Modèle climatique

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Les modèles climatiques sont des systèmes d'équations différentielles basées sur les lois fondamentales de la physique, du mouvement 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, le transfert de chaleur, le rayonnement, l'humidité relative et l'hydrologie de surface dans chaque grille et évaluent les interactions avec les points voisins.

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.

Description[modifier | modifier le code]

Il existe différents types de modèles allant d'un simple bilan énergétique aux modèles du système Terre globaux représentant de façon complexe les différentes composantes du système Terre - Atmosphère, Océan, Glace de mer, Biosphère continentale, etc - et leurs interactions.

Parmi les modèles détaillés dans le 5e rapport du GIEC, on trouve[1]:

  • Les modèles couplés océan-atmosphère[1]. Ces modèles représentaient l'essentiel des modèles utilisés et évalués dans le 4e rapport du GIEC. Ils sont constitués de plusieurs modèles (un modèle d'océan, un modèle d'atmosphère, un modèle de glace de mer, un modèle représentant les continents (végétation, ruissellement, etc.)) qui échangent leurs informations (couplage). Par exemple, les températures de surface atmosphériques, calculées par le modèle d'atmosphère, servent de données d'entré au modèle d'océan pour le calcule des températures de surface océanique et vice-versa. Ces modèles sont toujours très utilisés aujourd'hui.
  • Les modèles du système Terre[1]. Ces modèles sont le développement des modèles couplés océan-atmosphère, auxquels est ajouté la simulation des cycles biogéochimiques. Ils constituent aujourd'hui les outils les plus complets pour la réalisation des projections climatiques pour lesquelles les rétroactions liées aux cycles biogéochimiques sont importantes.
  • Les modèles du système Terre de complexité intermédiaire[1],[2]. Ces modèles incluent les composantes des modèles du système Terre, mais souvent de façons idéalisée, ou à faible résolution afin d'être moins couteux en puissance de calcule. Ils permettent l'étude de questions spécifiques, par exemple la compréhension de certains processus de rétroactions.
  • Les modèles régionaux[3]. Ils sont similaires aux modèles précédents, mais leur domaine spatiale ne couvre qu'une partie du globe terrestre. Leur domaine étant plus petit, il est possible d'avoir une meilleure résolution spatiale (taille de la maille plus petite) et temporelle pour un même coût de calcule par rapport à un modèle globale. Les informations aux frontières sont en général fournies par les modèles globaux.

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]

Les modèles climatiques sont basées sur les lois fondamentales de la physiques, c'est-à-dire, la conservation de l'énergie, de la masse, et de la quantité de mouvement. Ces lois, appliquées aux fluides (air pour l'atmosphère, et eau pour l'océan), et mises sous forme d'équations, sont connues sous le nom d'équations de Navier-Stokes. Ces équations sont ensuite simplifiées en se plaçant dans le cadre de certaines approximations. Ces équations simplifiées, appelée équations primitives, sont la base du modèle. Pour la modélisation des cycles biogéochimiques, le rapport Redfield (en)[4] est imposé et constitue donc souvnt une des équations de base.

Il faut ensuite implémenter ces équations sur ordinateur[5]. Pour cela :

  • On établit un maillage artificiel, tridimensionnel du milieu que l'on veut modéliser (par ex: atmosphère) on découpe virtuellement la zone géographique en carré de plusieurs kilomètres de côté et de haut. La taille de la maille conditionnera le temps de calcul informatique.
  • On résout les équations à l'intérieur de chaque boite pour déterminer quelques paramètres considérés comme caractéristiques 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.

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

Applications[modifier | modifier le code]

Le choix du modèle dépend de la question scientifique posée. Ces modèles permettent, entre autres[6]:

  • L'étude du climat passé, que ce soit sur les grandes périodes d'évolution de la Terre (paléoclimatologie) ou sur la période récente du 20e siècle.
  • L'analyse et la compréhension des mécanismes physiques associés à certains évènements climatiques (comme le ralentissement de la hausse des températures de surface atmosphérique sur la décennie 2000s).
  • L'analyse et la compréhension de la variabilité climatique dite 'interne', c'est-à-dire liée aux interactions internes au système Terre, par exemple liés aux échanges de chaleur entre l'océan et l'atmosphère.
  • La détection et l'attribution des changements climatiques, c'est-à-dire la détection de fluctuations climatiques par rapport à un climat moyen et l'attribution à une cause, c'est-à-dire la compréhension du mécanisme physique qui en est l'origine[7]
  • Les prévisions climatiques, c'est-à-dire la prévision des fluctuations climatiques, toutes sources confondues
  • Les projections climatiques, c'est-à-dire la réponse du climat à un changement externe donné. Typiquement, les projections climatiques sur le 21e siècle correspondent à la réponse du climat au changement de concentration de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Elles n'ont pas pour objectif de prévoir les fluctuations internes liées aux interactions entre l'océan et l'atmosphère. Ces fluctuations internes peuvent d'ailleurs masquer cette réponse sur certains indicateurs pendant certaines périodes, comme ce fut le cas sur la décennie 2000 ou il a été observé un plateau de l'évolution de la température globale[8].

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)[9]. 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 Niño, 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-HORC 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.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a b c et d (en) Gregory Flato, IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis (lire en ligne), chap. 9 (« Evaluation of climate models »), p746
  2. (en) Claussen M., Mysak L., Weaver A. et Crucifix M., « Earth system models of intermediate complexity: closing the gap in the spectrum of climate system models », Climate Dynamics, vol. 18, no 7,‎ , p. 579–586 (ISSN 0930-7575 et 1432-0894, DOI 10.1007/s00382-001-0200-1, lire en ligne)
  3. (en) IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. (lire en ligne), chap. 9 (« Evaluation of Climate Models »), p. 748
  4. (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)
  5. (en) Gregory Flato, IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis (lire en ligne), chap. 9 (« Evaluation of Climate Models »), Box 9.1, p749
  6. (en) « Climate Change 2013 - The Physical Science Basis », Cambridge Core,‎ , p. 746 (DOI 10.1017/cbo9781107415324, lire en ligne)
  7. « 9.1.2 What are Climate Change Detection and Attribution? - AR4 WGI Chapter 9: Understanding and Attributing Climate Change », sur www.ipcc.ch (consulté le 12 septembre 2018)
  8. (en) IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis : Climate models and the hiatus in Global mean surface wmarming of the past 15 years (lire en ligne), chap. 9 (« Evaluation of climate models »), Box 9.2, p769
  9. Aurore Voldoire et Pascale Braconnot, Climat: Modéliser pour comprendre et anticiper, p17 p. (lire en ligne)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]