LMDz July surface wind intensity (mls)
1 OBJECTIFS GENERAU
11.2 MODÉLISATION DU CLIMAT DES RÉGIONS POLAIRES
fonction zoom (voir Il 2).
Nous avons donc entrepris d'introduire dans ce nouveau modèle des formulations de tra- ceurs inspirées, autant que possible, de ce qui avait été fait pour Cycle 5. La grille est pour le moment régulière et la résolution globale modérée, mais la résolution polaire est déjà plus fine que celle atteinte avec les modèles GISS ou LMD Cycle 5. Pour le 222Rn, le nou- veau modèle produit des résultats assez com- parables à ceux du Cycle 5, sauf dans l'Arctique où un phénomène saisonnier de type «Arctic haze» (avec des concentrations très élevées en hiver) est simulé de façon purement dynamique, c'est à dire sans faire intervenir un cycle de la production ou du les- sivage, ce qui n'était le cas ni du Cycle 5, ni du GISS.
Le développement du nouveau modèle constitue l'essentiel de l'effort actuel du groupe de modéli- sation climatique dans le domaine de la simula- tion des traceurs. C'est d'ailleurs l'un des objec- tifs majeurs de la thèse en cours d'Alexandre Armengaud.
11.2 MODÉLISATION DU CLIMAT DES RÉGIONS POLAIRES
Il apparaît qu'une des grandes incertitudes de la modélisation de l'évolution des calottes de glace polaires réside dans l'imposition de la condition à la limite atmosphérique. En effet, pour le Groenland comme pour l'Antarctique, le gain de masse se fait essentiellement au niveau de cette interface via les précipitations. La glace se perd principalement par fonte dans les régions côtières (Groenland) et le vêlage d'icebergs, mais il n'est pas certain que d'autres processus mettant en jeu l'atmosphère (sublimation, soulè- vement et transport de la neige de surface) soient négligeables. De grande quantités d'éner- gie sont aussi échangées avec l'atmosphère de surface, qui régissent la distribution de tempéra- ture dans la glace et certaines de ses propriétés mécaniques.
Une bonne modélisation des calottes de glace (une des activités importantes du LGGE) requiert donc une bonne modélisation de l'atmo- sphère au dessus des calottes. Les MCGs pro- duisent directement la plupart des informations atmosphériques nécessaires (précipitations, évaporation/sublimation, températures, flux d'énergie...) et indirectement les autres, mais pas forcement avec une qualité acceptable. Jusqu'à récemment, les régions polaires étaient un peu les parents pauvres de la modélisation atmosphérique globale. Non seulement les for- mulations et paramétrisations développées pour les basses et moyennes latitudes ne sont pas vérifiées et ajustées pour les hautes latitudes, mais certaines de ces paramétrisations peuvent être essentiellement inadaptées aux caractéris- tiques particulières de l'atmosphère au dessus des calottes de glace.
Ces caractéristiques ne peuvent être découplées de celles des régions polaires dans leur ensemble. De plus, au delà du simple cadre des calottes de glace, les régions polaires consti- tuent un aspect important du climat global. Si la source principale du cycle global de l'énergie se trouve dans les tropiques, le puits essentiel se trouve dans l'Arctique et dans l'Antarctique. De l'échange de chaleur et d'eau douce avec l'at- mosphère à hautes latitudes résulte la circulation profonde de l'océan. Les simulations les plus crédibles de l'impact climatique des change- ments anthropogéniques de la composition de l'atmosphère prévoient une sensibilité maximale à hautes latitudes. Tout ceci justifie que nos investigations tendent à s'étendre progressive- ment à l'ensemble des régions polaires Arctique et Antarctique.
11.2.1 Climat antarctique du MCG du GISS
Par son travail sur la modélisation des tra- ceurs atmosphériques dans le MCG du GISS (voir 11.1.1), Christophe Genthon a acquis une assez bonne expérience du contenu algorith- mique de ce modèle. Il était donc assez natu- rel que ce soit le premier modèle que nous uti- lisions pour des études de climat au dessus des calottes de glace. Etant donnée la résolu- tion spatiale limitée du MCG GISS, nous nous sommes cantonnés à la calotte la plus volumi- neuse, l'Antarctique. Certaines défaillances du modèle ont pu être associées à des défauts dans la paramétrisation de l'albédo de la neige de surface (bien calibrée pour des neiges tempérées, mais pas pour de la neige polaire) et la prescription de la couverture de la glace de mer (Genthon, 1994a), défauts qui l'on risque fort de retrouver dans d'autres MCGs.
11.2.2 Climats polaires dans le MCG Arpège de Météo-France
Alors que les MCGs du GISS et du LMD (Cycle 5) sont relativement insatisfaisants du point de vu de la résolution spatiale en régions polaires, une série de simulations de type AMIP (Atmospheric Model Intercomparison Project, c-a-d avec les conditions aux limites des années 1979-1988) a été réalisée par Météo-France avec le MCG Arpège sous diffé- rentes résolutions dont certaines extrêmement fines pour un modèle global. Nous avons ana- lysé les résultats de ces simulations au dessus des calottes Antarctique et Groenlandaise, pour remarquer tout d'abord un défaut com- mun avec le MCG du GISS : Les températures de surface sont trop froides en zone côtière, probablement à cause d'une absence de prise en compte des chenaux dans la glace de mer et des flux de surface associés (Genthon,
1994 a).
Les simulations d'Arpège ont aussi montré une très grande sensibilité des précipitations à la résolution horizontale (Genthon et al.,
1994). Ceci s'explique par une réponse assez marquée des précipitations à la topographie des calottes de glace, qui est évidement d'au- tant mieux représentée que la résolution est plus fine. Il apparaît clairement qu'un pas de grille supérieur à 5° est insuffisant pour captu- rer même les structures les plus grossières de cette distribution. Une résolution d'au moins
1° est souhaitable pour espérer reproduire toutes les caractéristiques importantes pour, par exemple, simuler de façon détaillée l'évo-
lution des calottes de glace. Avec les moyens informatiques actuels, ce n'est qu'exception- nellement qu'un MCG peut être utilisé avec une telle résolution sur l'ensemble du globe. L'avènement des MCGs à grille variable devrait permettre des simulations locales suffi- samment fines à coût de calcul acceptable (voir le paragraphe 11.2.4).
Nous avons commencé à étendre ces ana- lyses à l'ensemble du bassin Arctique. Le bilan d'eau douce de l'océan Arctique est une caractéristique importante de l'océanographie dans cette région. Les précipitations comptent pour une fraction importante de ce bilan (l'autre composante étant l'apport des grand fleuves Canadiens et Sibériens). Nous avons vérifié que les distributions de pluie simulées par Arpège sont assez raisonnables, sauf en ce qui concerne une zone de minimum de pré- cipitation dans le cadran sibérien de l'océan polaire (Genthon, 1994b). Un problème d'ad- vection de l'humidité, identifié également au dessus des calotte de glace et lié au schéma de transport spectral du modèle, pourrait être responsable de ce défaut.
11.2.3 Climats polaires analysés et prédits par le Centre Européen de Prévisions Météorologiques à Moyen Terme (CEPMMT)
Le CEPMMT (comme d'autres centres de pré- vision météorologique, mais souvent avec une qualité supérieure) produit toutes les 6 heures des analyses de l'état de l'atmosphère, ainsi que des prévisions à quelques jours. Les ana- lyses peuvent être décrites comme étant des interpolations physiques (car basées sur l'utili- sation d'un MCG) des données observées et transmises régulièrement par le réseau météo- rologique mondial et les satellites. Les prédic- tions sont de courtes simulations de MCG ini- tialisées par ces analyses. Les champs analy- sés et prédits sont donc contraints par des observations (à la différence d'un MCG utilisé en mode «climat», uniquement contraint par les conditions aux limites). Ils sont globaux et échantillonnés régulièrement, même si les observations de base ne le sont ni en temps ni en espace.
Au dessus des calottes de glace polaires, et dans les régions polaires en général, les données d'observation sont trop rares pour permettre le développement d'une climatolo- gie complète et fiable de la circulation atmo- sphérique. Les analyses et prévisions, en tirant un parti maximum des données dispo- -
Climat 1 Figure 1. 11 : .. Bilan net d'accumulation (précipitation moins évaporation) à la surface des calottes Antarctique et Groenlandaise, issu des prévisions à court terme des années 1985 à 1991 du Centre Européen de Prévisions Météorologiques à Moyen Terme. Un'rté : cm/an. - 48 -
nibles et en remplaçant les données man- quantes par des résultats de MCG, sont pro- bablement les produits disponibles se rap- prochant le plus d'une telle climatologie. Effectivement, les températures analysées et précipitations prédites du CEPMMT se com- parent assez favorablement aux éléments d'information dont on dispose par ailleurs, que ce soit pour les valeurs moyennes ou pour les variances saisonnières (Genthon
1994b ; Genihon et al. 1995) (Fig. 1.11). Nous concluons que l'on peut, au moins en première approche, utiliser ces produits pour vérifier de façon très complète les résultats de MCGs en mode climat.
11.2.4 Climat antarctique du nouveau MCG du LMD avec zoom polaire
Le stage de DEA de Gerhard Krinner (1993- 94) et sa thèse en cours au LGGE sont, au moins en partie, consacrées au développe- ment de la fonction zoom du nouveau MCG du LMD (LMDz, voir 11.1.2.3) pour l'étude du climat au dessus des calottes de glace. Le zoom a été installé sur la région Antarctique et atteint actuellement une résolution méri- dienne de 1 °, pour une résolution moyenne globale du modèle d'environ 40. Après des débuts assez difficiles pour assurer la stabili- té du modèle, les résultats sont maintenant plus qu'encourageants [Krinner et Genthon, 1995]. Le coût de calcul du modèle est envi- ron 4 fois moins élevé que celui d'un modèle uniformément fin, pour une qualité de simula- tion équivalente dans la région zoom. Nous visons une résolution méridienne d'environ 0.5° sur la calotte, ce qui nous mettrait au niveau des modèles méso-échelle à couver- ture limitée actuellement utilisés sur des régions de la taille de l'Antarctique. L'avantage de notre approche est que le modèle reste global, avec un échange à double sens et un changement d'échelle pro- gressif entre la région d'intérêt (en l'occur- rence, l'Antarctique) et le reste du monde. On évite ainsi un forçage brutal aux frontières de cette région, et on peut plus facilement envi- sager l'étude de changements climatiques globaux.
11.3 MODÉLISATION PHYSIQUE DU