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Modèle climatique

Modèles de circulation générale (MCG) Les modèles climatiques sont des systèmes d' équations différentielles basés sur les lois fondamentales de la physique , de la mécanique de...

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Modèles de circulation générale (MCG)

Les modèles climatiques sont des systèmes d' équations différentielles basés sur les lois fondamentales de la physique , de la mécanique des fluides et de la chimie . Pour exécuter un modèle, les scientifiques divisent la planète en une grille tridimensionnelle, appliquent les équations de base et évaluent les résultats. Les modèles atmosphériques calculent les vents , les transferts de chaleur , le rayonnement , l'humidité relative et l'hydrologie de surface au sein de chaque cellule de la grille et évaluent les interactions avec les points voisins.

Un modèle de circulation générale (MCG) est un type de modèle climatique. Il utilise un modèle mathématique de la circulation générale de l' atmosphère ou de l'océan d'une planète. Il s'appuie sur les équations de Navier-Stokes appliquées à une sphère en rotation, intégrant des termes thermodynamiques pour diverses sources d'énergie ( rayonnement , chaleur latente ). Ces équations constituent la base des programmes informatiques utilisés pour simuler l'atmosphère ou les océans terrestres. Les MCG atmosphériques et océaniques (MCGA et MCGO ) sont des composantes essentielles, au même titre que les composantes relatives à la glace de mer et à la surface terrestre .

Les modèles climatiques globaux (GCM) sont utilisés pour les prévisions météorologiques , la compréhension du climat et la prévision des changements climatiques .

Les modèles climatiques atmosphériques (MCA) modélisent l'atmosphère et imposent les températures de surface de la mer comme conditions aux limites. Les modèles climatiques couplés atmosphère-océan (MCCA-OC, par exemple HadCM3 , EdGCM , GFDL CM2.X , ARPEGE-Climat) combinent les deux modèles. Le premier modèle climatique de circulation générale intégrant les processus océaniques et atmosphériques a été développé à la fin des années 1960 au Laboratoire de dynamique des fluides géophysiques de la NOAA . Les MCCA-OC représentent le summum de la complexité en matière de modélisation climatique et intègrent un maximum de processus. Cependant, ils sont encore en développement et des incertitudes subsistent. Ils peuvent être couplés à des modèles d'autres processus, tels que le cycle du carbone , afin de mieux modéliser les effets de rétroaction. Ces modèles multisystèmes intégrés sont parfois appelés « modèles du système Terre » ou « modèles climatiques globaux ».

Des versions conçues pour des applications climatiques à l'échelle de la décennie au siècle ont été créées par Syukuro Manabe et Kirk Bryan au Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) de Princeton, dans le New Jersey . Ces modèles sont basés sur l'intégration d'une variété d'équations de dynamique des fluides, chimiques et parfois biologiques.

Modèles de bilan énergétique (EBM)

Avant la mise en place de grands centres de calcul à partir des années 1960, la simulation complète du système climatique en trois dimensions spatio-temporelles était irréalisable. Afin de commencer à comprendre les facteurs susceptibles d'avoir modifié les états paléoclimatiques de la Terre , il était nécessaire de réduire la complexité dimensionnelle et la complexité des constituants du système. Un modèle quantitatif simple, équilibrant l'énergie entrante et sortante, a été développé pour l'atmosphère à la fin du XIXe siècle . D'autres modèles environnementaux (EBM) visent également à obtenir une description économique des températures de surface en appliquant la contrainte de conservation de l'énergie aux différentes colonnes du système Terre-atmosphère

Les modèles écosystémiques (EBM) se caractérisent par leur relative simplicité conceptuelle et leur capacité à fournir parfois des solutions analytiques . Certains modèles prennent en compte l'influence des caractéristiques océaniques, terrestres ou glaciaires sur le bilan de surface. D'autres intègrent les interactions avec des éléments du cycle de l'eau ou du cycle du carbone . Divers modèles de systèmes réduits, parmi d'autres, peuvent s'avérer utiles pour des tâches spécifiques complétant les modèles climatiques globaux (GCM), notamment pour combler le fossé entre la simulation et la compréhension.

Modèles zéro-dimensionnels

Les modèles zéro-dimensionnels considèrent la Terre comme un point dans l'espace, à l'instar de la photographie du « Point bleu pâle » prise par Voyager 1 en 1990 , ou de la vision qu'un astronome a d'objets très lointains. Cette vision sans dimension , bien que très limitée, reste utile car les lois de la physique s'appliquent globalement à des objets inconnus, ou de manière simplifiée si certaines propriétés importantes de l'objet sont connues. Par exemple, les astronomes savent que la plupart des planètes de notre système solaire possèdent une surface solide ou liquide entourée d'une atmosphère gazeuse.

Modèle avec surface et atmosphère combinées

Un modèle très simple de l' équilibre radiatif de la Terre est

{\displaystyle (1-a)S\pi r^{2}=4\pi r^{2}\epsilon \sigma T^{4 <semantics><mrow><mstyle><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>un</mi><mo>)</mo><mi>S</mi><mi>π</mi><msup><mi>r</mi><mrow><mn>2</mn></mrow></msup><mo>=</mo><mn>4</mn><mi>π</mi><msup><mi>r</mi><mrow><mn>2</mn></mrow></msup><mi>ϵ</mi><mi>σ</mi><msup><mi>T</mi><mrow><mn>4</mn></mrow></msup></mstyle></mrow><annotation>{\displaystyle (1-a)S\pi r^{2}=4\pi r^{2}\epsilon \sigma T^{4}}</annotation></semantics></math></span><img src=

où

La partie gauche représente la puissance totale des ondes courtes entrantes (en watts) provenant du Soleil
le côté droit représente la puissance totale sortante à ondes longues (en watts) de la Terre, calculée à partir de la loi de Stefan-Boltzmann .

Les paramètres constants comprennent

S est la constante solaire – le rayonnement solaire incident par unité de surface – environ 1367W·m⁻²^.
r est le rayon de la Terre, soit environ 6,371 millionsde mètres(m).
π est la constante mathématique (3,141...)
${\displaystyle \sigma <semantics><mrow><mstyle><mi>σ</mi></mstyle></mrow><annotation>{\displaystyle \sigma }</annotation></semantics></math><img src=$ est la constante de Stefan-Boltzmann — environ 5,67 × 10⁻⁸ ^J · ^K⁻⁴ · ^m⁻² · ^s⁻¹

La constante ${\displaystyle \pi \,r^{2 <semantics><mrow><mstyle><mi>π</mi><mspace></mspace><msup><mi>r</mi><mrow><mn>2</mn></mrow></msup></mstyle></mrow><annotation>{\displaystyle \pi \,r^{2}}</annotation></semantics></math><img src=$

{\displaystyle (1-a)S=4\epsilon \sigma T^{4 <semantics><mrow><mstyle><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>un</mi><mo>)</mo><mi>S</mi><mo>=</mo><mn>4</mn><mi>ϵ</mi><mi>σ</mi><msup><mi>T</mi><mrow><mn>4</mn></mrow></msup></mstyle></mrow><annotation>{\displaystyle (1-a)S=4\epsilon \sigma T^{4}}</annotation></semantics></math></span><img src=

où

Le côté gauche représente le flux d'énergie solaire incidente à ondes courtes en W·m⁻² ^.
le côté droit représente le flux d'énergie de grande longueur d'onde sortant de la Terre en W·m ⁻² .

Les paramètres variables restants, spécifiques à la planète, comprennent :

${\displaystyle a <semantics><mrow><mstyle><mi>un</mi></mstyle></mrow><annotation>{\displaystyle a}</annotation></semantics></math><img src=$ est l'albédo moyen de la Terre , mesuré à 0,3.
${\displaystyle T <semantics><mrow><mstyle><mi>T</mi></mstyle></mrow><annotation>{\displaystyle T}</annotation></semantics></math><img src=$ est la température moyenne de la surface de la Terre , mesurée à environ 288 Kelvin (K) en 2020
${\displaystyle \epsilon <semantics><mrow><mstyle><mi>ϵ</mi></mstyle></mrow><annotation>{\displaystyle \epsilon }</annotation></semantics></math><img src=$ L' émissivité effective de la surface et de l'atmosphère terrestres (nuages compris) est une grandeur comprise entre 0 et 1, calculée à partir de l'équilibre et qui vaut environ 0,61. Dans le cadre d'un traitement zéro-dimensionnel, elle correspond à une valeur moyenne calculée sur tous les angles de vue.

Ce modèle très simple est particulièrement instructif. Il illustre par exemple la sensibilité de la température aux variations de la constante solaire, de l'albédo terrestre ou de l'émissivité effective de la Terre. L'émissivité effective permet également d'évaluer l'intensité de l' effet de serre atmosphérique , puisqu'elle correspond au rapport entre les émissions thermiques s'échappant dans l'espace et celles émanant de la surface.

L'émissivité calculée peut être comparée aux données disponibles. Les émissivités des surfaces terrestres se situent toutes entre 0,96 et 0,99 (à l'exception de certaines petites zones désertiques où elles peuvent atteindre 0,7). Les nuages, qui couvrent environ la moitié de la surface de la planète, ont une émissivité moyenne d'environ 0,5 (valeur à réduire d'un facteur quatre par rapport à la température absolue moyenne de la surface) et une température moyenne des nuages d'environ °C ; 5 °F) . En tenant compte de tous ces éléments, on obtient une émissivité terrestre effective d'environ 0,64 (température moyenne de la Terre : °C ; 53 °F) ).

Modèles avec couches de surface et atmosphériques séparées

Des modèles adimensionnels ont également été construits, comportant des couches atmosphériques fonctionnellement distinctes de la surface. Le plus simple est le modèle zéro-dimensionnel à une seule couche , qui peut être facilement étendu à un nombre quelconque de couches atmosphériques. La surface et la ou les couches atmosphériques sont chacune caractérisées par une température et une émissivité respectives, mais sans épaisseur. L'application de l'équilibre radiatif (c'est-à-dire la conservation de l'énergie) aux interfaces idéalisées entre les couches conduit à un système d'équations couplées résolubles

Ces modèles EBM multicouches sont des exemples de modèles multicompartimentés . Ils permettent d'estimer des températures moyennes plus proches de celles observées à la surface de la Terre et dans la troposphère . Ils illustrent également les processus de transfert de chaleur par rayonnement qui sous-tendent l'effet de serre. La quantification de ce phénomène à l'aide d'une version du modèle monocouche a été publiée pour la première fois par Svante Arrhenius en 1896

Modèles radiatifs-convectifs

Modèles de systèmes terrestres de complexité intermédiaire (EMIC)

Les modèles de boîtes sont des versions simplifiées de systèmes complexes, les réduisant à des boîtes reliées par des flux. Ces boîtes contiennent des réservoirs (ou stocks ) d'espèces de matière et d'énergie supposées homogènes. La concentration de chaque espèce est donc uniforme à tout instant au sein d'une boîte. Cependant, l'abondance d'une espèce dans une boîte donnée peut varier au cours du temps en raison des flux entrants ou sortants ; elle peut également varier en raison de la production, de la consommation ou de la transformation de cette espèce au sein de la boîte.

Les modèles de boîtes simples, c'est-à-dire les modèles de boîtes comportant un petit nombre de boîtes dont les propriétés (par exemple leur volume) restent constantes dans le temps, sont souvent utiles pour établir des formules analytiques décrivant les abondances dynamiques et stationnaires d'une espèce. Ces formules sont appelées équations de base et sont dérivées des lois de conservation (par exemple, la conservation de l'énergie, la conservation de la masse, etc.). Des systèmes plus importants d'espèces interagissantes et d'équations sont évalués par des techniques numériques afin de décrire le comportement du système.

Les modèles de boîtes sont largement utilisés pour simuler les systèmes environnementaux et les écosystèmes. En 1961, Henry Stommel fut le premier à utiliser un modèle simple à deux boîtes pour étudier la stabilité de la circulation océanique à grande échelle . Un modèle plus complexe a permis d'examiner les interactions entre la circulation océanique et le cycle du carbone .

Modèles de données en réseau

Le domaine des réseaux complexes est devenu un champ scientifique important permettant de mieux comprendre la nature des systèmes complexes L'application de la théorie des réseaux aux sciences du climat est un domaine jeune et émergent. Pour identifier et analyser les tendances du climat mondial, les scientifiques modélisent les données climatiques sous forme de réseaux complexes.

Contrairement à la plupart des réseaux réels où les nœuds et les arêtes sont bien définis, dans les réseaux climatiques, les nœuds correspondent aux sites d'une grille spatiale de l'ensemble de données climatiques mondiales sous-jacent, qui peut être représenté à différentes résolutions. Deux nœuds sont reliés par une arête en fonction du degré de similarité statistique (qui peut être lié à une dépendance) entre les paires correspondantes de séries temporelles extraites des relevés climatiques. L'approche par réseaux climatiques permet d'obtenir des informations inédites sur la dynamique du système climatique à différentes échelles spatiales et temporelles.

Histoire

En 1956, Norman Phillips a mis au point un modèle mathématique qui décrivait de manière réaliste les variations mensuelles et saisonnières dans la troposphère. Il s'agissait du premier modèle climatique concluant. Plusieurs équipes ont ensuite entrepris de créer des modèles de circulation générale . Le premier modèle climatique de circulation générale, combinant les processus océaniques et atmosphériques, a été développé à la fin des années 1960 au Laboratoire de dynamique des fluides géophysiques , un organisme de l' Agence américaine d'observation océanique et atmosphérique (NOAA) .

En 1975, Manabe et Wetherald avaient mis au point un modèle climatique global tridimensionnel qui offrait une représentation relativement fidèle du climat actuel. Un doublement de la concentration de CO₂ _dans l'atmosphère du modèle entraînait une hausse de la température mondiale d'environ 2 °C. Plusieurs autres modèles informatiques ont donné des résultats similaires : il était impossible de concevoir un modèle reproduisant le climat réel sans observer une hausse de température lors de l' augmentation de la concentration de _{CO₂ .}

Au début des années 1980, le Centre national américain de recherche atmosphérique (NCAR) a développé le modèle atmosphérique communautaire (CAM), qui peut être utilisé seul ou comme composante atmosphérique du modèle climatique communautaire ( CCSM). La dernière mise à jour (version 3.1) du CAM autonome a été publiée le 1er février 2006. En 1986, des efforts ont été entrepris pour initialiser et modéliser les types de sols et de végétation, ce qui a permis d'obtenir des prévisions plus réalistes. Les modèles climatiques couplés océan-atmosphère, tels que le modèle HadCM3 du Centre Hadley pour la prévision et la recherche sur le climat (HCPR) , sont utilisés comme données d'entrée pour les études sur le changement climatique . Les méta-analyses des anciens modèles climatiques montrent qu'ils ont généralement été précis, bien que prudents, en sous-estimant les niveaux de réchauffement.

Amélioration de la fiabilité des prévisions au fil du temps

Le projet d'intercomparaison des modèles couplés (CMIP) est un effort de premier plan visant à favoriser les améliorations des modèles climatiques globaux et la compréhension du changement climatique depuis 1995.

Le GIEC a déclaré en 2010 avoir davantage confiance dans les prévisions issues des modèles climatiques :

« Il existe une confiance considérable dans le fait que les modèles climatiques fournissent des estimations quantitatives crédibles des changements climatiques futurs, notamment à l’échelle continentale et supérieure. Cette confiance repose sur le fait que les modèles sont fondés sur des principes physiques reconnus et sur leur capacité à reproduire les caractéristiques observées du climat actuel et les changements climatiques passés. La confiance dans les estimations des modèles est plus élevée pour certaines variables climatiques (par exemple, la température) que pour d’autres (par exemple, les précipitations). Au cours de plusieurs décennies de développement, les modèles ont systématiquement fourni une image robuste et sans ambiguïté d’un réchauffement climatique significatif en réponse à l’augmentation des gaz à effet de serre. »

Coordination de la recherche

Le Programme mondial de recherche sur le climat (PMRC), hébergé par l' Organisation météorologique mondiale (OMM), coordonne les activités de recherche sur la modélisation climatique à l'échelle mondiale.

Un rapport du Conseil national de la recherche des États-Unis de 2012 examinait comment le vaste et diversifié secteur de la modélisation climatique aux États-Unis pourrait évoluer vers une plus grande unification. Le rapport concluait que des gains d’efficacité pourraient être réalisés en développant une infrastructure logicielle commune partagée par tous les chercheurs américains en climatologie et en organisant un forum annuel sur la modélisation climatique.

Problèmes

Consommation d'électricité

Les modèles climatiques à résolution nuageuse sont aujourd'hui exécutés sur des supercalculateurs à haute intensité , très énergivores et donc sources d'émissions de CO₂. _[ nécessitent une puissance de calcul exascale (milliards de milliards – soit un quintillion – de calculs par seconde). Par exemple, le supercalculateur exascale Frontier consomme 29 MW. Il peut simuler une année entière de climat à l'échelle de la résolution nuageuse en une seule journée.

Les techniques qui pourraient permettre de réaliser des économies d’énergie comprennent par exemple : « la réduction de la précision des calculs en virgule flottante ; le développement d’algorithmes d’apprentissage automatique pour éviter les calculs inutiles ; et la création d’une nouvelle génération d’algorithmes numériques évolutifs qui permettraient un débit plus élevé en termes d’années simulées par jour ouvrable. »

Paramétrisation

La paramétrisation dans un modèle atmosphérique (qu'il s'agisse d' un modèle météorologique ou climatique) est une méthode permettant de remplacer les processus trop fins ou trop complexes pour être physiquement représentés dans le modèle par un processus simplifié. Elle se distingue d'autres processus, comme les flux atmosphériques à grande échelle, qui sont explicitement résolus dans les modèles. Ces paramétrisations sont associées à divers paramètres utilisés dans les processus simplifiés. On peut citer, par exemple, la vitesse de descente des gouttes de pluie, les nuages convectifs, les simplifications du transfert radiatif atmosphérique basées sur des codes de transfert radiatif atmosphérique , et la microphysique des nuages . Les paramétrisations radiatives sont importantes tant pour la modélisation atmosphérique qu'océanique. Les émissions atmosphériques provenant de différentes sources au sein de chaque maille de la grille doivent également être paramétrées afin de déterminer leur impact sur la qualité de l'air .