Modlisation du climat les quations primitives maltraites Gilles

Modélisation du climat : les équations primitives maltraitées Gilles Bellon CNRM-GAME Remerciements à Serge Planton

Modélisation du climat vs. prévision du temps § La modélisation du climat nécessite de représenter les équilibres et la variabilité climatiques sur de longues échelles de temps (décennies). § Difficultés: § Bilan énergétique global § Modes de variabilité longs (1 mois – quelques années) intégrant de nombreuses échelles temporelles et spatiales Conseil d’Administration du 30 juin 2006

Les équations primitives atmosphériques, en coordonnées de pression paramètre de Coriolis § Dynamique : géopotentiel § Hydrostatique : (+ gaz parfait) § Continuité : § Energie : Conseil d’Administration du 30 juin 2006 , friction chauffage

Deux approches § Résolution numérique des équations complètes : Modèles de la Circulation Générale (MCG) en vue d’une capacité prédictive § Simplification des équations pour isoler les mécanismes fondamentaux d’un phénomène donné Conseil d’Administration du 30 juin 2006

L’usine à prévoir de Richardson (1922) (A. Lannerback) Première approche : Modélisation la 2006 circulation générale Conseil d’Administration du 30 de juin

Grille tri-dimensionnelle d’un modèle atmosphérique Source: IPSL Première approche : Modélisation la 2006 circulation générale Conseil d’Administration du 30 de juin

Grille horizontale d’un modèle océanique Première approche : Modélisation la 2006 circulation générale Conseil d’Administration du 30 de juin

Challenges Problèmes numériques «Dynamique» § Dynamique : Friction Surface Chauffage § Energie : (rayonnement, condensation) Cycle hydrologique Première approche : Modélisation la 2006 circulation générale Conseil d’Administration du 30 de juin «Physique»

Le développement des modèles couplés Première approche : Modélisation la 2006 circulation générale Conseil d’Administration du 30 de juin

Vers la modélisation du système climatique Emissions Aérosol-Chimie MOCAGE O 3 (MOBIDIC) + GES et occupation sols (IMAGE) Moyennes Climatiques 5 ans Surfaces continentales ISBA (cycle C) Atmosphère ARPEGE-Climat 10 ans 24 h Biogéochimie Statistiques 24 h Glace Icebergs de mer Océan OPA du 30 juin 2006 Conseil d’Administration Calottes GRISLI GREMLINS 24 h Fleuves TRIP

Paramétrisation des phénomènes sous-maille § Résolution horizontale des modèles atmosphériques : 100 km Moyenne sur la maille Anomalie sous-maille 200 m § Flux ‘turbulents’ : Paramétrisation § Exemple : la convection nuageuse Première approche : Modélisation la 2006 circulation générale Conseil d’Administration du 30 de juin 5 km

Des résultats frustrants § Exemple: le syndrome de la double zone de convergence intertropicale Moyenne annuelle des précipitations Latitude CNRM Longitude Première approche : Modélisation la 2006 circulation générale Conseil d’Administration du 30 de juin Biais mm/jr

Simplification des équations § Ad hoc § Objectif : obtenir un système dynamique représentant les grandes échelles (milliers de kilomètres, semaines) § Exemple : El Niño Normal T Deuxième approche : Simplification des 2006 équations primitives Conseil d’Administration du 30 juin

Simplification de la structure verticale de l’atmosphère § Cyclogénèse extratropicale § Météorologie tropicale Troncature de Galerkin humidité Deuxième approche : Simplification des 2006 équations primitives Conseil d’Administration du 30 juin

Approximation axisymétrique § Moyenne longitudinale § Application: circulation de Hadley, mousson Deuxième approche : Simplification des 2006 équations primitives Conseil d’Administration du 30 juin

Equilibres multiples de la circulation de Hadley (modèle axisymétrique avec une troncature de Galerkin) § sur le Pacifique Est : Équilibre asymétrique (réaliste) Équilibre symétrique: Double zone de convergence tropicale! § Comportement similaire aux Modèles de Circulation Générale Deuxième approche : Simplification des 2006 équations primitives Conseil d’Administration du 30 juin

Nature de la bifurcation ? § La bifurcation résulte d’un équilibre multiple d’une colonne (i. e. d’un point de grille) : Équilibre sec Équilibre précipitant § Connaissez-vous des systèmes où une bifurcation locale entraîne une bifurcation globale? Deuxième approche : Simplification des 2006 équations primitives Conseil d’Administration du 30 juin

Résumé § La modélisation prédictive du climat passe par la modélisation de la circulation de grande échelle, avec un mélange de problèmes numériques (similaires à ceux de la prévision du temps) et de problème de représentation des processus ‘‘physiques’’ (rayonnement, convection nuageuse, …) dont une composante importante est à des échelle sousmaille. § La compréhension du climat fait aussi appel à la modélisation simplifiée qui permet de traiter le climat comme un système dynamique et de comprendre les modes naturels de variabilité et le comportement des Modèles de Circulation Générale. § J’offre une bouteille de champagne à qui m’aidera à comprendre la bifurcation qui mène aux équilibres multiples de la circulation de Hadley, § mais il y a d’autres petits jeux intéressants sur le même système d’équations: approches asymptotiques, modes de variabilités intrasaisonniers, … Conseil d’Administration du 30 juin 2006

Merci