Chimie d´ etaill´ ee : la construction d’un mod` ele de chimie-climat

L’extension des moyens de calcul a permis le d´eveloppement de mod`eles tri-dimensionnels de chimie, d’abord sous la forme de mod`eles de chimie-transport, puis plus r´ecemment sous la forme de mod`eles de chimie-climat (ccm) (Austin et al., 2003 ; Eyring et al., 2006). Suite `a ces progr`es, le programme sparc a initi´e en 2003 la mise en place d’un exercice d’intercomparaison des mod`eles de ce type (appel´e ccm-val-1). La seconde ´etape de ce projet a abouti `a l’´evaluation syst´ematique des processus essentiels que doit d´ecrire un mod`ele de chimie-climat et a donn´e lieu `a un rapport cons´equent (Eyring et al., 2010).

1_{Les valeurs `a l’´equilibrer}

0, T0, Σ0 sont fonction de la latitude, de la pression et du temps (avec une fr´equence mensuelle). Par exemple,r₀≡ r₀(λ, p, t).

V.1.2.1 Du couplage off-line au couplage on-line

Pour ce projet d’intercomparaison ccm-val-2, le cnrm a utilis´e un mod`ele qui apparaˆıt dans le rapport sous le nom de cnrm-acm −ARPEGE-Climat Coupl´e `a MOCAGE −. Il s’appuyait `a la fois sur le mod`ele de circulation g´en´erale arpege-Climat d´ecrit dans le chapitre 2 et sur le mod`ele de chimie-transport (ctm) mocage, qui est principalement utilis´e pour pr´evoir `a courte ´

ech´eance l’´evolution temporelle de la composition chimique de l’atmosph`ere `a partir d’un ´etat initial. Pour des applications climatiques, il se distingue par une r´esolution spatiale plus basse et un degr´e de complexit´e du sch´ema chimique moindre (Teyss`edre et al., 2007).

Dans le mod`ele cnrm-acm, le mod`ele mocage dans sa configuration climatique ´etait aliment´e par les variables thermodynamiques (u, v, T , q) calcul´ees par le mod`ele de cir- culation g´en´erale. Ce dernier calcule les param`etres thermodynamiques de l’atmosph`ere, ind´ependamment des r´esultats du mod`ele chimique entre t et t + Δt. Le for¸cage m´et´eorologique est ensuite fourni toutes les Δt=6h pour le mod`ele mocage qui peut alors calculer l’´evolution due `a la chimie sur la mˆeme p´eriode de temps. Le transport advectif (sch´ema semi-lagrangien) et convectif, ainsi que le d´epˆot humide et les ´echanges avec la surface sont assur´es par le mod`ele de chimie-transport. Pour tenir compte ensuite de la modification de la concentration de certaines esp`eces chimiques, avant de passer `a l’int´egration du mod`ele climatique sur une nouvelle p´eriode Δt, le mod`ele de chimie fournit au mod`ele climatique des champs de concentrations de certains gaz `a effet de serre. Celui-ci effectue alors une nouvelle int´egration avec ces nouvelles distribu- tions de gaz `a effet de serre. Ce m´ecanisme est illustr´ee sur la figure VII.1, haut pr´esent´ee en annexe.

La participation au projet d’intercomparaison ccm-val-2 a r´ev´el´e qu’outre des d´efauts ma- jeurs dus `a la dynamique stratosph´erique simul´ee par le mod`ele arpege-Climat version 4, la configuration du mod`ele cnrm-acm pr´esentait des caract´eristiques handicapantes. La premi`ere d’entre elles concerne le temps de calcul. Celui-ci ´etait relativement prohibitif : les simulations longues ´etaient extrˆemement coˆuteuses et les tests de sensibilit´e interdits. D’autre part, afin de rendre ce temps de calcul plus acceptable, la r´esolution horizontale utilis´ee pour la chimie ´etait r´eduite par rapport `a celle utilis´ee pour la dynamique. Enfin, le couplage ´etait r´eduit au seul champ d’ozone et intervenait de mani`ere peu fr´equente (toutes les 6 heures). Le traitement de la vapeur d’eau posait ´egalement un probl`eme s´erieux.

V.1.2.2 Un mod`ele de chimie-climat

Apr`es des tests pr´eliminaires concluants (temps de calcul r´eduit de mani`ere drastique d’un facteur 20, pas d’impossibilit´e technique a priori), il a ainsi ´et´e d´ecid´e de tester une configuration diff´erente et de cr´eer un v´eritable mod`ele de chimie-climat. La figure VII.1 d´etaille le processus de construction du mod`ele. Elle consiste en quelque sorte en une op´eration de chirurgie infor- matique, afin de permettre `a la fois la prise en compte des traceurs dans le mod`ele de circulation g´en´erale, l’introduction du module chimique et le transfert d’informations vers le sch´ema de rayonnement.

Ce travail a finalement abouti `a la cr´eation d’un mod`ele de chimie-climat dont la dynamique et la physique sont communes au mod`ele atmosph´erique utilis´e par le cnrm dans le prochain exercice du giec et dont le module chimique est adapt´e du sch´ema chimique utilis´e par mocage. L’introduction est bien entendu transparente, le mod`ele peut ˆetre utilis´e sans chimie ou ˆetre utilis´e en mode forc´e (la chimie est alors calcul´ee parall`element `a la dynamique sans interagir avec elle dans le sch´ema de rayonnement). Le surcoˆut de calcul de la chimie interactive est d’un facteur 3.

Ainsi, les principales modifications entre le mod`ele cnrm-acm et le mod`ele nouvellement cr´e´e et nomm´e simplement cnrm-ccm dans la suite concernent ainsi : le sch´ema de transport (bien

que le sch´ema soit de conception semi-lagrangienne dans les deux cas), la r´esolution horizontale de la chimie (passage d’une grille 5.6° × 5.6° `a une grille 2.8° × 2.8°), la fr´equence de couplage (qui se fait `a chaque pas de temps du mod`ele - environ 20 min - au lieu de 6h pr´ec´edemment) et le nombre d’esp`eces coupl´ees (d´esormais, O3, H2O et CO2 sont utilisables pour le rayonnement

solaire et H2O, CO2, O3, CH4, N2O, CFC-11 et CFC-12 pour le rayonnement infrarouge). V.1.2.3 Le sch´ema chimique

Nous concluons cette partie en d´ecrivant le sch´ema chimique utilis´e. Deux sch´emas chimiques ont ´et´e impl´ement´es dans le mod`ele arpege-Climat selon la proc´edure d´ecrite dans le paragraphe pr´ec´edent. Le premier comprend essentiellement des esp`eces stratosph´eriques : c’est le sch´ema dit reprobus − REactive Processes Ruling the Ozone BUdget in the Stratosphere − (Lef`evre et al., 1994), qui comprend 41 esp`eces chimiques. Une version proche est utilis´ee par le mod`ele de chimie-climat du lmd, lmdz-repro (Jourdain et al., 2008). Le second comprend, en plus de ces esp`eces stratosph´eriques, des compos´es troposph´eriques : c’est le sch´ema dit relacs, qui est une combinaison du sch´ema reprobus et du sch´ema relacs − Regional Lumped Atmospheric Chemical Scheme− (Crassier et al., 2000), version simplifi´ee du sch´ema troposph´erique racm − Regional Atmospheric Chemistry Model− (Stockwell et al., 1997). Ce sch´ema prend en compte 81 esp`eces chimiques, dont 64 sont transport´ees, au travers de 242 r´eactions. Il a fait l’objet d’une validation approfondie en mode forc´e dans le mod`ele mocage (Teyss`edre et al., 2007) mais n’a pas ´et´e test´e durant cette th`ese.