CLIMAT Modéliser pour comprendre et anticiper - Cerfacs
←
→
Transcription du contenu de la page
Si votre navigateur ne rend pas la page correctement, lisez s'il vous plaît le contenu de la page ci-dessous
CLIMAT Modéliser pour comprendre et anticiper
ÉDITO p. 1 • Comment peut-on avoir confiance dans les résultats
de modèles imparfaits ? p. 24
• Comment affiner les scénarios climatiques globaux
la modélisation climatique
sur l’Europe, la Méditerranée ou la France ? p. 26
• Comment mettre l’atmosphère dans des petits cubes ? p. 2
• Comment mettre l’océan dans des petits cubes ? p. 4
Les modèles, outils de prévision
• Comment représente-t-on les surfaces continentales
•Q
uels sont les fondements p. 28
dans les modèles de climat ? p. 6
de la prévisibilité climatique ?
• Quel est le rôle de la cryosphère dans l’équilibre climatique
• Que nous disent les modèles quant au climat p. 30
et sa modélisation ? p. 8
des décennies à venir ?
• Qu’est-ce qu’un forçage climatique ? p. 10
• C omment décrire les événements extrêmes p. 32
• Pourquoi le climat varie-t-il ? p. 12 et leur évolution future ?
• Comment mettre en œuvre les nombreux calculs requis • L e cycle du carbone peut-il devenir fou ? p. 34
par les modèles de climat ? p. 14
Zoom sur 4 métiers
LES MODÈLES, OUTILS DE COMPRÉHENSION
• P hysicienne du climat p. 36
DU CLIMAT OBSERVÉ
• Ingénieur de recherche en calcul numérique p. 37
• Quelles sont les méthodes d’évaluation et de validation
haute performance pour le climat
des modèles climatiques ? p. 16
• Ingénieur de recherche en développement p. 38
• Qu’apprend-on des paléoclimats ? p. 18
et déploiement d’applications
• Si le climat du dernier millénaire m’était conté ? p. 20
• P asseur de connaissances p. 39
• Peut-on détecter et attribuer les changements climatiques
observés au cours du dernier siècle ? p. 22 Glossaire p. 40
O
bserver, formuler des hypothèses, conceptualiser, comprendre… au delà des
socles classiques de la recherche, les sciences du climat ont aussi la difficile
tâche d’anticiper l’avenir. Dans ce cadre, les rapports du Groupe d’experts
Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (GIEC) sont des rendez-vous
importants. Ils permettent de synthétiser les connaissances sur la variabilité
observée du système climatique mais aussi de présenter les futurs possibles selon
différents scénarios socio-économiques. La modélisation du système climatique est l’un
des piliers de cette œuvre collective à laquelle contribuent des chercheurs d’horizons et
d’expertises très variés du fait de la complexité et de la diversité des processus physiques,
dynamiques, chimiques et biologiques mis en jeu. Les simulations numériques requises
mobilisent les supercalculateurs les plus puissants et génèrent des quantités considérables
de données qui sont ensuite utilisées par diverses communautés pour des études sur les
impacts climatiques.
Le programme mondial de recherche sur le climat assure la coordination au niveau
international par l’organisation périodique d’exercices de comparaison de modèles
(CMIP) qui servent de support scientifique aux rapports du GIEC. Au niveau national,
la coordination repose sur le projet MISSTERRE soutenu par le programme inter organisme
LEFE et par les centres de calcul du GENCI et de Météo-France. MISSTERRE rassemble les
laboratoires de modélisation du Cerfacs, du CNRM-GAME et de l’IPSL et leurs partenaires
du LGGE et de Louvain-la-Neuve en Belgique. Il offre un cadre de partage et d’échange
pour le développement et l’évaluation des modèles climatiques français, la réalisation
des simulations des climats passés et futurs, leurs analyses et interprétations. Écrit dans
ce cadre, ce livret présente, de manière accessible à un large public, les fondamentaux
et les limites de la modélisation du climat ainsi que les conclusions majeures tirées de
l’analyse des simulations produites au cours de la 5ème édition de CMIP par les équipes
francaises. Son écriture sous forme de sujets-questions repose sur la contribution d’une
quarantaine de chercheurs reflétant la nature intrinsèquement multidisciplinaire des
sciences du Climat. S’y ajoutent quelques portraits de chercheurs qui illustrent la diversité
de la communauté MISSTERRE. Cet ouvrage insiste sur la participation essentielle
des organismes de recherche au plan national et souligne l’importance de poursuivre
des recherches pour améliorer la compréhension du système climatique et des effets
de l’influence de l’homme sur son évolution passée et future.
h Retour sommaire
l a m o d é l i s at i o n c l i m at i q u e
1.1 Les réanalyses Stokes) et la partie « physique ». Celle-ci traite,
entre autres, le chauffage de l’atmosphère par
Une erreur classique
atmosphériques
Comment mettre Les réanalyses atmosphériques sont
le rayonnement solaire et le rayonnement infra-
rouge réémis par la Terre, dont la répartition res-
pective met en mouvement l’atmosphère dans le
« Les nuages n’existent pas
dans les modèles ! »
l’atmosphère dans des simulations climatiques dans
lesquelles les observations de toute
modèle comme dans le monde réel. Il faut enfin
représenter, au travers de « paramétrisations »
Même si les nuages ne peuvent pas être
représentés individuellement car ils sont
des petits cubes ?
nature (stations météos, ballons-sondes, les processus qui se déroulent à une échelle plus souvent plus petits que le maillage, la
satellites...) sont intégrées dans le petite que celle des volumes du maillage (tour- représentation de leur comportement
modèle et le contraignent à reproduire billons, nuages, orages…) et peuvent avoir un ef- collectif au travers de paramétrisations
au mieux l’évolution temporelle est au contraire un point clé de la
fet à plus grande échelle. Ces paramétrisations,
observée des variables météorologiques. modélisation du climat.
basées sur des lois physiques, s’appuient sur de
Les réanalyses permettent d’obtenir
nombreuses mesures de terrain ou sur des modé-
une estimation de grande qualité de
lisations plus fines d’un processus particulier, leur tique, le modèle simule des centaines d’années et
la variabilité climatique sur le siècle
conférant ainsi un caractère empirique. on cherche à reproduire les climats moyens et la
dernier sur l’ensemble de la planète. Leur
pertinence s’est améliorée notablement
Deux modèles français qui diffèrent par leur statistique des entités météorologiques (tempêtes,
avec la prise en compte des produits
physique et leur maillage, participent aux grands vagues de chaleur...), alors qu’en prévision du
satellites depuis les années 1980. exercices coordonnés de simulations du climat temps, on cherche à prévoir la séquence temporelle
passé et de projections climatiques. Le modèle de ces entités sur une dizaine de jours d’échéance.
Contributeurs CNRM-CM5 est très proche de celui utilisé en Le modèle de l’IPSL, pour sa part, est décliné
Michel Déqué nécessite des traitements particuliers aux pôles météorologie par Météo-France. En mode clima- aussi dans des versions adaptées à d’autres planètes
CNRM-GAME/Météo-France CNRS Bien que soumise à des lois physiques très complexes, où les mailles deviennent très déformées. Ce pro- du système solaire. Le fait que les mêmes modèles
Frédéric Hourdin on peut représenter la dynamique de l’atmosphère en la blème est évité dans le modèle CNRM-Cerfacs soient capables de simuler à la fois la météo sur
LMD/IPSL
découpant en « cubes ». Ensuite, à l’aide d’ordinateurs en passant dans une base finie de fonctions Terre et des climats aussi extrêmes que le désert
continues sur la sphère (méthode dite spectrale), glacé de Mars ou la fournaise vénusienne associée
puissants, on peut simuler son évolution et la façon dont mais d’autres inconvénients subsistent. La réso- à de très fortes concentrations de CO2, est un
elle interagit avec les autres composantes climatiques. lution numérique nécessite aussi un découpage élément important de la confiance dans la per-
en temps de l’évolution des variables (vent, tem- tinence de la physique représentée dans ces
Les lois de la physique gouvernant l’atmosphère dans lesquels les variables caractéristiques inte- pérature, humidité...) qui est calculée de manière modèles, et dans les résultats des projections
sont connues depuis longtemps (découvertes par ragissent entre elles suivant les lois physiques discrète (par exemple toutes les 30 mn). climatiques futures.
Pascal, Newton…), mais il est impossible de les ré- qui les gouvernent. Le découpage volumique, Une fois le problème ramené à une suite finie de
soudre de façon exacte. Il faut attendre l’arrivée des ou maillage, se fait à la fois sur la verticale (dé- calculs, des opérations sont appliquées pour faire
ordinateurs, après la deuxième guerre mondiale, coupage en tranches entre le sol et une altitude évoluer les variables d’un petit volume (typique- *Modèle numérique :
© C. Cassou
pour les calculer numériquement et passer d’une d’environ 30 km) et sur l’horizontale. Le problème ment de l’ordre de 200 km x 200 km x 1 km pour un Un modèle numérique est une
approche plutôt descriptive à une approche plus est délicat car il n’existe pas de méthode satisfai- modèle climatique) d’un pas de temps à l’autre. A-Z représentation d’un milieu par un
© Animea, F. Durillon
prédictive. La résolution numérique des équa- sante pour peigner une sphère. Par exemple, le On distingue deux étapes : la partie « dynamique » jeu d’équations dont la solution nécessite
tions consiste à diviser le milieu continu qu’est découpage selon les latitudes et longitudes, utili- qui consiste à transporter les variables dans l’utilisation d’un calculateur.
l’atmosphère en un grand nombre de petits volumes sé dans le modèle numérique* de climat de l’IPSL l’espace au gré des vents (équations de Navier
2 h Retour sommaire 3
l a m o d é l i s at i o n c l i m at i q u e
1 .2 Les flotteurs ARGO tique, c’est-à-dire la traduction des équations
discrètes en code ou langage informatique com-
Une erreur classique
Les flotteurs ARGO
Comment mettre Le programme ARGO a révolutionné
Le programmede
l’observation
de l’océan.
ARGO
Depuis
a révolutionné
l’océan.
les années
Depuis lesl’observation
années
2000, l’océan
préhensible par les ordinateurs. En fait, modèles
d’océan et d’atmosphère sont très semblables
et diffèrent principalement par la densité des
« L’océan profond est inerte. »
L’océan profond est très lent mais pas
l’océan dans
2000, l’océan mondial est parsemé de flotteurs,
mondial
des tubesestd’acier
parsemé de flotteurs,
d’environ 1,5 mdes
de tubes d’acier
long qui fluides (1 000 fois plus grande dans l’océan que inerte. Une particule d’eau partie au large
© R. Bourdallé-Badie
dérivent
d’environà1,5 1 000
m de mlong
de profondeur
qui dériventpendant
à 1000 m10de l’atmosphère) et la présence des continents, véri- du Groenland vers 3 000 m de profondeur
des petits cubes ?
jours, puis remontent
profondeur pendant 10àjours,la surface, à la manière
puis remontent à la tables murs pour les océans. peut voyager près de 1 000 ans avant de
de sous àmarins
surface, miniatures,
la manière de souspour
marinsenvoyer par
miniatures, Partant d’un état initial observé (compilant l’en- faire surface dans le Pacifique Nord.
satellite
pour envoyerles observations de observations
par satellite les températurede et de semble des systèmes de mesure tels les satellites, Ces courants profonds transportent
salinité
températurede l’océan qu’ils ont
et de salinité collectées
de l’océan le long de
qu’ils de la chaleur et du CO2, et sont à l’origine
les flotteurs ARGO...), le code informatique cal-
leur chemin, avant
ont collectées le long dedereplonger et recommencer
leur chemin, avant de de variations lentes du climat.
Température de surface de la mer simulée cule périodiquement les valeurs des variables à
un cycle. Le
replonger etréseau de 3 500
recommencer unflotteurs, maintenu
cycle. Le réseau de
par le modèle d’océan NEMO l’intérieur de chaque maille, avec une période ou
à ~10km de résolution. en partenariat
3500 par 30 nations,
flotteurs, maintenu permet de
en partenariat parsuivre
30 nécessitent l’usage de supercal-
en tempspermet
nations, réel ledecontenu
suivre endetemps
chaleur etlelacontenu
réel salinité
de l’océan et mondial.
culateurs. Pour l’étude du climat,
de chaleur la salinité de l’océan mondial. le modèle d’océan est couplé à
Récupération d’une bouée Marisonde lors de d’autres modèles qui représentent
la campagne Hymex en Méditérranée
Contributeurs la glace de mer, l’atmosphère, les
Olivier Marti surfaces continentales, les calottes
LSCE/ IPSL Un modèle d’océan est une représentation simplifiée des chaque maille représentant un cube, ou plutôt un polaires…
Anne-Marie Tréguier processus physiques et biogéochimiques qui se déroulent en parallélogramme, avec un côté de quelques km à La comparaison des résultats du
LPO/CNRS plusieurs centaines de km, et une épaisseur allant modèle avec les observations océa-
son sein et aux interfaces avec les autres milieux (atmosphère, de 1 à 500 m. Les méthodes mathématiques ap- niques est la clef d’un processus
continents...). Il repose sur des lois physiques mises en pliquées permettent alors d’écrire les équations constant d’amélioration du modèle,
équations puis résolues par des programmes informatiques. discrètes qui relient entre elles les variables de pour lequel collaborent physiciens,
chaque maille du modèle. Cependant, tel l’atmos- mathématiciens et informaticiens.
© C. Dubois
Tout comme pour l’atmosphère (p. 2), on pro- ticulier à sa forte densité : l’eau de mer est consi- phère, l’océan réel n’est pas un empilement de En France, le laboratoire du LOCEAN
cède en trois étapes pour construire un modèle dérée comme quasi-incompressible ; l’océan est cubes : à l’intérieur de chaque cube du maillage, est l’initiateur du développement du
d’océan. La première, celle de la modélisation phy- traité comme une couche très mince à la surface il existe en réalité des phénomènes que la maille « pas de temps », de l’ordre de plusieurs minutes. modèle européen NEMO. Ce modèle est utilisé pour
sique, consiste à poser les équations qui décrivent du globe ; sa densité varie au plus de quelques ne « voit » pas (vagues, ondes, mélange turbulent, Plus la grille est fine et les équations prises en des études régionales (Méditerranée…) et pour
l’évolution dans le temps des variables à simuler pour cent sur tout le globe... Des équations sup- présence de petites montagnes sous-marines …). compte complexes, plus le nombre de calculs à simuler l’océan global et sa variabilité (p. 12, 28).
(température, salinité, courant, concentration en plémentaires décrivent l’évolution des processus La représentation de « phénomènes sous maille » effectuer à chaque pas de temps est élevé. La ré-
© D. Swingedouw
nitrates, carbone...). On utilise les lois physiques chimiques (dissolution du dioxyde de carbone par ou paramétrisation (p. 2) est nécessaire pour solution choisie (la taille de chaque cube, et donc *discrétiser :
très générales de Navier-Stokes qui permettent exemple) et la biologie marine. prendre en compte la variété des processus le nombre de cubes nécessaires pour couvrir le
Rendre discret, séparé, discontinu afin
de décrire les mouvements de la majorité des Il faut ensuite discrétiser* les équations conti- océaniques ; elle est aujourd’hui la source princi- globe) est un compromis entre le coût de calcul A-Z de dégager des valeurs individuelles
fluides (comme l’atmosphère). Ces équations sont nues du modèle physique pour obtenir le mo- pale d’incertitudes et d’erreurs dans les modèles en terme de nombre d’opérations et la précision à partir de quelque chose de continu. Cette
ensuite simplifiées pour tenir compte des pro- dèle numérique. Cette étape consiste à découper d’océan. recherchée, qui dépend des phénomènes phy- opération amène au maillage numérique.
priétés intrinsèques de l’océan associées en par- l’océan selon un maillage en trois dimensions, La dernière étape est la modélisation informa- siques que l’on souhaite étudier. De tels calculs
4 h Retour sommaire 5
l a m o d é l i s at i o n c l i m at i q u e
1 .3 Rétroaction surface le cycle hydrologique continental. Une partie
des précipitations alimente les réserves en eau
Une erreur classique
Les flotteurs ARGO
continentale-atmosphère
Comment représente-t-on Le
Lesprogramme
de
ARGO a révolutionné
surfaces continentales
l’océan. Depuis
l’observation
et l’atmosphère
les années 2000, l’océan dans
du sol localement alors qu’une fraction est ren-
voyée dans l’atmosphère par évapotranspiration,
et une autre ruisselle jusqu’aux océans. Comme
« Il a beaucoup plu au
printemps, cela a dû remplir
les surfaces continentales
s’influencent réciproquement. Par exemple,
mondial
certainesest parsemé
zones comme de le
flotteurs,
pourtourdesméditerranéen,
tubes d’acier pour le bilan d’énergie, le bilan d’eau va être in- les nappes phréatiques ! »
d’environ 1,5 m de climatique
le réchauffement long qui dérivent à 1000
entraîne une m de fluencé par les caractéristiques physiques des
dans les modèles de climat ?
profondeur
diminution pendant 10 jours, puis
des précipitations, remontent
conduisant à la
à un divers paysages et en particulier la topographie En France, les pluies du printemps
assèchement
surface, des sols.
à la manière deCes
soussols plus secs
marins induisent
miniatures, qui permet de canaliser l’eau de pluie vers les sont essentiellement absorbées par la
une diminution
pour envoyer pardesatellite
l’évapotranspiration,
les observations de rivières ou la présence de végétation qui tend à végétation qui revit à ce moment-là.
qui se traduitetpar
température deune amplification
salinité de l’océanen surface
qu’ils augmenter l’évapotranspiration continentale au Ce sont surtout les pluies d’hiver qui
du réchauffement climatique initial.
ont collectées le long de leur chemin, avant En effet,
de détriment de son écoulement vers les océans. remplissent les nappes phréatiques.
l’évapotranspiration
replonger tend àun
et recommencer refroidir
cycle. Leleréseau
sol, de
Cet écoulement des fleuves est lui aussi repré-
comme
3500 pour l’eau
flotteurs, sur la peau.
maintenu On parlepar
en partenariat ici 30
senté dans les modèles et permet d’évaluer indi-
de rétroaction
nations, permetpositive.
de suivre en temps réel le contenu rectement la qualité des simulations en se com- le climat actuel, ils prennent en compte diffé-
de chaleur et la salinité de l’océan mondial. parant aux débits des fleuves observés. rents types de paysages, déterminés grâce à des
Contributeurs Les modèles de surface utilisés dans les deux mo- observations locales et à des images satellites. Il
Bertrand Decharme solaire réfléchie vers l’espace par la surface, est dèles climatiques français se nomment ORCHIDEE y a peu, la maturité des modèles de surface était
CNRM-GAME / Météo-France CNRS Les continents représentent environ 30 % de la surface de la essentiel et varie très fortement d’un type de pour l’IPSL et SURFEX pour le CNRM-Cerfacs. Pour telle que ces cartes de paysage étaient fixes dans
Julien Boé Terre et échangent de l’énergie, de la quantité de mouvement paysage à un autre. Une surface ennei- le temps, en dehors de leur cycle saisonnier moyen.
SUC/CERFACS-CNRS gée réfléchira jusqu’à 85 % du rayon- Récemment, des travaux de compilation de sources
et de l’eau avec l’atmosphère et l’océan via les fleuves.
nement incident contre seulement d’information diverses ont permis de représen-
Ces échanges dépendent du relief et de la végétation. 10 % pour une forêt ou 30 % pour un ter l’évolution de la localisation des cultures, des
Ils sont essentiels à la modélisation du climat global. désert. Dans les modèles, une valeur pâtures et des forêts au cours du xxe siècle. Ces
d’albédo est affectée à chaque paysage données permettent de suivre la chronologie de
et peut varier dans le temps en fonc- l’anthropisation et d’évaluer son impact sur le climat.
Les modèles de surface représentent les échanges Les modèles de surface résolvent en premier lieu tion, par exemple, de l’âge du manteau De même, des scénarios d’évolution d’utilisation
d’eau, de quantité de mouvement et d’énergie le bilan d’énergie à l’interface continent-atmos- neigeux ou du cycle saisonnier de la des terres ont été introduits dans les projections
entre les continents et les autres composantes du phère. Celui-ci se calcule comme la différence végétation. climatiques (p. 30) afin d’intégrer ce forçage an-
système climatique, en fonction du type de pay- entre la quantité de chaleur absorbée par les Les caractéristiques physiques des thropique très important (p. 10).
sage (forêt, cultures, pâturages, désert, neige...) et continents et celle renvoyée à l’atmosphère. Ce surfaces continentales vont aussi
de ses caractéristiques physiques (topographie, bilan dépend des rayonnements solaire et infra- moduler les échanges de quantité de
albédo, émissivité, rugosité). Les grands proces- rouge incidents et des flux turbulents liés aux ca- mouvement avec l’atmosphère via les *Evapotranspiration :
sus intrinsèques aux surfaces continentales sont ractéristiques locales de la surface (type de végé- frottements qu’induit la présence de Phénomène physique qui décrit les
© C. Cassou
bien connus. On peut donc les mettre sous forme tation, évapotranspiration*…) qui vont moduler montagne et de végétation sur la fine A-Z échanges d’eau liés à la transpiration
d’équations mathématiques et les traduire en la fraction d’énergie absorbée par le sol et celle ré- couche limite atmosphérique qui la des végétaux, l’évaporation directe de l’eau
© S. Faroux
langage informatique comme pour l’atmosphère fléchie vers l’atmosphère. À ce titre, le paramètre surplombe. Enfin, les modèles de sur- du sol et la sublimation de la neige et de la glace.
Cartographie des types de paysages sur la France
et l’océan (p. 2-5). d’albédo qui régit la proportion du rayonnement face prennent également en compte
6 h Retour sommaire 7
l a m o d é l i s at i o n c l i m at i q u e manteau neigeux continental qui occupe saison- Une erreur classique
1 .4
Le
Lesniveau marin
flotteurs ARGO nièrement la plus grande surface : dans l’hémis-
Quel est le rôle Le programme
Les
de
variationsARGO
del’océan.
causes Depuis
a révolutionné
du niveau marin global
lesaffectant
années 2000,
l’observation
résultent
l’océanet la
phère nord, il s’étend sur près de 50 millions de
km2 en janvier, modulant fortement les échanges
d’énergie entre le sol et l’atmosphère via son fort
« La banquise et les icebergs,
c’est la même chose ! »
de la cryosphère dans
multiples le volume
mondial
masse des est océans.
parseméLes de changements
flotteurs, des tubes
récentsd’acier albedo. La neige est aussi le meilleur isolant ther- La banquise est produite par la congélation
d’environ 1,5 m de long qui dérivent à
dépendent de deux facteurs reliés essentiellement1000 m de mique naturel, limitant ainsi le refroidissement du de l’eau de mer tandis que les icebergs se
l’équilibre climatique
profondeur
au réchauffement climatique : la dilatation à la
pendant 10 jours, puis remontent sol. Les modèles détaillés de manteau neigeux ont détachent des calottes glaciaires issues de
surface,
thermiqueà la de
manière
l’océandeetsous
les marins miniatures,
variations de masse désormais la maturité nécessaire pour être utilisés l’accumulation de la neige : ces deux entités
pour
d’eauenvoyer
dues àpar satellite
la fonte desles observations
glaciers de Si
et calottes. en modélisation climatique globale. ont donc des formes et des tailles très
et sa modélisation ? température
domine
replonger
et de salinité
depuis les années
ont collectées
1970, ladedilatation
le long dedu
les variations
et recommencer
2 100 la contribution
leur
l’océan qu’ils
chemin,
niveau
de laun
global,
cycle.
fonte
thermique
avant
deLelaréseau
de
d’ici
calottede
La neige est aussi présente sur la banquise arc-
tique et antarctique pendant la plus grande
partie de l’année. Par temps froid, elle limite la
différentes dans l’océan !
3500 flotteurs, maintenu
groenlandaise en partenariat
pourrait fortement par 30
augmenter. croissance de la glace sous-jacente en limitant neige a complètement fondu, la glace se couvre
nations, permet de suivre en temps réel le contenu ses pertes énergétiques. Lorsque la couche de de mares de fonte dont la capacité à absorber
de chaleur et la salinité de l’océan mondial. les rayons du soleil est bien plus importante que
la glace nue. Les deux modèles de banquise LIM
Contributeurs La cryosphère englobe les À la fois témoins et acteurs des changements clima- la calotte vers les bords, ainsi que par glissement et GELATO inclus respectivement dans les mo-
Sylvie Charbit tiques, les composantes de la cryosphère interagissent sur le socle rocheux. Dans certaines conditions, de dèles climatiques de l’IPSL et du CNRM-Cerfacs
LSCE/IPSL compartiments du système avec l’océan et l’atmosphère sur des échelles de temps véritables fleuves de glace peuvent se former ali- représentent de mieux en mieux ces phénomènes
David Salas y Mélia climatique où l’eau est allant de la saison à des centaines de milliers d’années mentant les plates-formes de glace flottant sur la complexes. Toutefois, tout comme les modèles
CNRM-GAME/Météo-France CNRS
sous forme solide (neige, pour la succession des cycles glaciaires-interglaciaires. mer. La déstabilisation de ces plates-formes peut des autres laboratoires, ils peinent encore à re-
glace ou sol gelé). Elle est En règle générale, elles amplifient les variations clima- conduire à la production de beaucoup d’icebergs. produire la fonte rapide de la banquise arctique
présente sur les continents tiques via une multitude de processus. La cryosphère La représentation la plus fine possible de ces pro- observée depuis une dizaine d’années.
stocke environ 77 % de l’eau douce terrestre, essen- cessus constitue des défis multiples pour leur mo- Les pergélisols* occupent quant à eux environ
(calottes glaciaires, glaciers, tiellement dans les calottes glaciaires antarctique et délisation et leur insertion dans les modèles de cli- 20 millions de km2. Les modèles de climat français
pergélisol), sur l’eau (glace de groenlandaise. Ainsi, les changements de volume de mat français. Il s’agit de développer les procédures commencent à modéliser correctement leur exten-
mer, de lac, de rivière) ou dans ces glaces agissent directement sur le niveau global de couplage entre les modèles océan-atmosphère sion, et pourraient prochainement permettre d’esti-
les deux milieux (manteau des océans. (résolution typique 100 km, p. 2-5) et les modèles mer le recul du pergélisol dû au réchauffement cli-
D’importants progrès ont été réalisés dans la com- tridimensionnels de calottes glaciaires (quelques matique. Ce processus devrait s’accompagner d’un
neigeux). préhension du comportement des calottes glaciaires km), et de représenter la circulation océanique destockage de carbone significatif au delà de 2 100.
grâce au développement de modèles numériques sous les plates-formes de glace. La communau-
de calottes, notamment en France. En simulant les té française s’est mobilisée pour représenter ces *Pergélisol :
processus responsables de l’écoulement de la glace, processus dans de nouveaux outils numériques,
© C. Cassou
ces modèles permettent de décrire l’évolution de ce qui devrait permettre l’introduction très pro- Le pergélisol correspond à un sol
A-Z gelé en permanence surmonté d’une
la géométrie de ces énormes complexes glaciaires. chaine de modèles de calotte dans les modèles
couche active qui peut fondre en été. Il est
© M. Geyer
Sous l’effet de la gravité, la glace produite par com- de climat de l’IPSL et du CNRM-Cerfacs. Sinon, de Changement d’altitude (m) en 2300 simulé par le modèle notamment abondant en Sibérie et Alaska.
paction du manteau neigeux s’écoule du centre de toutes les composantes de la cryosphère, c’est le de calotte GRISLI à 5 km de résolution forcé par CNRM-CM5
8 h Retour sommaire 9
l a m o d é l i s at i o n c l i m at i q u e ment dans l’émission par l’Homme de différentes
1 .5
Les scénarios espèces chimiques qui modifient la composition
Une erreur classique
Qu’est-ce qu’un d’émission
de l’atmosphère. Les plus connus sont les gaz à
effet de serre (GES) parmi lesquels le dioxyde de
carbone et le méthane. Ces gaz se caractérisent
« Le réchauffement climatique
suit les variations locales du
forçage climatique ? Plusieurs scénarios d’évolution future des
forçages anthropiques ont été proposés,
correspondant à différentes hypothèses
par leur capacité à absorber puis ré-émettre
l’énergie rayonnée par la surface terrestre es-
sentiellement dans les longueurs d’onde de l’in-
forçage radiatif. »
La réponse climatique sur une région
d’évolution de nos sociétés, en termes frarouge. Ils contribuent ainsi à réchauffer l’at- donnée ne dépend pas uniquement du
économique, démographique et technologique. mosphère et la surface terrestre. Les GES sont forçage radiatif local mais des variations sur
Ces scénarios couvrent le siècle en cours présents naturellement dans l’atmosphère et toute la planète, notamment de l’ajustement
(jusqu’en 2100) et permettent d’estimer les sont tout à fait essentiels puisque la tempéra- grande échelle des vents dominants.
émissions des principales espèces chimiques. ture moyenne à la surface du globe serait d’en-
La connaissance de ces émissions est nécessaire
viron -19°C si l’atmosphère en était totalement
pour simuler le climat du futur à partir de
dépourvue. Cependant, les activités humaines solides en suspension dans l’air) perturbent éga-
modèles et estimer le champs des possibles en
ont considérablement augmenté les concentra- lement de manière significative le bilan radiatif et
fonction des scénarios considérés.
tions atmosphériques de ces gaz induisant un tendent plutôt à refroidir la planète. Les modifi-
Contributeurs effet de serre additionnel auquel on attribue une cations de l’utilisation des sols (cultures, pâtures,
David Saint-Martin grande partie du réchauffement récent (p. 22). déforestation, p. 6) ou encore l’amincissement de
CNRM-GAME/Météo-France CNRS Le système climatique est directement influencé par certains On distingue classiquement les forçages naturels Les émissions de GES ne sont cependant pas les la couche d’ozone contribuent eux aussi à la mo-
Olivier Boucher facteurs qui lui sont extérieurs et que l’on désigne sous le (solaire et volcanique) des forçages anthropiques. seules perturbations du système climatique en- dification du bilan radiatif terrestre et constituent
LMD/IPSL La perturbation d’origine solaire (ou forçage so- gendrées par les activités humaines. Les émis- autant d’autres forçages anthropiques.
terme de forçages externes. On distingue classiquement les laire) provient principalement de la variation dans sions d’aérosols (petites particules liquides ou Dans le cadre de la réalisation de simulations cli-
forçages naturels, tels que ceux dus au Soleil et au volcanisme, le temps de l’activité solaire matiques passées et futures pour l’exercice d’in-
des forcages anthropiques (gaz à effet de serre notamment). ainsi que des variations astro- tercomparaison CMIP5 (p. 17), l’IPSL a élaboré
© F.-M. Bréon
nomiques de l’orbite terrestre. des scénarios de forçages par les aérosols qui ont
Un état d’équilibre du système climatique à bilan énergétique. Une telle perturbation peut Le forçage volcanique résulte ensuite été utilisés conjointement par les deux
l’échelle globale se caractérise, sur une période de être associée à des variations de la concentration de l’émission dans l’atmosphère modèles français, CNRM-Cerfacs et IPSL. Ces scé-
temps suffisamment longue, par la stabilité des atmosphérique d’espèces radiativement actives, durant les éruptions volca- narios de forçages prennent en compte un grand
principales variables statistiques de ce système à des modifications du flux d’énergie solaire ar- niques d’importantes quantités nombre de processus, notamment en chimie de
(température, niveau des mers...). Le principe de rivant au sommet de l’atmosphère, ou encore à de poussières et de gaz qui l’atmosphère.
conservation de l’énergie impose que cet état des variations d’autres agents pouvant affecter le contribuent à rendre l’atmos-
corresponde à un équilibre entre l’énergie reçue bilan radiatif de la planète (par exemple les érup- phère moins transparente au *Forçage radiatif :
par le Soleil et l’énergie rayonnée par la Terre vers tions volcaniques). Une telle perturbation conduit rayonnement solaire (effet Il est exprimé en unité d’énergie par
© C. Cassou
l’espace. alors le système climatique vers un nouvel état parasol conduisant à un re- A-Z seconde et par unité de surface (W/m2).
Le terme de forçage climatique (ou forçage ra- d’équilibre suivant des constantes de temps froidissement). Positif il induit un réchauffement du système
diatif*) désigne une perturbation d’origine ex- propres aux mécanismes d’ajustement mis en jeu L’origine des forçages an- climatique ; négatif, il induit un refroidissement.
térieure au système climatique qui impacte son (p. 20). thropiques réside principale- Forçages radiatifs sur le climat en 2011
10 h Retour sommaire 11
Anomalie de température
l a m o d é l i s at i o n c l i m at i q u e
de surface de la mer et de
couverture nuageuse
1 .6 La décennie 2 000 interne* climatique se caractérise par une orga-
nisation spatiale de grande échelle et est sou-
Une erreur classique
Les flotteurs ARGO
Pourquoi
durant El Niño.
© R. Houser, Washington University. Depuis le début des années 2000, la température
moyenne de surface
vent référencée par l’expression « mode ». Ainsi le « Le climat se refroidit depuis
Le programme ARGOse réchauffe moins
a révolutionné vite
l’observation mode NAO doit son origine à la dynamique propre
que lors desDepuis
de l’océan. décennies précédentes,
les années même si les
2000, l’océan de l’atmosphère et contrôle les trajectoires privilé- 10 ans, les climatologues sont
le climat différences
mondial estrégionales
moyenne
d’environ sur
est
parsemé derestent
1,5 2000-2009,
m de long qui
la plus chaude depuis
marquées,
flotteurs, des tubesetd’acier
la dérivent
température
1850.
à 1000
puisLeremontent
si en
globale
m de
ralentissement
giées des dépressions et des anticyclones traver-
sant l’Atlantique Nord et qui affectent l’Europe.
perdus ! »
Cette affirmation repose sur la confusion
varie-t-il ?
profondeur pendant 10 jours, à la Des modes de variabilité de plus basse fréquence classique entre forçage externe et
du réchauffement depuis une dizaine
surface, à la manière de sous marins miniatures, d’années
(de quelques années à plusieurs décennies), sont réponse climatique. En effet celle-ci est
s’explique, en partie, par les modes de variabilité
pour envoyer par satellite les observations de aussi observés à la surface des océans Atlantique fortement modulée par la variabilité
interne qui privilégient un réchauffement marqué
température et de salinité de l’océan qu’ils (Oscillation Atlantique Multidécennale-AMO) et interne et la «pause» actuelle lui est
de l’océan profond au détriment de la surface,
ont collectées le long de leur chemin, avant de Pacifique même si le manque d’observations rend clairement attribuée par les scientifiques.
en particulier dans le Pacifique. On s’attend donc
replonger et recommencer un cycle. Le réseau de leur compréhension encore parcellaire. Ces varia-
à ce que le changement de phase des modes
3500 flotteurs,
décennaux, dansmaintenu
quelques enannées,
partenariat parau
vienne 30 tions semblent mettre en jeu la circulation lente
nations, permet de suivre en temps réel
contraire amplifier le réchauffement de surface le contenu de l’océan, liée au transport de masses d’eaux de Les modes de variabilité interne interagissent
de chaleurhumaines.
d’origine et la salinité de l’océan mondial. différentes origines. Les signatures continentales entre eux (par exemple l’AMO joue légèrement sur
des modes de variabilité décennaux sont fortes ; les phases de la NAO en été) et sont aussi influen-
Les variations climatiques aux forçage naturel (par exemple solaire pour les cy- leur prévisibilité est de première importance mais cés par les forçages externes. Ainsi détecter une
cles glaciaires) ou anthropique (p. 10), qu’internes, reste un défi (p. 28). Par exemple, l’AMO est for- modification du climat demande un travail précis
impacts profonds sur les sociétés et essentiellement liées aux échanges d’énergie, de tement liée aux grandes périodes de sécheresse d’attribution des causes et des effets (p. 22) basé
les écosystèmes correspondent à la quantité de mouvement et de masse au sein ou dans le Sahel, mais aussi à la probabilité d’occur- sur la compréhension de ces modes de variabilité.
superposition d’une variabilité induite entre les composantes du système climatique. rence des cyclones tropicaux dans les Caraïbes. De même, pour se projeter dans les décennies à
par les forcages externes, et d’une autre de Ainsi, les échanges océan-at- venir (p. 28), il est essentiel de comprendre com-
mosphère au niveau des tro- ment les variations internes du climat modulent
nature interne, d’amplitude très importante piques expliquent par exemple le la tendance liée aux gaz à effet de serre. En effet
aux échelles saisonnière à décennale. phénomène El Niño, une anoma- ces variations naturelles peuvent momentané-
lie climatique de nature interne, ment masquer l’effet anthropique, en particulier
De la même façon que la météo change au Indien et Pacifique avec des impacts locaux forts qui a lieu dans le Pacifique tous aux échelles régionales. Les scientifiques français
Contributeurs cours d’une semaine, le climat varie aussi, (oscillation dite de Madden-Julian). Aux échelles les 2 à 7 ans et qui a des réper- travaillent à élucider ces questions fondamentales.
Eric Guilyardi mais sur des échelles de temps plus lon- plus longues, l’alternance des ères glaciaires cussions globales pendant plus
LOCEAN/IPSL gues. La palette de ces variations est large, à et interglaciaires se caractérise par des temps d’une année. Sur l’Europe, une
Guillaume Gastineau
la fois dans le temps (d’une saison à l’autre, typiques de l’ordre de 100 000 ans avec des im- grande part des variations cli- *Variabilité interne :
LOCEAN/IPSL
d’une année à l’autre, d’une dizaine, cen- pacts globaux (différence de température globale matiques sur des périodes allant Variation intrinsèque au système
taine jusqu’à milliers d’années à l’autre) et autour de 5oC) et régionaux (présence de calottes de 10 jours à une décennie s’ex- A-Z climatique due au couplage entre
© C. Cassou
dans l’espace (local, régional, continental, global). de glace sur une grande partie de l’Amérique et pliquent par l’Oscillation Nord sous-systèmes (atmosphère, océan…)
Par exemple, aux échelles courtes, les précipita- Europe du Nord) très importants. Les variations Atlantique (NAO) ; la rigueur
© M. Visbeck
aux propriétés physiques, dynamiques et
tions fluctuent souvent avec une période privi- du climat autour d’un état de référence ont des de l’hiver 2009-2010 lui est par Représentation schématique des deux phases de la NAO chimiques très différentes.
légiée autour de 30 à 60 jours dans les océans origines aussi bien externes, c’est-à-dire liées à un exemple attribuée. La variabilité
12 h Retour sommaire 13
Calculateur Nec SX-9
installé au CEA/CCRT
l a m o d é l i s at i o n c l i m at i q u e
1 .7
Les ressources informatiques nécessaires :
Comment mettre en œuvre leur histoire et leur avenir
les nombreux calculs
Si les codes de climat deviennent de plus en plus complexes et à haute résolution, c’est aussi
grâce à l’amélioration des performances des supercalculateurs. Ainsi les “opérations à virgule
flottante par seconde” (FLOPS), qui sont une unité de mesure de la vitesse d’un calculateur
requis par les scientifique ne cessent d’augmenter. Les vitesses des ordinateurs étaient en MégaFLOPS (106
FLOPS) en 1980, en GigaFLOPS (109 FLOPS) en 1990, en TéraFLOPS (1012 FLOPS) en 2000 et
modèles de climat ?
maintenant elles se chiffrent en PétaFLOPS (1015 FLOPS). Associé à ces puissances de calculs
© A Beuraud
les besoins de stockage sont également colossaux et se comptent en Peta-octets de nos jours.
Évolution de la puissance de calcul des supercalculateurs de Météo-France
temporelle de paramètres clefs et à assurer un prévision saisonnière à décennale, étude de pro- recherche internationaux grâce à l’installation de
Contributeurs
Les modèles de climat se basent sur des programmes suivi en ligne via internet des simulations. cessus…). Dans chaque cas, un compromis est ce- nœuds de distribution dans les différents centres
Marie-Alice Foujols informatiques qui calculent, heure après heure, région Les études climatiques nécessitent souvent de pendant nécessaire pour choisir le niveau de dé- de calcul (IPSL, Météo-France, TGCC, IDRIS).
IPSL après région, l’ensemble des variables d’état des différentes modéliser le climat sur de nombreuses années tail du climat simulé en fonction des ressources
Eric Maisonnave afin de comprendre les mécanismes physiques informatiques disponibles. Une erreur classique
SUC/CERFACS-CNRS composantes du système climatique. La période simulée qui gouvernent sa variabilité et d’estimer ses Une machine NEC SX-9 de 3 nœuds de 16 pro-
peut aller du mois à quelques milliers d’années. propriétés statistiques. Ainsi, avec les moyens de cesseurs de calcul, financée par Grand Équi- « Les codes climat ne sont
calcul actuels, la réalisation d’une simulation de pement National de Calcul Intensif (GENCI) et pas parallélisés. »
Les modèles décrivant les calculs à effectuer d’un grand nombre de processeurs (cœurs 2000 ans avec un maillage de l’ordre de 100 km maintenue par le Très Grand Centre de Calcul
Les algorithmes des modèles de climat
pour une simulation climatique sont compo- de calcul) travaillant en parallèle, permettent prend quasiment une année entière. L’accrois- (TGCC), était dédiée à l’IPSL entre avril 2009 et s’améliorent sans cesse et utilisent de plus en plus
sés de nombreux sous-programmes repré- de simuler ainsi l’évolution du climat sur des sement futur des moyens de calcul permettra, à décembre 2012 pour produire les simulations de de processeurs en parallèle. Certains maillages
sentant en tout plusieurs centaines de mil- périodes allant de quelques mois à plusieurs condition que les indispensables modifications CMIP5 (p. 17). Des simulations complémentaires possèdent des particularités essentielles pour
liers de lignes de code. Le globe terrestre est milliers d’années. Chaque cœur se charge d’un soient faites dans nos codes, soit d’effectuer ces ont été réalisées sur les autres calculateurs dis- l’utilisation de milliers de processeurs, par
découpé en mailles et pour chaque point du sous-ensemble des calculs, en général d’un simulations plus rapidement, soit de prendre en ponibles au TGCC (machine Bull) et à l’Institut exemple les icosaèdres (ballon de football).
maillage (latitude, longitude, altitude ou pro- sous-domaine du globe terrestre. On parle compte plus précisément certains phénomènes du Développement et des Ressources en Infor-
fondeur), pas de temps par pas de temps, ces de parallélisation des calculs. La chaîne de physiques ou d’en introduire de nouveaux (évo- matique Scientifique (IDRIS, machine IBM). À
programmes calculent les différentes variables modélisation se décline en plusieurs étapes : lution de la calotte glaciaire, hauteur des va- Toulouse, 16 processeurs de NEC SX-8 de Mé- *Téra et Péta Octets
(To et Po) :
d’état (température, pression…) de chacune le calcul proprement dit et leurs post-traite- gues… p. 8), soit d’affiner le maillage (typique- téo-France ont été utilisés pendant 2 ans par les
des composantes du système climatique (at- ments systématiques. Ces derniers consistent ment 20 km au lieu de 100 km actuellement), soit équipes du CNRM et du CERFACS. Dans le même A-Z Un octet est une suite de 8 chiffres
© P. Stroppa
mosphère, surfaces continentales, océan, glace à regrouper des fichiers « résultats » produits de mieux estimer l’incertitude des résultats en temps, 2,4 Po de données ont été produites binaires (0 ou 1) qui permettent de coder une
de mer, biogéochimie, chimie atmosphérique...) par le modèle, à moyenner temporellement multipliant les simulations effectuées. Le choix (2 Po* IPSL et 420 To* Météo-France), dont information. Le préfixe Téra et Péta donne
l’ordre de grandeur et correspond à 1012 et
suivant les équations décrivant leur évolution certaines variables (par exemple par mois), à entre ces différentes options se fait en fonction 301 To (250 To IPSL et 51 To Météo-France) ont 1015 respectivement.
(p. 2-5). Les calculateurs actuels, composés réaliser des cartes et des graphiques d’évolution du domaine d’intérêt (changement climatique, été mises à disposition des autres groupes de
14 h Retour sommaire 15Vous pouvez aussi lire
