (2004, GIEC 2007) Topographie à 350km de résolution

34 Le relief vu par les modèles les modèles climatiques Modèle ARPEGE-Climat (2004) Topographie à 50km de résolution

35 Le relief vu par les modèles les modèles climatiques Modèle ALADIN-Climat (2010) Topographie à 10km de résolution

36 La partie «physique» des modèles atmosphériques De nombreux processus sont d échelle d espace inférieure à la taille de la maille des modèles atmosphériques. Ils sont principalement physiques: rayonnement, changements de phase de l eau dont les précipitations et les nuages, convection, mais parfois aussi dynamiques: turbulence, génération d ondes par le relief, diffusion horizontale par les mouvements d échelle inférieure à la maille. Comme ils ne peuvent pas être calculés à partir des variables d état de l atmosphère, on fait appel à des paramétrisations: il s agit de calculer l effet de ces processus «sous-maille» sur l évolution des variables d état résolues sur la grille du modèle.

37 Le développement des modèles couplés

38 L utilisation des calculateurs Un modèle climatique couplant un modèle atmosphérique et de surface continentale à un modèle océanique, comprend typiquement plusieurs dizaines de millions de variables décrivant l état du climat à chaque pas de temps de calcul du modèle. Depuis une trentaine d année, la puissance de calcul des ordinateurs suit sensiblement une courbe exponentielle avec un doublement de la puissance environ tous les 18 mois.

39 Croissance de la capacité de calcul

41 Validation des modèles climatiques La validation des modèles est l opération par laquelle les résultats de simulations sont évalués en les comparant à des résultats théoriques s ils sont connus, à des observations si elles sont disponibles, ou à des résultats de modèles supposés plus réalistes. Dans le cas des modèles de prévision du temps, la confrontation aux observations est possible chaque jour permettant ainsi de définir des scores objectifs d évaluation. Dans le cas des modèles de climat, la confrontation aux observations n est pas possible à toutes les échelles de temps et la validation des simulations du climat futur n est possible qu à l échelle des prévisions climatiques faites pour les mois suivants.

42 Ecart moyen entre modèle et observations Températures estivales ( C) Modèle ARPEGE-Climat 2,8 X2,8 Modèle ARPEGE-Climat maille variable comparaison entre des moyennes de température simulées pour l été pour le climat passé récent ( ) et les températures moyennes réellement observées sur cette période. Modèle global Modèle régional

43 Ecart moyen entre modèle et observations Précipitations hivernales (mm/jour) Modèle ARPEGE-Climat 2,8 X2,8 Modèle ARPEGE-Climat maille variable écarts entre précipitations (pluie et neige) en hiver simulées et observées.

44 La validation des modèles de climat ACTIVITE N 2

45 Simulation du dernier maximum glaciaire comparé à des observations paléoclimatiques changements de température simulés par différents modèles climatiques entre le climat actuel et le dernier maximum glaciaire, en moyenne sur les continents (axe horizontal) et en moyenne sur les océans (axe vertical).

46 Précipitations observées (Xie et Arkin, )

47 Précipitations observées (moyenne CMIP3, )

48 Comparaison modèles / observations (GIEC, 2013) Corrélations spatiales des moyennes sur la période