LMDz July surface wind intensity (mls)
1 OBJECTIFS GENERAU
11.1 MODÉLISATION GLOBALE DE DISTRIBUTIONS DE TRACEURS
ATMOSPHÉRIQUES
Lanalyse des carottes de glace polaires montre que les flux de dépôt, à la surface des calottes Antarctique et Groenlandaise, d'un grand nombre de constituants mineurs de l'atmosphère, et en par- ticulier d'aérosols, varient en corrélation avec les changements climatiques du passé. C'est le cas notamment des poussières d'origine désertique et du sel marin, pour lesquels on observe des concen- trations dans la glace du dernier maximum glaciaire 3 à 100 fois plus élevées que dans la glace actuel- le. Ces variations peuvent s'interpréter en termes de changements des sources (extension, position, dis- ponibilité de l'aérosol), des processus de soulève- ment (turbulence de couche limite, vent de surface), et/ou de la capacité de transport de l'atmosphère (vents, turbulence de grande échelle, lessivage). Les modèles de circulation générale (MCGs) d'at- mosphère simulent les variables atmosphériques et de surface qui influencent ces termes (variabili- té et intensité des vents, stabilité de l'atmosphère, convection et turbulence, précipitations, aridité des sols...), pour le climat actuel ainsi que pour des climats différents de l'actuel. Modéliser les processus physiques qui régissent les distribu- tions et flux d'aérosols à l'intérieur d'un MCG devrait donc permettre d'interpréter quantitative- ment certaines données paléoclimatiques, en par- ticulier celles issues des carottes de glace.
Au-delà de l'étude des paléoclimats et paléo- environnements atmosphériques en liaison avec les activités de glaciologie et glacio-chimie du
laboratoire, la modélisation de la composante aérosol du système climatique à l'échelle globa- le est intéressante à plus d'un titre. Les aérosols sont susceptibles d'interagir plus ou moins direc- tement avec le climat, via le rayonnement ou le cycle hydrologique. Ils sont aussi impliqués dans les cycles bio-géochimiques globaux. Enfin, et les données glaciologiques en sont un exemple, les aérosols et autres constituants mineurs de l'atmosphère sont des traceurs de la circulation atmosphérique, du climat, et de l'environnement à toutes les échelles de temps.
Cependant, la modélisation de ces traceurs n'est pas un problème facile, en particulier parce qu'ils sont soumis à des processus physiques de très petite échelle (micro-physiques) dont il faut para- métriser les conséquences aux échelles réso- lues par un modèle global. Linformation néces- saire pour mettre en oeuvre ces paramétrisa- tions est généralement assez directement dispo- nible dans les MCGs, ce qui n'est pas le cas de la modélisation dite «off-line». Par exemple, les MCGs procurent une information détaillée sur la fréquence et la distribution verticale des précipi- tations, information qui n'existe dans aucune base globale de données d'observations. Il est vrai que la crédibilité d'une donnée climatique modélisée n'est pas assurée. En fait, dans un modèle de traceurs, une difficulté à reproduire les distributions observées peut être la signatu- re, et donc fournir le diagnostique, d'un défaut du MCG de base.
Lactivité du groupe de modélisation climatique dans le domaine de l'étude des traceurs atmo- sphériques était initialement motivée par l'inter- -
Climat 1
Figure 1.10:
Moyenne zonale de la concentration (en haut) et du taux de lessivage par les précipitations (en bas) du plomb 210 dai le modèle de circulation générale d'atmosphère du LMD.Le lessivage est un processus microphysique paramètrisé « fonction des précipitations simulées. Abscisse : Latitude (degrés). Ordonnée : Pression (hPa)
prétation des résultats d'analyse de carottes de glace. Il est assez rapidement apparu que les tra- ceurs les plus intéressants du point de vue du paléoclimat ne sont pas les plus appropriés pour la mise au point, dans des modèles globaux, de para- métrisations de processus microphysiques d'aéro- sols. Nous nous sommes donc aussi orienté vers d'autres espèces, dont la sensibilité à ces proces- sus est néanmoins similaire à celle des poussières ou du sel marin. Enfin, la capacité de diagnostique de certains traceurs vis à vis du fonctionnement des MCGs a aussi motivé quelques uns de nos travaux.
Il. 1. Poussières désertiques et sel marin dans le modèle de circulation générale d'atmosphère du Goddard Institute for Space Studies (GISS, NASA)
Les travaux de développement d'un modèle du cycle global des poussières désertiques et du sel marin dans le MCG du GISS, entrepris au cours du séjour post-doctoral de Christophe Genthon au GISS en 1990 (et déjà largement décrits dans le précédent rapport quadriennal), ont été concrétisés par un ensemble d'articles et de présentations à des confé- rences au cours des années 1991 et 1992 (par exemple, Genthon (1992a) et Genfhon (1992 b)). Ces travaux ont été plus récemment (1993-94) repris dans le cadre du stage de Master danois de Katrine Krogh Andersen, encadré par Christophe Genthon au LGGE (Krogh Andersen 1994, Krogh Andersen et Genthon 1994). Au cours de ce stage, Katrine Krogh Andersen s'est heurté pour le Groenland à la même difficulté que celle rencontrée précédemment pour Antarctique : Le modèle reproduit très mal les changements observés dans la glace à l'échelle des cycles glaciaire-interglaciaire, alors que la variabilité saisonnière contemporaine est assez bien simulée.
La version utilisée du MCG du GISS, dont la résolu- tion spatiale est assez grossière, n'est plus à l'heure actuelle à un niveau technique satisfaisant. Comparativement, il apparaît beaucoup moins inté- ressant de poursuivre le développement de ce modèle que d'investir dans la mise au point de nou- veaux modèles. Létude et la simulation des pous- sières désertiques et du sel marin, provisoirement interrompues, seront poursuivies dans un autre MCG (voir document de prospective).
Il. 1.2 Autres traceurs atmosphérique Radon 222, Plomb 210, Béryllium 7 et Béryllium 10.
11.1.2.1 Dans le MCG Cycle 5 du LMD
Le développement d'un modèle de traceurs sur la base du MCG du Laboratoire de Météorologie Dynamique du CNRS (LMD, Paris), à l'époque
dans sa version la plus récente dite Cycle 5, a été entrepris dès l'arrivée au LGGE de Christophe Genthon en 1991. Ce développe- ment a été initié dans le cadre du stage de fin d'études d'un binôme d'élèves de l'Ecole Nationale de la Météorologie (Moulin et Garro,
1992). Lexpérience acquise lors de la mise au point du modèle de poussières et de sel marin du GISS a été largement mise à profit pour ce nou- veau modèle. Pourtant, ce sont des traceurs dif- férents qui ont été choisis et jusqu'à présent étu- diés dans le modèle LMD (Cycle 5).
Ces traceurs, le 222Rn et le 21 Op^ n'ont pas un intérêt direct pour l'étude des paléoclimats. Par contre, ils présentent moins d'incertitudes au niveau des sources et permettent de mieux ana- lyser, contraindre et améliorer les formulations mises en oeuvre pour les traceurs, et en particu- lier pour la microphysique des aérosols (Fig. 1.10). Il faut aussi noter que ces espèces plus simples permettent, dans une certaine mesure, d'évaluer le fonctionnement du MCG servant de support au modèle de traceur. Nous avons ainsi analysé et caractérisé, à la lumière des résultats de 222Rn, l'action sur les masses d'air du mélange convectif, du mélange turbulent et du transport dans le MCG (Genthon et Armengaud,
1995a). Cette étude a aussi permis de comparer ces différents processus atmosphériques dans les MCGs du LMD et du GISS (voir 11.1.2.2).
Les MCGs sont des modèles globaux, et les tra- ceurs simulés à l'intérieur de MCGs le sont à l'échelle globale. Les résultats de simulations sont analysés et exploités sur l'ensemble du globe mais nous gardons naturellement un inté- rêt spécial pour les régions polaires et les calottes de glace, et en particulier pour les pro- cessus de dépôt des aérosols sur les surfaces enneigées (Genthon et Armengaud, 1995b) ; Genthon et aL (1995).
11.1.2.2 Dans le MCG du GISS
A l'exception des travaux de Katrine Krogh Andersen sur les sources de poussières affec- tant le Groenland, les derniers développements concernant le modèle de traceurs GISS ont été réalisés par Alexandre Armengaud au cours de son stage de DEA en 1992-93. Il s'agissait d'une approche parallèle (et simultanée) au dévelop- pement du modèle de traceurs LMD, puisque à cette occasion ont été introduit, à la place des poussières et du sel marin, le 222Rn, le 210Pb, et aussi le 7Be et le 10Be (Armengaud et Genthon, 1993). La stratosphère du MCG GISS étant assez symbolique, nous n'avons pas pu exploiter les deux Bérylliums à la mesure de leur -
Climat 1
potentiel. Les résultats de 222Rn et de 210Pb du modèle GISS ont été systématiquement compa- rés à ceux du modèle LMD Cycle 5 (Genthon et Armengaud, 1995a et b).
11.1.2.3 Dans le nouveau MCG du LMD
En 1994, le LMD a mis à notre disposition son nouveau MCG, appelé (peut être provisoire- ment) LMDz. Bien que ce modèle soit encore à l'état de prototype, nous avons décidé de l'uti- liser aussitôt comme base de développement d'un nouveau modèle de traceurs. Plusieurs aspects ont motivé cette décision précoce, la plus importante étant la possibilité avec LMDz de choisir très librement la résolution horizon- tale. Pour l'étude des régions polaires, ne serait-ce que pouvoir accéder à une grille régu- lière en latitude, alors que celle du Cycle 5 est obligatoirement régulière en sinus de latitude (avec, en conséquence, une dégradation maxi- male de la résolution aux pôles), est déjà un énorme progrès. Il est même possible de choi- sir de raffiner la grille du MCG LMDz («zoo- mer») sur les pôles, ou d'ailleurs en n'importe quelle région d'intérêt particulier. De plus, LMDz est actuellement assez proche dans ses principes physiques du Cycle 5, ce qui permet de tirer partie de notre expérience avec ce der- nier. Enfin, nous avons aussi engagé une contribution au développement du MCG de base, notamment pour l'étude du climat des