Un modèle de climat permet de reproduire le comportement du climat terrestre sur le long terme. Il fait intervenir la circulation atmosphérique et océanique à l’échelle planétaire. Grâce à ces modèles climatiques, il est possible de simuler l’évolution du climat passé et futur allant de quelques années à plusieurs millénaires.
Ces modèles se décomposent en une partie dynamique et une partie physique. La partie dynamique s’appuie sur des lois physiques dont les équations de Navier-Stokes. La partie physique traite tous les autres processus qui ne peuvent pas être résolus à l’échelle de la maille, et pour lesquels il faut utiliser des paramétrisations, c'est-à-dire des représentations simplifiées, pour représenter : la turbulence, la convection peu profonde, la convection profonde, les nuages, la microphysique et le rayonnement.
Les modèles de climat permettent de représenter le climat du globe à une résolution comprise entre 300 et 500 km en moyenne (ce que l’on appelle le maillage représenté sur la figure 4.13).
Figure 4.13: Représentation en trois dimensions d'un modèle de climat (IPSL)
Dans notre étude, nous utilisons les modèles de climat des projets CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project 5) et CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project 6) coordonnés au niveau international. Les scientifiques développant ces projets, ont mis en place différents scénarios climatiques futurs pour ces modèles. Ils correspondent à la quantité de gaz à effet de serre et autres particules (aérosols) dans l’atmosphère émise entre la période 2006 - 2300. Ici, nous nous sommes penchés sur ces modèles dans le cas du climat présent; le climat passé et les scénarios climatiques ne sont donc pas utilisés. Afin de comparer les composantes atmosphérique de ces modèles de climat, des simulations du climat présent où la SST est forcée sont effectuées. Ce sont les simulations AMIP qui sont utilisées dans ce travail. Environ une quarantaine de modèles de climat participent au projet CMIP5. Dans cette étude, nous nous intéresserons à sept versions de ces modèles de climat avec pour
certains des modifications de leurs paramétrisations physiques ou de leurs configurations (CanAM4, HadGEM2-A, IPSL-CM5A-LR, IPSL-CM5B-LR, MPI-ESM-LR, CNRM-CM5, CNRM-CM6) décrits dans le tableau 4.2 et dont les grilles verticales sont représentées sur la figure 4.14. Le modèle CNRM-CM6 est une évolution de CNRM-CM5 qui est en développement au CNRM et qui participera au prochain exercice CMIP6. Une configuration nudgée de CNRM-CM6 est également utilisée dans ces travaux. Cette simulation AMIP est dite guidée (-nudge). Dans ce cas, un rappel des variables dynamiques (vents zonal et méridien) du modèle vers celles d’une réanalyse (eg. ERA-Interim) est effectué. Ce type de simulations permet de corriger l’état moyen du modèle, de lui imposer une chronologie et donc rend plus simple à priori la comparaison aux observations à l’échelle locale ou régionale. Ce type de simulations est donc utile pour comprendre certains aspects des défauts des modèles de climat.
Figure 4.14: Grilles verticales des cinq modèles de climat avec pour certains des modifications de leurs paramétrisations physiques ou de leurs configurations.
Tableau 4.2: Modèles et versions de climat des projets CMIP5 et CMIP6 analysées dans cette étude
Institut, Pays Résolution horizontale Périodes
CanAM4 Centre Canadien de la Modélisation et de l’Analyse Climatique, Canada T63 (1.875° x 1.875°) 35 2006
CNRM-CM5 Centre National de Recherches Météorologiques (CNRM-CERFACS), Météo-France, France T127 (1.4° x 1.4°) 31 2007
CNRM-CM6-v1 Centre National de Recherches Météorologiques (CNRM-CERFACS), Météo-France, France 91 2007
CNRM-CM6-nudge Centre National de Recherches Météorologiques (CNRM-CERFACS), Météo-France, France 91 2007
HadGEM2-A Centre Hadley pour la Recherche et la Prévision Climatique, Royaume-Uni 1.25° x 1.875° 38 2006
IPSL-CM5A Institut Pierre Simon Laplace (IPSL), France 1.895° x 3.75° 39 2006
IPSL-CM5B Institut Pierre Simon Laplace (IPSL), France 1.895° x 3.75° 39 2006
MPI-ESM-LR Institut Max-Planck de Météorologie (MPI-M), Hamburg, Allemagne T63 (1.875° x 1.875°) 47 2006
Le modèle ARPEGE est un modèle de circulation générale global et spectral développé en collaboration avec le Centre Européen de Prévision (CEP) à Reading (U.K), pour la prévision numérique du temps. Dans les années 90, la version climat d’ARPEGE, ARPEGE-Climat, a été développée (Déqué et al. 1994). Aujourd'hui, elle est la composante atmosphérique du modèle "système terre" du CNRM couplant les différentes composantes du système climatique (atmosphère, océan, végétation, glace de mer). Ici, dans les simulations AMIP guidées, le modèle ARPEGE-Climat est guidé en vorticité (rappel à 6h), en divergence (rappel à 12h) et en pression de surface (rappel à 12h) vers la réanalyse ERA-Interim. Le guidage ne s’applique pas sur les niveaux les plus proches de la surface.
Depuis plusieurs années, une nouvelle physique atmosphérique a été développée et implémentée dans le modèle de climat du CNRM (cf. Tab. 4.3). Elle contient un nouveau schéma de turbulence avec une ECT (Énergie Cinétique Turbulente) pronostique (Cuxart et al. 2000), un nouveau schéma microphysique décrivant l’évolution des hydrométéores nuageux (liquide, glace) et précipitants (pluie, neige) (Lopez 2002), un nouveau schéma de convection représentant de manière unifiée la convection sèche, peu profonde et profonde (Piriou et al. 2007; Guérémy 2011) et d’autres mises à jour (schéma de surface, schéma radiatif, dynamique). Le schéma de convection représente également l'entrainement et le détraînement de la vapeur d’eau, de l’énergie et des hydrométéores, basés sur le tri par flottabilité de Bretherton et al. (2004), l'équation pronostique de la vitesse verticale de l’ascendance convective et la fermeture en CAPE.
CNRM-CM5 (31 niveaux verticaux) CNRM-CM6 (91 niveaux verticaux) Turbulence Équation diagnostique de l'ECT (Ricard and Royer
1993)
Équation pronostique de l'ECT (ordre 1.5) (Cuxart et
al. 2000)
Longueur de mélange
Profil quadratique de
Lenderink and Holtslag (2004)
Non local, flottabilité basée sur Bougeault and Lacarrère
(1989)
Convection peu profonde
Pas de schéma spécifique. Traité en partie via les PDF
humides
Transport microphysique du condensat prognostique (Piriou et al. 2007; Guérémy
2011)
Nuages grande échelle PDF de Bougeault (1981) PDF de Bougeault (1981)
Microphysique Diagnostique de Smith (1990)
Schéma pronostique de Lopez (2002) pour les parties résolue et convective, modifié
Bouteloup et al. (2010)
Convection profonde Bougeault (1985) PCMT (Piriou et al. 2007; Guérémy 2011)
Rayonnement SW : FMR (6 bandes)LW : RRTMG
SW: FMR (6 bandes) (Fouquart and Bonnel 1980;
Morcrette et al. 2001) LW : RRTMG (Mlawer et al.
1997)
Tableau 4.3: Les paramétrisations des modèles du CNRM des projets CMIP5 et CMIP6 (Beau et al. 2016)
Le modèle HadGEM2-A utilise aussi les mêmes paramétrisations physiques que le modèle du Met Office, décrit dans la section précédente et utilisé dans les projets Cascade et SWAMMA.
Afin de faciliter la comparaison aux observations, les grandeurs simulées par les modèles ont été stockées au pas de temps du modèle (de l’ordre de 30 minutes) sur tous les niveaux verticaux à des points de mesures spécifiques autour du globe, dont 10 points en Afrique de l’Ouest (cf. section 7).