Jean-Louis Dufresne, Jean-Yves Grandpeix

LMD/IPSL; CNRS/UPMC

dufresne@lmd.jussieu.fr

http://www.lmd.jussieu.fr/~jldufres/IUFM_Reims/

Introduction à la modélisation du climat

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(ppm)

(Source: Third IPCC Report - 2001)

Source: S. Joussaume, 2000

Source: GIEC, 2001

Climate modelling: appearance & physics

Ice sheets

Sea ice

transport Coriolis

+Sources

Splitting within Atmospheric Global Circulation Models

gravité

Climate modelling: splitting in submodels

Vegetation Soil HydrologieOcean

Atmosphere

Troposphericchemistry

Sea-ice

Ocean Bio-geo-chemistry

Coupling by boundaryconditions

Coupling bybudget equations

Discretization

● Time step: from a few minutes to half an hour, depending on thetechnique used for equation integration.●Horizontal grid mesh: 100 to 300 km.●Vertical grid mesh: 100m (or less) at ground level, a few kilometers in the stratosphere.

Typical grid cell:

200 km

20 k

m

Exemple de paramétrisation

Modélisation numérique 3D du climat

Source: L. Fairhead, LMD/IPSL

19 vert. levels

30 vert. levels

Atmosphère et surf. continentale

Océan et glace de mer

Modèle climatique de l'IPSL

Récapitulation● GCM = modèle (ensemble d'équations et mise en oeuvre informatiqueassociée) dont le but est de simuler le comportement au fil du temps descirculations globales de l'atmosphère et de l'océan ainsi que des processusconnexes : météorologiques, chimiques, biologiques ...

● Les GCMs atmosphériques sont divisés en 2 parties : (i) la Dynamiquerésout les équations de la dynamique atmosphérique; (ii) la Physiquereprésente les processus d'échanges verticaux d'échelle plus petite quela maille.

● Découpage et raccordement permettent le développement de sous-modèles spécifiques pour chaque partie et l'analyse des couplages entre cesparties.

●Ce qu'on attend des GCMs: (i) représenter les valeurs moyennes desvariables climatiques; (ii) représenter la variabilité des variables climatiques(diurne à séculaire), y compris les événements extremes; (iii) posséder des sensibilités correctes (e.g. a [CO2]); (iv) posséder des feedbacks corrects.

Modélisation 3D météorologique/climatique

● un objet d'étude commun, des objectifs d'étude différentsmême outil de modélisation de base, mais avec des

approximations différentes pour répondre à des objectifs différents:- météo: problème de prévisibilité, de définition d'état initial- climat: problème de solution « assymptotique », de

sensibilité à des perturbations● prévision météorologique / projection climatique ou comment faire du climat quand on ne sait pas prévoir le temps à plus de quelques jours

ex: variation d'un jour à l'autre / variation d'une saison à l'autrehypothèse de base de la climatologie: le climat est une

superposition d'une composante déterministe et d'une composante purement aléatoire

Les différentes composantes d'un modèle météorologique ou climatique

● atmosphère (qqs heures à qqs annés)● surface continentale (qqs heures à qqs annés)● océan superficiel et glace de mer (jour à qqs dizaine années) ● océan profond (jour à qqs années)

Modèles météorologiques: atmosphère + surfaces continentales (+ océan superficiel

Modèles climatiques: atmosphère + surfaces continentales + océan + glace de mer + glacier

Modèles pour la prévision saisonnière: intermédiaire

Polution, chimie atmosphérique: composantes suplémnetaires

Comment et pourquoi développe-t-on un modèle climatique?

Préliminairs: ● il n'est pas possible de bâtir un modèle climatique ou météorologique

complet à partir des lois physiques fondamentales● construire un modèle c'est construire une représentation simplifiée

des phénomènes physiques dans le but de répondre à des objectifs donnés

● les choix pour les simplifications et approximations peuvent etre très différents

Les principales étapes:1- choix des objets et des phénomènes à prendre en compte2- approximation physique3- formulation mathématique4- discrétisation, résolution numérique5- programmation informatique

Comment « tourne » un modèle?● On part d'un état initial, et on effectue une simulation avec des conditions aux limites (des forçages) fixes ou variables avec le temps

Méthode:● Réalisation de simulations numériques avec différentes conditions

aux limites (différents forçages) ou différentes conditions initiales● Analyses statistiques des résultats de simulations● Exemple: simulation de l'évolution du climat de 1850 à 2100 sous

l'effet d'un accroissement des gaz à effet de serre

Quels sont les «forçages» de ces modèles?

Source: GIEC, 2001

naturelles

anthropiques

L'homme a-t-il déjà changé le climat ?

Anomalie de température de la surface de la Terre observée et calculée en prenant en compte uniquement les perturbations naturelles (éruptions volcaniques, activité solaire...)

Anomalie de température de la surface de la Terre observée et calculée en prenant en compte les mêmes perturbations naturelles et l'accroissement observé de la quantité de gaz à effet de serre et des aérosols anthropiques

Source: GIEC 2001