Modlisation du climat rgional Wilfran MoufoumaOkia Norrkoping Suede

Modélisation du climat régional Wilfran Moufouma-Okia Norrkoping, Suede, Mars 2012 © Crown copyright Met Office

Objectif de la session • Passer en revue les différentes méthodes utilisée pour obtenir des informations climatiques détaillées à partir des sorties de modèles climatiques globaux (MCG), en mettant l'accent sur les modèles climatiques régionaux (MCR). © Crown copyright Met Office

Contexte… Adaptation aux effets du changement climatique… • Fiabilité? • Précision?

Plan 1. Modélisation des variations du climat global et des changements climatiques 2. Techniques de régionalisation du climat • Modéles régionaux de climat 3. Efforts internationaux de modélisation des variations du climat de l’Afrique de l’Ouest © Crown copyright Met Office

Qu'est-ce que le climat? • Le climat n’est pas le temps. Le temps dispose d’une prévisibilité limitée à quelques jours seulement et représente des fluctuations rapides de l’état de l’atmosphère. • Le système climatique est la couche superficielle mince de la planète dont les propriétés physiques régissent la vie des humains. • Le climat fait référence à l'état moyen du système climatique dans son ensemble et sur une longue période de temps, incluant une description statistique de ses variations. • Les variations du climat causées par des facteurs externes, peuvent être en partie prévisibles à l’échelle des régions et continents. © Crown copyright Met Office

Composantes du système climatique © Crown copyright Met Office

Bilan énergétique planétaire Intercepte un cercle de lumière du soleil S. R² 2 A - energie réfléchie L'énergie absorbée est équilibrée par le rayonnement dans l'espace. S. R²(1 -A) = 4 R² (T²)² 4 et © Crown copyright Met Office (T²)² 4 = S(1 -A)/4

Bilan énergétique planétaire Pour la Terre, S = 1365 Wm-2 -2 A = 0. 3 La théorie prévoit T = 255 K (-18 C) En fait, la température moyenne à la surface est © Crown copyright Met Office T = 288 K (15 C)

Les déterminants du climat? Bilan énergétique moyen annuel et global de la Terre © Crown copyright Met Office

L'effet de serre L'énergie visible venant du soleil traverse le vitre et réchauffe le sol. © Crown copyright Met Office L'énergie thermique infra-rouge de la terre est en partie réfléchie par le vitre, et l’autre partie est retenue à l'intérieur de la serre

La notion de forçage radiatif Les changements dans certaines composantes du système climatique perturbent le budget de l’énergie radiative du système, c'est à dire qu'ils provoquent un forçage radiatif. Les exemples incluent : Ø la concentration d'espèces radiatives Ø le rayonnement solaire Ø les changements influant sur le radiation absorbée par la surface Ø les perturbations induites par l'homme incluent : • la composition des gaz atmosphériques • l'augmentation des aérosols atmosphériques • La modification dans l'utilisation des terres (agriculture, déforestation, reboisement, urbanisation, trafic, …) © Crown copyright Met Office

Variabilité naturelle du climat • facteurs externes : • rayonnement solaire • éruptions volcaniques = aérosols • la variabilité interne du climat : • ENSO • NAO et les autres principaux modes de variabilité © Crown copyright Met Office

L'effet de l'éruption du Mont Pinatubo (Juin 1991) sur la température mondiale © Crown copyright Met Office

Variations anthropiques du climat • Les perturbations de la composition atmosphérique l'effet de serre renforcé • Effet des aérosols : Ø effet indirect (influence sur les propriétés radiatives des nuages)) Ø effet direct (diffusion de la radiation solaire incidente) • Le changement concernant l'utilisation des terres (l'agriculture, la déforestation, le reboisement, le boisement, l'urbanisation, le trafic, …) © Crown copyright Met Office

L'effet de serre renforcé Solar (S) and longwave (L) radiation in Wm-2 at the top of the atmosphere © Crown copyright Met Office

Forçages radiatifs © Crown copyright Met Office

Quantifier la réponse du système climatique face aux forçages? La réponse du système climatique au forçage radiatif est compliquée par : • Les rétroactions • Le caractère non linéaire de nombreux processus • Les divers temps de réaction des différentes composantes face à une perturbation donnée • Le fait que le seul moyen disponible pour calculer la réponse est l’utilisation des modèles numériques du système climatique. © Crown copyright Met Office

Modèles numériques du climat © Crown copyright Met Office

Modélisation du climat global Échange vertical entre les couches d'impulsion, de chaleur et d'humidité 15° W 60° N échange horizontal entre les colonnes d'imp chaleur et d'humidité 3. 75° 2. 5° échange vertical entre les couches d'impulsion, de chaleur et de sels par diffusion, convection et la remontée © Crown copyright Met Office 11. 25° E échange vertical entre les couches par diffusion et par advection 47. 5° N caractéristiques de l'orographie, végétation et de la surfac inclus à la surface sur chaque case de la grille

La notion de resolution spatiale © Crown copyright Met Office

La notion de resolution spatiale © Crown copyright Met Office

Modélisation du climat • Représentation mathématique avec une résolution et un pas de temps donnés • Modèles : spectraux et en points de grille • Résoudre (intégrer) des équations différentielles • 2 types de variables : pronostiques et diagnostiques • couplage de sous-model ou conditions aux limites fournies © Crown copyright Met Office

Atmosphère couplée / modèle climatique des océans © Crown copyright Met Office

Evolution des modèles climatiques © Crown copyright Met Office

Quels sont les processus qui rétroagissent sur le climat? Processus représentant les rétroactions (Les éléments ne figurant pas sur les cases rouges font pour la plupartie d'un mélange). © Crown copyright Met Office Source: Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), WG 1 -AR 3, Ch 1.

Paramétrisations Dans les modèles climatiques, ce terme se réfère à la technique de représentation des processus qui ne peuvent pas être explicitement résolus à l‘échelle de la résolution spatiale ou temporelle du modèle (c'est à dire les processus à l'échelle de la sous maille), par les relations entre la zone ou l'influence moyenne des processus à l'échelle de la sous maille et la circulation à grande échelle. © Crown copyright Met Office

Quelques exemples de prédiction des variations du climat et changement climatique © Crown copyright Met Office

Simulation des températures à la surface moyennées annuellement et globalement © Crown copyright Met Office

Difficultés pour reproduire les caractéristiques du climat observé en Afrique de l’Ouest West African Monsoon Modelling and Evaluation project (WAMME) Assessing performance of 11 GCMs in simulating seasonal and intra-seasonal variability of the West African Monsoon (WAM) Majority of GCMs show deficiencies in the low level jet and wind vertical structure GCM with prescribed SST have reasonable simulation of WAM seasonal rainfall pattern, but failure with the intensity and variance of precipitation Errors in sensible and latent heat fluxes are correlated with precipitation errors (from Xue et al. , 2010)

Projection des changements climatiques © Crown copyright Met Office

Les terres devraient se réchauffer plus vite que les océans, avec le plus grand réchauffement dans les hautes latitudes © Crown copyright Met Office

Incertitudes du rechauffement global en fonction des scenarii d’emission de gaz a effet de serre © Crown copyright Met Office

Certaines régions devraient devenir plus humides et d'autres plus sèches Peux ont se contenter de cette information pour des etudes d’impacts? © Crown copyright Met Office

Plan 1. Modélisation des variations du climat global et des changements climatiques 2. Techniques de régionalisation du climat • Modéles régionaux de climat 3. Efforts internationaux de modélisation des variations du climat de l’Afrique de l’Ouest © Crown copyright Met Office

Que sont réellement les techniques de régionalisation? • Ces techniques permettent de dériver des informations précises à partir des sorties des MCG. • Des résultats climatiques à plus petite échelle à partir d'une interaction entre le climat global et les détails physiographiques locaux • Les évaluateurs d'impact ont besoin des détails régionaux pour évaluer la vulnérabilité et les éventuelles stratégies d'adaptation • Les projections des MCGAO manquent de détails régionaux en raison d'une résolution spatiale grossière • La réduction d’échelle en vue de l'évaluation des changements climatiques est différente de la réduction d’échelle des prévisions climatiques saisonnières © Crown copyright Met Office

Passer du climat global au climat local. . . Local / Regional: échelle spatiale réquise pour les études d’impacts climatiques. Continental: échelle a laquelle les sorties de Modèles de Circulation Genérale (MCG) sont fiables. © Crown copyright Met Office

Classification • Statistique • Générateurs de climat • Fonctions de transfert • Typologie des climats • Dynamique • Haute résolution et résolution variable des MCGA • Modèles climatiques régionaux • Statistique/Dynamique © Crown copyright Met Office

Techniques statistiques ou empiriques A partir des données historiques : variable locale = F (variable(s) de grande échelle) A partir des données de MCGAO : Variable locale prévue = F (variable de grande échelle) F est appliquée aux résultats du MCG futur en vue d'obtenir la future variable locale © Crown copyright Met Office

Caractéristiques de la grille élastique des AMCG A cet endroit, la résolution spatiale est équivalente à une maille de grille d'environ 30 km. La résolution spatiale est progressivement assouplies au fur et à mesure qu’on se déplace vers les antipodes (près de la Nouvelle-Zélande). © Crown copyright Met Office

Les Modèles Climatiques Régionaux Modélisation atmosphérique régionale : imbrication dans un modèle de circulation général © Crown copyright Met Office

Critères de pertinence des techniques de régionalisation du climat • Cohérence au niveau régional avec les prévisions globales • Plausibilité physique et réalisme • Adéquation des informations pour l’évaluation d’impacts • Représentativité de la possible portée des futurs changements climatiques • Accessibilité pour leur utilisation dans les évaluations d'impacts © Crown copyright Met Office

Pertinence des techniques de régionalisation Méthode Forces Faiblesses Statistique · Haute résolution · Pas cher en terme • En fonction de la relation empirique provenant du climat d’ordinateurs MCGA Hauterésolution Modéles régionaux · Haute (très haute) · · resolution Peut présenter des extremes Base physique Beaucoup de variables MCR : simplement transportable d'aujourd'hui • En fonction des séries chronologiques de longue et de bonne qualité des données historiques • Peu de variables disponibles • Pas facilement transportables • En fonction des conditions frontières en surface du modèle couplé • · Cher en terme d’ordinateurs • Paramétrer toutes les échelles • Selon le modèle de référence et des • Conditions aux limites de surface • Absence éventuelle de deux voies de nidification • Paramétrer toutes les échelles ) © Crown copyright Met Office

Modélisation Régionale vs. Méthodes Statistiques • La faiblesse majeure des méthodes de réduction d'échelle statistiques réside dans l’incapacité de ces techniques empiriques à tenir compte des éventuels changements systématiques dans des conditions de forçage régional ou de processus de rétroaction. • La possibilité de tailler le modèle statistique à la mesure de l’information régionale ou locale requise est un avantage distinct. Toutefois, il y a l'inconvénient qu'une évaluation systématique de l'incertitude de ce type de technique, ainsi qu'une comparaison avec d'autres techniques, est difficile et devrait être effectuée au cas par cas. © Crown copyright Met Office

Plan 1. Modélisation des variations du climat global et des changements climatiques 2. Techniques de régionalisation du climat • Modéles régionaux de climat 3. Efforts internationaux de modélisation des variations du climat de l’Afrique de l’Ouest © Crown copyright Met Office

Modèles Climatiques Régionaux • Couvrent uniquement une portion limitee de la planete • Comme les MCGs, contienent une representation detaillee de l’atmosphere, des surfaces continentales et peuvent simuler l’evolution du temps (et du climat) © Crown copyright Met Office

L’imbrication uni-directionnelle • Un MCR est un Modèle à aire limitée (LAM), similaire à ceux utilisés en prévision du temps (NWP) • Les MCR sont pilotés aux limites latérales par les sorties de MCG ou des données d’analyse. . . • Les écarts entre un MCR et son MCG de référence ont tendance à être plus importants vers la surface et le milieu du terrain © Crown copyright Met Office

Les conditions aux limites latérales • Méthode de relaxation(PRECIS, Reg. CM) • Forçage à grande échelle sur une zone tampon latérale • Imbrication spectrale (CRCM) • Forçage à grande échelle des composants à faible nombre d'onde • Questions importantes • La résolution spatiale des données de référence • Mise à jour de la fréquence des données de référence © Crown copyright Met Office

Conditions aux limites de surfaces océaniques Deux méthodes pour donner la TSO, l'étendue et la l'épaisseur de la glace: • Utiliser le MCGAO couplé Ø Demande une simulation de bonne qualité de la TSO et de la glace de mer dans le modèle • Utiliser les valeurs observées Ø Pour la simulation du jour. Ø Pour les besoins du climat futur, ajouter aux valeurs observées les changements notés sur la TSO et de la glace à partir d'un MCG couplé © Crown copyright Met Office

Validation du modèle • La validation du modèle est ESSENTIELLE : Ø Une simulation pourrait se faire sur des zones où la performance du modèle n’a pas été testée Ø Cela vous permet de vous familiariser avec les caractéristiques du modèle Ø C’est un indicateur du niveau de crédibilité des résultats du MCR et de la meilleure manière dont ces résultats pourraient être utilisés © Crown copyright Met Office

Evaluer l’exactitude avec laquelle le système modèle reproduit le climat actuel : 2 questions • Système modèle = MCG + MCR • Question 1. Y a-t-il des incohérences dans le système modèle ? • Entre les parties du système • Entre une partie du système et la “réalité” • Question 2. Si oui, pourquoi ? • Biais systématique du modèle (erreur dans la conception physique du modèle) • Problèmes d’échantillonnage spatial (différences dans la résolution du modèle et des observations) • Erreurs d’observation (problèmes de grille, erreurs liées aux instruments) © Crown copyright Met Office

Techniques pour répondre à ces questions Ø Analyser plusieurs variables météorologiques • Au moins : T 1. 5, précipitations, les vents des couches d’air supérieures Ø Comparer des variables physiquement liées • Exemple : Dans des conditions froides et humides, on devrait s’attendre à une forte humidité du sol. Est-ce le cas ? Ø Comparer les erreurs constatées dans les variables physiquement liées avec les observations • Exemple : Si les précipitations sont anormalement faibles, mais que l’humidité du sol est anormalement élevée Ø Utiliser l’information spatiale et temporelle • Spatiale : champs moyens, aires plus petites, profils verticaux, moyennes zonales (MCG) • Temporelle : Moyennes, statistiques d’ordre supérieur (variabilité, extrêmes) © Crown copyright Met Office

Types de validation • Ces techniques peuvent être appliquées à quatre types de validation : • 1) MCG vs. observations • 2) MCR dérivant d’un MCG vs. MCG • 3) MCR dérivant d’un MCG vs. observations • 4) MCR dérivant d’observations vs. Observations • Le niveau de la validation dépend de votre schéma expérimental. Par exemple : • Etudes de sensibilité/processus avec les conditions aux limites observées 4) • Changement climatique : 2) et 3), peut-être 1) © Crown copyright Met Office

1) Mesurer à quel point le MCG reproduit le climat actuel GCM réalisme Observations Ø Comparer ce qui est comparable • Seul le MCG est applicable aux échelles spatiales résolues par sa grille (large) • Agréger ou interpoler les données du MCG ou d’observation Ø Ne peut pas comparer les années individuelles du MCG avec les années observées • Ne peut pas garantir que la réponse atmosphérique aux forçages externes modélisée (exemple : TSO, CO²) va correspondre avec celle de l’atmosphère réelle © Crown copyright Met Office

2) Evaluer la cohérence entre le MCR et le MCG MCR cohérence MCG réalisme Observations Ø Question : A quel point le MCR entre-t-il en contradiction avec le MCG • Très important dans un contexte de changement climatique Ø Nécessité d’inclure la variabilité interannuelle dans la comparaison • Certaines années, l’importance du forçage frontières sera plus grande que les autres : au moins trois années afin d’inclure toute variabilité interannuelle Ø Examiner les saisons séparément pour confirmer un comportement sous des régimes de forçage généralement différents © Crown copyright Met Office

3) Evaluer dans quelle mesure le MCR reflète bien le climat actuel MCR cohérence réalisme MCG réalisme Observations Ø Comparer ce qui est comparable • Seul le MCR est applicable aux échelles spatiales résolues par sa grille (fine) • Agréger ou interpoler les données du MCR ou d’observation Ø Ne peut pas comparer les années individuelles du MCR avec les années observées correspondantes (pour les mêmes raisons qu’avec le MCG) Ø Les erreurs sont la combinaison de trois erreurs : • 1) Erreurs physiques dans le MCG affectant les CLs (conditions aux limites latérales) • 2) Erreurs de cohérence entre le MCR et le MCG • 3) Erreurs physiques dans le MCR © Crown copyright Met Office

Variabilité intra saisonnière de la Mousson indienne : phases active/calme de la pluviométr Break Active GCM © Crown copyright Met Office RCM

4) Expériences dérivées de la ré-analyse MCR cohérence réalisme Observations • Les CLs “quasi-observationnelles” permettent une validation alternative du MCR, en testant la capacité du modèle en l’absence d’erreurs de grande échelle inhérentes au MCG • Les CLs sont celles d’un MCG de la seule atmosphère qui se limite aux observations de satellites, de sondes, de stations terrestres, de navires, de bouées, etc. • • Quatre ensembles de données : ERA-15, ERA-40, ERA-Interim et NCEP R 2 Le MCR est forcé par des reproductions de la réalité tant au plan externe (exemple : températures observées à la surface de l’océan : TSO) qu’au niveau interne (CLs quasi-observées) • Ouvrant ainsi la possibilité de comparaisons entre le MCR et les observations pour des périodes ou des évènements particuliers © Crown copyright Met Office

Fréquence des jours pluvieux pour 3 MCRs au-dessus des Alpes, en été, comparée aux observations O B S © Crown copyright Met Office

La valeur ajoutée des MCRs © Crown copyright Met Office

Les MCRs simulent le climat de façon réaliste: cas des precipitations hivernales © Crown copyright Met Office

Représenter de plus petites îles Changements prévus de la température à la surface de la terre, en été, de nos jours et la fin du 21 e siècle. © Crown copyright Met Office

Prévoir les changements climatiques avec plus de détails Changements prévus dans les précipitations hivernales entre aujourd'hui et 2080. © Crown copyright Met Office

Simuler les changements extrêmes de façon plus réaliste Fréquence des jours d'hiver sur les Alpes avec différents seuils de précipitations quotidiennes. © Crown copyright Met Office

Simuler les cyclones tropicaux © Crown copyright Met Office

Vers la construction de scenarii d’impacts climatiques © Crown copyright Met Office

Construction de scénarii d’impacts climatiques Ø Les scénarii d’impacts de changements climatiques peuvent provenir de : • La combinaison de sorties de modèle climatique avec des données observées • Utilisation de sorties de modèle climatique Ø Des choix sont souvent nécessaires : • Comment obtenir des informations climatiques aux bonnes échelles spatiales (MCR ou MCG)? • Comment appliquer les changements anticipé (au climat moyen ou à la variabilité du climat)? Ø Comme pour la modélisation climatique, les processus physiques impliqués dans l’étude des impacts climatiques sont rarement bien compris ou bien simulés © Crown copyright Met Office

Incertitudes scenarii d’impacts • Émissions • Concentration • MCG • Modélisation régionale • Construction de scénario climatique • Impacts Etapes nécessaires dans l’élaboration de scénarios climatiques © Crown copyright Met Office

Plan 1. Modélisation des variations du climat global et des changements climatiques 2. Techniques de régionalisation du climat • Modéles régionaux de climat 3. Efforts internationaux de modélisation des variations du climat de l’Afrique de l’Ouest © Crown copyright Met Office

Leçons des récents projets d’inter-comparaison West African Monsoon Modelling and Evaluation project (WAMME) • 50 km RCMs are nested within NCEPR 2 reanalysis over 4 May-October seasons (2000 and 2003 -2005) • Reasonable simulation of WAM June-September rainfall pattern, with spatial correlation with observation of 0. 90 • Wide range of skill in simulating mean seasonal zonal wind and meridional moisture advection • Sensitivity to lateral boundary conditions differ for two RCMs (Had. RM 3 P and RM 3) (from Druyan et al. , 2010)

Le projet ENSEMBLES-AMMA • 50 km RCMs are nested within ERAINTERIM reanalysis continuously from 1989 -2007 • Individual model errors vary considerably in space from model to model • RCMs also differ significantly in terms of seasonal cycle and inter-annual variability • RCMs do not simply inherit errors from the driving boundary conditions Observed 1990 -2007 annual precipitation climatology and model errors (from Paeth et al. , 2011)

Examples of climate projections uncertainty Ouémé basin Niger Nakambé basin Monthly precipitation and temperature change from various model ensembles with A 1 B (2020 -2050 minus 1960 -1990 )

Le projet CORDEX : échantilloner les différentes sources d’incertitudes associées aux techniques de régionalisation du climat RCD Configuration (Multiple models) Region AOGCM Configuration (Multiple AOGCMs) Uncertainty in regional climate projection Internal variability (Multiple realizations) Emission/ Concentration Scenarios RCD approach (Multiple RCD methods)

DOMAINES CORDEX (sauf Arctique & Antarctique) • Multiples regions: 12 domaines d’environ 50 x 50 km² de resolution spatiale • Interêt initial pour l’Afrique • Fine resolution ~0. 11°x 0. 11°: Europe, Afrique et Asie de l’Est

Conclusions • Les techniques de régionalisation du climat sont utilisées pour extraire des informations climatiques d’échelle fine à partir des projections MCGs • Plusieurs méthodes de régionalisation du climat éxistent et disposent toutes de qualités (et défauts) • Le modèle climatique régional est un outil fondé sur des principes physiques et mathématiques, et facilement accessible pour générer des scenarii climatiques de fine resolution spatiale • Seuls les méthodes dynamiques de prédiction de changement climatique sont capables de fournir des scénarii climatiques réalistes et cohérentes. • Le choix de la méthode de régionalisation du climat rajoute un degré d’incertitude lors de l'évaluation des effets du changement climatique sur les environnements et la société © Crown copyright Met Office

Questions et réponses © Crown copyright Met Office

Processus climatiques et rétroactions • Vapeur d'eau • Nuages • Processus océaniques • Cryosphère • Surface terrestre • Cycle du carbone © Crown copyright Met Office

Incertitudes dans les modèles climatiques Couche limite Coefficients de mélange turbulent : dépendance de la stabilité, longueur de mélange neutre Nuage de grande échelle Vitesse de chute de glace Longueur de rugosité de la surface de la mer : constant e de Charnock, valeur de convection libre Dynamiques Humidité relative critique pour formation Diffusion : ordre et temps de e-folding Gouttelettes de nuage à pluie : taux de conversion et seuil Déferlement des ondes de gravité : surface et constantes des ondes sous vent piégées Calcul de fraction de nuages Niveau de départ du déferlement des ondes de gravité Convection Taux d’entraînement Intensité de flux de masse Forme de nuage (enclumes) (*) Eau du nuage vue par radiation (*) Radiation Taille/forme des particules de glace Processus de la surface terrestre Profondeur d’enracinement Longueur de rugosité des forêts Couplage surface-canopée Dépendance en CO 2 de la conductance stomatale (*) Glace de mer Hypothèses de chevauchement de nuages Dépendance à la température de l’albedo Absorption du continuum de la vapeur d’eau (*) Tranfert de chaleur Océan-glace © Crown copyright Met Office