Prévisibilité! et Prévision Décennale! Christophe Cassou! (CNRS-Cerfacs)!

Prévisibilité! et Prévision Décennale! Christophe Cassou! (CNRS-Cerfacs)!

Introduction! Prévision décennale = prévision climatique (i.e. probabiliste) à échéance 3-30 ans! Un vide entre les prévisions saisonnière à interannuelle (fournies! par la plupart des grands centres météorologiques)! et les projections climatiques pour la 2nd moitié du XXIème siècle (GIEC AR4, 2007).! Scenario pessimiste! Prévision de la température à 2 mètres! pour Mai-Juin-Juillet 2009! Scenario médian! Evolution de la température globale! Scenario optimiste! GIEC AR4 (2007)! Une demande sociétale forte (acteurs politiques et économiques)! en vue dʼadaptations aux changements climatiques déjà en cours! Un véritable sujet de recherche jusquʼalors négligé (GIEC AR4, 2007),! voire jusquʼalors quasi-impossible, et dʼune grande complexité!

Le contexte!

Sources de prévisibilité décennale! La prévision climatique des 5-30 prochaines années est envisageable! car il existe diverses sources de prévisibilité à échelle décennale! Nous savons que le système climatique dans un futur «proche» :! 1. Sʼajustera à lʼaugmentation actuelle (passé proche) de la concentration! des gaz à effet de serre dans lʼatmosphère : même si toute émission cessait aujourdʼhui,! le climat se réchaufferait au cours du prochain siècle de par lʼinertie du système climatique.! 2. Répondra à lʼaugmentation future des gaz à effet de serre (GES)! dʼorigine anthropique: «le forçage externe anthropique»! 3. Sera influencé par les forçages naturels externes qui sont actifs dans la bande! de fréquence décennale (e.g. cycles solaires, etc.)! 4. Sera influencé par les fluctuations naturelles qui sont actives dans la bande! de fréquence décennale (variabilité intrinsèque ou interne du système climatique )!

Variabilité décennale observée! Dʼapres Hurrell (2010)!

LʼOscillation Atlantique Multidécennale! La plupart des signaux climatiques très intégrés peuvent être «expliqués»! par la superposition du forçage externe + de la variabilité interne!

Modulation décennale dans lʼatlantique tropical! Impact sur les précipitations sahéliennes + N. Am.! Impact sur les cyclones Atlantique! Accumulated Cyclone Energy (ACE) Index! AMO+! Corrélation entre AMO! Et précipitation estivale! AMO-! AMO+! Extrême / Normal / Bas! Goldenberg et al (2001) Science! AMO! TNA! Source : Minvielle et Cassou (en preparation, 2012)! Anomalie de! température (été 2010)!

Modulation décennale des régimes par lʼamo! Islande! Impact du décennal sur le journalier! NAO+! 1. Modulation dans lʼoccurrence des régimes! de temps! 2. Modulation des propriétés intrinsèque des! régimes de temps (not shown)! Acores! Islande! NAO -! Acores! AMO! TNA! Source : Minvielle et Cassou (en preparation, 2012)! Anomalie de! ALLENVI, GT5, Paris le 12 Mars 2012! température (été 2010)!

A lʼintersection de la 1ere et 2eme espèce! = + Une première: il est donc:!!indispensable de sʼapproprier les concepts!!indispensable de tester différentes méthodologies! pour au final estimer le niveau de prévisibilité de chaque source! (importance des hindcasts)!

Questions ouvertes et défis (1)!

Questions ouvertes et défis (2)!

CMIP5!

Le prochain exercice du GIEC + EPIDOM! EPIDOM! Evaluation de la Prévisibilité Interannuelle à Décennale à partir! Des observations et des Modèles!

La contribution française a CMIP5! Core experiments (Cerfacs + IPSL)! «Tier 1»:! 1. Increase ensemble sizes from! 3 to 10 (Cerfacs), 6 (IPSL) members! 2. Forecast with 2010 Pinatubo! eruptions (10 members, Cerfacs)! 3. Work on initialization techniques! (Cerfacs + IPSL)! 4. Work on the components! (Stratosphère Cerfacs + CNRM)! «Bonus» (Cerfacs): 10 more dates starting one year! before the requested CMIP5 experiments! All simulations are completed and model outputs have been posted! on ESG nodes!

Lʼinitialisation! CERFACS-CNRM:! Initialisation «full field»en mode couplée uniquement de lʼocéan, avec rappel en surface + rappel tri-dimensionnel vers la réanalyse NEMOVAR dʼecmwf! IPSL:! Initialisation «anomalie»en mode couplée uniquement de lʼocéan, avec rappel en surface! CERFACS-CNRM! IPSL!

Lʼinitialisation (2)! Zoologie des types dʼinitialisation dans CMIP5:! Conditions initiales (CI) océaniques a partir dʼune simulation océan forcé! IC océaniques a partir dʼune réanalyse COUPLEE (assimilation a la fois dans lʼocéan et lʼatmos)! Initialisation «brut force» : IC directes a partir dʼune réanalyse océanique et dʼune réanalyse atmosphérique independantes! initialisation de la glace de mer ou non!

Les premiers résultats!

Prévisibilité totale (source externe + interne)! Global (60 S-60 N) SST Predictability OBS=ERSST3 CERFACS-CNRM! DEC=décennal HIST=Historique

Prévisibilité totale (source externe + interne)! SST Correlation skill (with trend) DEC HIST Zoom Atlantique! DEC=décennal CERFACS-CNRM! HIST=Historique

Prévisibilité hors GHG! SST Correlation skill (without trend) DEC HIST Zoom Atlantique! DEC=décennal CERFACS-CNRM! HIST=Historique

Prévisibilité hors GHG! SST Correlation skill (without trend) Pb dans le Pacifique! Mettre quelque part la derive (mecasnimes ENSO) + validation! DEC DEC=décennal CERFACS-CNRM! HIST=Historique

Prévisibilité de lʼamo (2)! OBS=ERSST3 CERFACS-CNRM! DEC=décennal HIST=Historique

Prévisibilité de lʼamo (2)! IPSL:! Prévisibilité grâce au volcan mais pollution par la sensibilité du modèle! CERFACS-CNRM:! Prévisibilité grâce au volcan + maintien des anomalies (persistance)!

Le debiaisage! Un vrai problème sous-estimé et crucial! Global Mean SST (from 35oS to 90oN)! Dérive = Moyenne de toutes les dates de prévision! en fonction du leadtime! CERFACS-CNRM!

Le debiaisage (2)! Historique! Source : S. Kharim (Aspen CMIP5 workshop)!

Les premiers enseignements! Difficulté de lʼestimation de la dérive: Les techniques classiques (previ saisonnière) ne sont pas applicables car interaction dérive/forçage externe, dʼou:! Nécessité dʼun très grand nombre de dates (9 réalisations de CMIP5 insuffisante) nouvelle recommandation : + de dates! Nécessité de tenir compte de la sensibilité du modèle aux forcages : cohérence (même code) entre runs initialisés (DEC) et runs non initialisés (HIST)! Nécessité de travailler sur la dérive (sa physique), lʼinitialisation et les mécanismes/sources de prévisibilité des modes de variabilité interne! Importance des ressources! nécessaires (humaines + matérielles)! et forte coordination obligatoire!

Les pistes dʼamelioration!

Le travail sur la physique : lʼenso en mode previ! Yr1! Yr2! Yr3! Yr4! NINO34 SST! Ensemble mean (dates+members) Nino34 SST index! Perturbation of the tropical climate up to 4yr (systematic NINO the 1st! and 3rd year in GLOB) due to spurious effect of the initilalisation! Le modele utilise les modes de variablite interne pour aller vers! son attracteur Probleme pour la previsibilite!

Le travail sur lʼinitialisation! EC-earth SST Correlation skill (without trend) KNMI (full initialization)! SMHI (anomaly initialization)!

La nécessite du retour aux fondamentaux (1)! Indice circulation Atlantique (AMOC)! AMOC! Prévisibilité en modèle parfait! Persechino et al., in rev.! EPIDOM!

La nécessite du retour aux fondamentaux (2)! Prévision de lʼamoc dans CMIP (IPSL)! AMOC 48 N EPIDOM! Les etudes de cas!

Des pistes pour amélioration: la stratosphère (1)! UK-Met-Office SST Correlation skill (without trend) Anomaly correlation, T1.5 years 2-5! 20 hindcasts: 1960, 1963, 1965, 1968,, 2008! DePreSys_AR5: HadCM3, N48, 19 levels! HadGEM3_DPS: HadGEM3, N96, 85 levels (well resolved stratosphere)!

Des pistes pour amélioration: la stratosphère (2)! Meteo-France Z500 Correlation skill (without trend) HT est meilleur que LT dans les régions polaires et sur l Atlantique nord. Modele stratospherique! Modele standard CMIP5! Leadtime (6-9 ans)

Conclusions! Prévision décennale : lʼexercice CMIP5 doit être considéré comme une première tentative: il pose plus de questions que ne produit de résultats! Lʼessentiel de la prévisibilité décennale est dans les forçages externes.! La valeur ajoutée due a lʼinitialisation océanique est forte dans lʼatlantique! Les dérives des modèles sont un problème: Les modèles «utilisent» les modes de variabilité interne pour sʼajuster alors que ce sont ces modes que lʼon veut prévoir (interaction dérive/ variabilité/ prévisibilité)! Il faut un grand nombre de dates pour estimer la dérive et «dépolluer» le modèle et il faut des simulations historiques type GIEC (correction sensibilité).! Prévision décennale : Ne pas négliger les fondamentaux! Travail sur la physique de la dérive et sa minimisation (les études/simulations régionales seraient très prématurées avec les modèles actuels comme inputs)! Travail sur lʼinitialisation! Travail sur les mécanismes de variabilité décennale (modèle parfait) : rôle des volcans en particulier, de la circulation thermohaline, de lʼ état des sols etc.! Amélioration des composantes (stratosphère etc.)! Etc.! Le début dʼune histoire!

Les forcages externes sur 2010-2035! Température a 2 mètres (moyenne globale)! 10 membres avec perturbations des forcages externes:!!bleu : Eruption volcanique en 2010 (type Pinatubo)!!Rouge: Gaz a effet de Serre constant!!noir: Arrêt du cycle solaire a 11 ans!

The decadal forecast initialization! The coupled model = CNRM-CM5! Full Initialization: Ocean Only! In a coupled mode from 1958! To 2008! Atmosphere ARPEGE-Climat v5.2 T127 (1.4 ), 31 levels SURFEX Interface The COMBINE! ECMWF Ocean Reanalysis! Land surface, ISBA OASIS v3 (24h coupling)! Sea Ice GELATO v5 Ocean NEMO v3.2 1 42 levels 24h River Routing TRIP

3D Nudging as a function of depth and space! β= f(depth, space)! Reanalysis! In the mixed layer! (1/ β) =0! Below thermocline! β = 10 days! Current! Deep Ocean! β = 360 days! No 3D nudging within the Equatorial band (1oN-1oS) and! near the coast (300km)! (1/ β) =0!

Sea surface restoring! At the surface! Heat flux:! Feedback coefficient! = -40W/m2/K! Heat flux at the surface! feedback term.! SSTobs= observations! Fresh water flux:! Feedback parameter! = -167 mm/day! Fresh water budget at the surface! Feedback term.! SSSobs= observations!

EPIDOM : les objectifs! 1. Quantifier les sources de prévisibilité décennale à lʼéchelle globale avec un focus particulier sur lʼeurope et la France mais aussi les DOM-TOM.! 2. Extraire les mécanismes associés aux différentes sources de prévisibilité décennale (e.g variabilité océanique basse fréquence, rétroactions couplées, modifications des régimes de circulation atmosphérique par le forçage anthropique, modification radiative par le forçage anthropique etc.)! 3. Evaluer les biais des modèles climatiques, lʼimportance des résolutions horizontale et verticale des modèles et des processus manquants, et les liens éventuels avec la présence ou absence de prévisibilité! 4. Quantifier les différentes sources dʼincertitudes associées aux prévisions décennales! 5. Mettre en place une base de données sur les projections décennales accessible par la communauté en lien avec les initiatives déjà existantes (PRODIGUER, DRIAS)! 6. Etablir un pont entre lʼinformation fournie par la communauté climatique des modélisateurs et les produits requis par la communauté des impacts.! 7. Etablir les stratégies/protocoles expérimentaux à mettre en œuvre pour transmettre la prévisibilité estimée par les modèles couplés de lʼar5 de lʼéchelle globale aux échelles régionales afin de répondre aux attentes de la communauté des impacts/décideurs.! Colloque: Gestion des Impacts du Changement Climatique!

EPIDOM! Soutien : assurer une contribution sérieuse et significative de la communauté française au volet décennal de CMIP5.! Coordination : structurer la communauté française associée au CEPMMT, pour évaluer la prévisibilité décennale en termes de processus, dʼincertitudes et dʼapplications au travers de CMIP5 et des observations ou leurs estimations via les réanalyses.! Exploration : EPIDOM doit être considéré comme une étape exploratoire, un véritable pré requis pour préparer les études dʼimpacts au sens usuel du terme (régionalisation, extrême etc.).! Il est essentiel de comprendre les mécanismes physiques à la source de la prévisibilité si elle existe, dʼestimer sa structure spatiale et son incertitude avant dʼengager des applications plus poussées, même si on doit y penser des aujourdʼhui.! Il est essentiel de tester si les protocoles de descente dʼéchelle qui sont traditionnellement utilisés pour des applications aval de type impacts à la fin du XXIème siècle, restent valides à lʼéchelle décennale sur les décennies 2010-2030.! Colloque: Gestion des Impacts du Changement Climatique!