Modèle climatique

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Un modèle climatique est une modélisation mathématique du climat dans une zone géographique donnée.

Historiquement, le premier modèle atmosphérique date de 1950, et a été testé sur le premier ordinateur existant, l'ENIAC. À la date du 4e rapport du GIEC (2007), le nombre de modèles indépendants utilisés par les différents laboratoires de climatologie à travers le monde étaient de 23.

De nombreux types de modèles variant en complexité. Les plus simples permettent d'avoir une très bonne compréhension de ce qui se passe ; les plus complexes permettent d'approcher la réalité.

En général, lorsqu'un processus physique est étudié, il est mis en valeur par quatre méthodes différentes :

- gar l'étude des données atmosphériques réelles (réanalyse météorologique)

- grâce aux super-modèles climatiques mis en place par les centres de recherche nationaux

- grâce à des modèles de circulation générale plus simples permettant des modifications de paramètres.

- enfin on l'illustre grâce à un toy-model qui permet de donner une image simple du fonctionnement des équations

Toy models[modifier | modifier le code]

les "toy models" sont les modèles les plus simples, ils permettent d'illustrer des phénomènes en faisant varier un petit nombre de paramètres. De nombreux exemples sont donnés par l'université du Colorado (cf. liens externes).

Un exemple classique est la modélisation de l'atmosphère par des couches unidimensionnelles qui absorbent et émettent le rayonnement infra-rouge.

Les Modèles de Circulation générale[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Modèle de circulation générale.

Le Modèle de circulation générale fait intervenir la circulation atmosphérique et océanique à l'échelle planétaire. Il en existe également de complexités variables, les plus simples pouvant modéliser uniquement la circulation atmosphérique selon les équations de Navier-Stokes et les plus complexes prenant en compte de nombreux paramètres tels que la rugosité du sol, la végétation, la volcanologie...

Construction classique du modèle[modifier | modifier le code]

Un modèle climatique est construit de façon à être le plus précis possible et surtout le plus efficace. Traditionnellement, un modèle climatique est construit comme suit :

  • On établit un maillage artificiel de la surface géographique : on découpe virtuellement la zone géographique en carré de plusieurs kilomètres de côté. La taille de la maille conditionnera le temps de calcul informatique.
  • On prend en compte le volume atmosphérique concerné en créant des "boîtes à chaussures" le long de la verticale, avec quelques dizaines de niveaux de "boîtes" en tout.
  • On sélectionne alors quelques paramètres considérés comme caractéristique pour le système dans son ensemble. Il peut s'agir de la température moyenne et de sa répartition, les précipitations saisonnières, le taux d'humidité moyenne, la couverture végétale, la vitesse et la direction des vents, etc.
  • On exprime ensuite les relations physiques entre chaque paramètre et chaque "boîtes à chaussures" on exprime alors les relations mathématiques unissant la température de surface à l'évaporation, ou encore les équations auxquelles l'atmosphère doit obéir en permanence, comme la conservation de l'énergie, les cycles biogéochimiques chiffrés notamment par le rapport Redfield (en)[1].

Au bout de ce processus, on teste le modèle par rapport aux observations de terrains, ce qui finalement, améliore le modèle précédent.

Incertitudes et évaluation[modifier | modifier le code]

Les modèles climatiques sont imparfaits. La paramétrisation, qui permet de tenir compte des processus physiques d'échelle inférieure à celle de la maille du modèle, est la principale source d'incertitudes des modèles climatiques.

La configuration des grilles (sur lesquelles sont discrétisées les équations physiques) et le choix des paramètres sont propres à chaque modèle. Il en résulte des différences dans les données de sorties qui permettent d'estimer l'incertitude due à ces imperfections. Cette incertitude est prise en compte dans les projections climatiques.

Tous les modèles de climat sont évalués en les confrontant aux observations. Cette comparaison modèle-observation tient compte des incertitudes sur les simulations, mais aussi sur les observations (en particulier liées à l'échantillonnage limité)[2]. L'évaluation porte notamment sur :

  • Le climat moyen : notamment la circulation atmosphérique, la circulation océanique, la température moyenne, la couverture de glace de mer, etc...
  • La capacité à reproduire correctement le cycle saisonnier dans chaque région
  • La capacité à simuler a variabilité interannuelle à décennale (évènements El Nino, minimum de couverture de glace de mer, variations de modes de variabilité comme l'oscillation Nord-Atlantique
  • La capacité à simuler les tendances récentes observées (fonte de la banquise, réchauffement global, montée du niveau des mers ...)


Progrès techniques[modifier | modifier le code]

La prédiction climatique a été révolutionné par les satellites artificiels qui collectent de nombreuses données sur l'état de l'atmosphère (humidité, nébulosité, température…), de même que par le développement des stations météorologiques au sol.

La puissance de calcul informatique est donc déterminante en climatologie, car elle permet d'adjoindre plus de paramètres au modèle, mais aussi de diminuer le maillage au sol. On constate ainsi que le temps de calcul pour simuler un mois d'évolution a été divisé par plus de 100 entre 1980 et 2000. L'utilisation de supercalculateurs est actuellement la norme. Des programmes de recherche financés par le G8-HORCs visent actuellement à actualiser les modèles afin de pouvoir utiliser les supercalculateurs exascales (en) à venir.

Les modèles climatiques sont les outils utilisés par les experts du GIEC pour calculer les conséquences probables du réchauffement climatique. À la date du 4e rapport du GIEC (2007), le nombre de modèles indépendants utilisés par les différents laboratoires de climatologie à travers le monde étaient de 23.

Liens externes[modifier | modifier le code]

"Toys models" proposés par l'université d'état du Colorado

"La modélisation du climat" , Vidéo de vulgarisation faite par le CEA.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Adam C. Martiny, Chau T. A. Pham, Francois W. Primeau, Jasper A. Vrugt, J. Keith Moore, Simon A. Levin et Michael W. Lomas, « Strong latitudinal patterns in the elemental ratios of marine plankton and organic matter », Nature Geoscience,‎ (DOI 10.1038/ngeo1757)
  2. Aurore Voldoire et Pascale Braconnot, Climat: Modéliser pour comprendre et anticiper, p17 p. (lire en ligne)

Articles connexes[modifier | modifier le code]