Grandes bases de données sur le système climatique20 février 2012

Hervé Le Treut, Marie-Alice Foujols, Sébastien Denvil foujols@ipsl.jussieu.fr

Plan

• Présentation rapide du système climatique • Le contexte international, Européen et Français• Présentation de l’IPSL• Présentation du pôle de modélisation• Modèle couplé IPSL-CM5• Quelques figures de résultats

Le système climatique

IPCC, 2007

Quels changementsont eu lieu?

Quels changementspourront se produire?

Dans quelle mesure comprenons-nous les climats passé et présent?

Simulations :

•Variation naturelle•Forçages •Climat global•Climat régional•Évènements à fort impact•Stabilisation

Observations versus Simulations

Temps : Le FuturLe PrésentPériodes paléo

et instrumentées

Observationsdirectes/indirectes :

•Températures•Précipitations•Couverture de glace ou de neige•Niveau des océans•Circulation•Extrêmes

IPCC, 2001

800 000 ans : Nature 14/5/2008

Cycle de Milankovitch

Schéma des variations de l’orbite terrestre (cycles de Milankovitch), engendrant les cycles glaciaires. ‘T’ - modification de l’orientation (de l’inclinaison) de l’axe de la Terre ; ‘E’ - modifications de l’excentricité de l’orbite (dues aux variations du petit axe de l’ellipse) ; et -’P’- précession, c.à.d. modifications au niveau de l’orientation de l’inclinaison de l’axe par rapport à un point donné de l’orbite.

IPCC, 2007

http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/

Les gaz à effet de serre

Concentrations atmosphériques des principaux gaz à effet de serre depuis 2.000 ans. Leur augmentation depuis l’ère industrielle (vers1750) est d’origine humaine. Les unités de concentration sont exprimés en parts par million (ppm) ou en parts par milliard (ppb), elles indiquent le nombre de molécules de gaz à effet de serre dans un échantillon atmosphérique donné par million ou milliard de molécules d’air.

IPCC, 2007

Températures continentales

Les modèles de climat

• Des équations• Numérisation• Programmes informatiques• Calculateurs• Résultats• Confrontation aux observations• Projections sur le futur

Plan

• Présentation rapide du système climatique • Le contexte international, Européen et

Français• Présentation de l’IPSL• Présentation du pôle de modélisation• Modèle couplé IPSL-CM5• Quelques figures de résultats

Organisations mondiales

• L’Organisation Météorologique Mondiale– Programmes :

• World Climate Research Programme (WCRP), …• Groupes de travail :

– Working Group on Coupled Modelling (WGCM)– Working Group on Numerical Experimentation (WGNE),

…

• Coupled Model Intercomparison Project : CMIP

Pas d’argent mais une structure de coopération internationale

Organisations mondiales

• L’OMM et le Programme pour l’Environnement des Nations Unies :

En 1988 : Création du GIEC : Groupe d’experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat– Publication de rapports d’évaluation des

connaissances tous les 5-6 ans : • 1990, 1995, 2001, 2007, ... 2013

• Conférences internationales : – Doha ces jours-ci, – Suite du protocole de Kyoto au delà de 2012

Niveau Européen

• ENES– European Network for Earth System modeling– isENES1 (2007-2013) , isENES2(2013-2017)– Rapport de prospective– Voir exposé S Joussaume SuperComputing

2012

• Nombreux projets scientifiques FP7• Prace : soutien mutuel, participation au

Scientific Use Cases

Niveau Français

• Institut National des Sciences de l’Univers (INSU) : coordination inter-organismes– CNRS, CEA, Météo France , Universités, …

• MissTerre : – coordination IPSL, CERFACS, M France

• Conférence de presse février 2012 :Voir :https://www.ipsl.fr/Actualites/Actualites-

scientifiques/Changement-climatique-les-nouvelles-simulations-francaises-pour-le-prochain-rapport-du-GIEC

• Nombreux projets ANR

Plan

• Présentation rapide du système climatique • Le contexte international, Européen et Français• Présentation de l’IPSL• Présentation du pôle de modélisation• Modèle couplé IPSL-CM5• Quelques figures de résultats

Institut Pierre Simon Laplace• Fédération de 6 laboratoires, liée à 3 Observatoires des Sciences de l’Univers :

– Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS) , – Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques (LISA) , – Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) , – Laboratoire d’Océanographie et du Climat : Expérimentation et Approches Numériques

(LOCEAN),– Laboratoire de Physique Moléculaire pour l'Atmosphère et l'Astrophysique (LPMAA), – Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE)

• 10 tutelles– Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS : INSU et INEE), – Université Pierre et Marie Curie - Paris 6– Université Versailles Saint-Quentin en Yvelines– Commissariat à l’Energie Atomique (CEA)– Institut de Recherche et Développement (IRD)– Ecole Normale Supérieure– Ecole Polytechnique– Centre National d’Etudes Spatiales (CNES).– Université Denis Diderot – Paris 7– Université Paris 12 Val de Marne

Les laboratoires et les tutelles

THEMES SCIENTIFIQUES ET APPROCHES

ENVIRONNEMENT GLOBAL DE LA TERRE ET ENVIRONNEMENTS PLANETAIRES

(passé, présent et évolution future aux échelles locales, régionales et globales)

• climat• composition chimique (phénomènes naturels et anthropiques)• interactions • ionosphère-magnétosphère• planétologie

EXPERIENCE, THEORIE, MODELISATION

• expériences (sol, avions, ballons, bateaux, satellites)• observatoires permanents• modélisation (processus, simulation numérique)

Plan

• Présentation rapide du système climatique • Le contexte international, Européen et Français• Présentation de l’IPSL• Présentation du pôle de modélisation• Modèle couplé IPSL-CM5• Quelques figures de résultats

Le pôle de modélisation du climat

• 80 personnes, coordinateur Jean-Louis Dufresne, dir adj IPSL• Missions :

– Fédérer les études multidisciplinaires (scientifiques ou techniques) faisant intervenir les composantes du modèle de l'IPSL

– Identifier et coordonner les simulations de référence– Fédérer et rationaliser les moyens, les développements

techniques– Animation scientifique

• Modèle climat :– Atmosphère– Océan et glace de mer– Surfaces continentales– Cycle du carbone– Chimie

• IPSLCM5• Earth System Model

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Le modèle climat IPSL

Modeling platform (IPSL-ESM)Arnaud Caubel (LSCE) - Marie-Alice Foujols (IPSL)

Data Archive and Access RequirementsSébastien Denvil (IPSL) - Karim Ramage (IPSL)

Atmospheric and surface physics and dynamics (LMDZ)

Frédéric Hourdin (LMD) - Laurent Fairhead (LMD)

Ocean and sea ice physics and dynamics (NEMO, LIM)

C Ethé (IPSL) - Claire Lévy - Gurvan Madec (LOCEAN)

Atmosphere and ocean interactions (IPSL-CM, different resolutions)

Sébastien Masson (LOCEAN) - Olivier Marti (LSCE)

Biogeochemical cycles (PISCES)Laurent Bopp (LSCE) - Patricia Cadule (IPSL)

Current and future climate changes

Jean-Louis Dufresne(LMD) - Olivier Boucher (LMD)

Paleoclimate and last millennium

Pascale Braconnot - Masa Kageyama (LSCE)

“Near-term” prediction (seasonal to decadal)

Eric Guilyardi (LOCEAN) - Juliette Mignot (LOCEAN)

Evaluation of the models, present-day and future climate change analysis

Sandrine Bony (LMD) - Patricia Cadule (IPSL) - Marion Marchand (LATMOS) - Juliette Mignot

(LOCEAN)

Regional climatesRobert Vautard (LSCE), Laurent Li (LMD)Atmospheric chemistry and aerosols (INCA,

INCA_aer, Reprobus)Anne Cozic (LSCE) - M. Marchand (LATMOS)

Continental processes (ORCHIDEE)Philippe Peylin (LSCE) - Josefine Ghattas (IPSL)

OrganisationResp: J-L Dufresne; Bureau: L. Bopp, MA Foujols, J. Mignot

Comité de pilotage

Plan

• Présentation rapide du système climatique • Le contexte international, Européen et Français• Présentation de l’IPSL• Présentation du pôle de modélisation• Modèle couplé IPSL-CM5• Quelques figures de résultats

Le modèle climat de l’IPSL : IPSLCM5

IPSL

19 vert. levelsAtmosphère et surf. continentale

(LMDZ - ORCHIDEE)

Océan et glace de mer(ORCA-LIM)

coupleur(OASIS)

Résolutions:

Atm: 3.75°x2.5° (~350 km)

Oce: 2°x2° reserré à l’équateur

Les grilles horizontales

Simulations centennales proposées par CMIP5 pour la préparation du 5e rapport

du GIEC

Paléo-climats

Sensibilité climatique et rétroactions des nuages

Couplage climat-carbone

Chimie et aérosols

Estimation des forçages

radiatifs

Évolution du climat au 20e siècle

Évolution du climat au 21e siècle

Climat-carbone( C4MIP, P. Friedlingstein)

Nuages(CFMIP, S. Bony)

Paléoclimat(PMIP P. Braconnot)

Aérosols(AEROCOM, M. Schultz)

Emissions(GEIA, C. Granier)

Ozone(CCMVal, S. Bekki)

Thématiques d'intérêt pour

l'IPSL

Modèles de l'IPSL pour CMIP5

LMDZ-ORCHIDEE-ORCA-LIM-PISCES-INCA-REPROBUS-OASIS

IPSL-CM5AModèle intégré du système

Terre (ESM)

IPSL-CM5A-MR Moyenne résolutionatm: 2.5°x1.25°L39

oce: 2° L31

IPSL-CM5BIdem IPSL-CM5A, avec modèle

atmosphérique LMDZ5B

IPSL-CM5A-LR Basse résolutionatm: 3.75°x2°L39

oce: 2° L31

IPSL-CM5B-LR Basse résolutionatm: 3.75°x2°L39

oce: 2° L31

Moi

s si

mul

és

réglage État initial

Chimie-aérosls

CMIP5

Arrivée SX9

Date limite publicationsarticles GIEC

Changementstockage

TGCC

Publication sur ESG

Evolutions :• Physique : nouvelle physique LMDZ• Plus de résolutions, Pulsation et S Masson• Des ensembles, S Denvil tests actuels• Des simulations plus longues, P Braconnot • Des modèles plus complexes à bon escient: ajout de la

chimie A Cozic• Plus grand nombre de processeurs : cœur dynamique

de LMDZ sur grille icosaédrique, Y Meurdesoif• Optimisations des IO, XIOS, Y Meurdesoif• Optimisation de l'ensemble de la chaine: modipsl/libIGCM,

...

Contraintes ressources calcul, données, réseau

Quelques Enjeux pour les simulations climatiquesDes questions de plus en plus précises impliquant :

de nombreuses échelles de temps et d’espace (global au local, quelques années à quelques décennies)

Evolution des caractéristiques de la météorologies et de la variabilité climatique (heure à décennale)

Couplages entre le climat et les cycles biogéochimiques (gaz à effet de serre, aérosols, cycle du carbone, utilisation des terres,…)

Ens

embl

es

Résolu

tion

Complexité

GIEC (simulations coordonnées) : Ensembles de projections climatiques suivant

différents scénarios socioéconomiques

À 3° de résolution : 380 cœurs pendant 2 ans (exercice actuel) À 2° de résolution : 840 cœurs pendant 2 ans (exercice en cours) À 1/3° de résolution : 500000 cœurs pendant 2 ans (à venir?)

Plan

• Présentation rapide du système climatique • Le contexte international, Européen et Français• Présentation de l’IPSL• Présentation du pôle de modélisation• Modèle couplé IPSL-CM5• Quelques figures de résultats

Merci pour votre attention!

Prise de conscience du changement climatique

IPSL, 2005

Le GIEC (IPCC)

• Groupe d’experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat• Mis en place en 1988 par :

– l'Organisation Météorologique Mondiale– le Programme pour l'Environnement des Nations Unies

• Le rôle du GIEC est d’évaluer de façon impartiale les informations internationales scientifiques, techniques et socio-économiques sur l’évolution du climat.

• Représentants des gouvernements et scientifiques • Adoption de certains documents en session plénière (1 pays, 1

voix) • Publication de rapports d’évaluation tous les 5-6 ans :

– 1990, 1995, 2001, 2007, ... 2013

Les activités humaines ont-elles déjà influencé le climat ?

GIEC 1990 : On ne sait pas

GIEC 1995 : Peut-être

GIEC 2001 : Probablement (+ 2/3)

GIEC 2007 : Très probablement (+ 9/10)

L’essentiel de l’accroissement observé sur la température moyenne globale depuis le milieu du 20e siècle est très vraisemblablement dû à l’augmentation observée des gaz à effet de serre anthropiques

Jouzel 2007

Prochain rapport en 2013, septembre, Stockholm, draft en cours de revue