Ce document contient la transcription textuelle d’une vidéo du MOOC « Causes et enjeux du changement climatique ». Ce n’est donc pas un cours écrit au sens propre du terme ; le choix des mots, l'articulation des idées et l’absence de chapitrage sont propres aux interventions orales des auteurs.

Les modèles de climat

Pascale BRACONNOT
Chercheur – CEA

Comment modéliser le climat ?

1. Le système climatique

Il faut d'abord connaître le système à représenter (figure ci-dessous). Le climat est le résultat d'interactions entre de nombreux réservoirs ayant des échelles de temps très différentes. Il y a par exemple l'atmosphère, où se passe la météorologie a des échelles de temps très courtes allant jusqu'à une dizaine d'années. Ce qui module le climat, ce sont ces interactions entre l'atmosphère et des réservoirs aux échelles de temps plus longues, comme l'océan ou les surfaces continentales. Ces échelles vont du cycle saisonnier à la variabilité interannuelle et millénaire, voire au-delà. Le moteur du climat est l'énergie incidente du Soleil, au sommet de l'atmosphère. L’atmosphère et l'océan sont les deux composantes qu'il faut absolument avoir dans un modèle de climat pour pouvoir représenter les transports et la redistribution de cette énergie solaire entre les régions équatoriales et les pôles.

2. Les modèles numériques de climat

Un modèle numérique de climat est en fait une somme de modèles. A partir des observations et de la réalité, il faut formaliser le problème physique sous forme d'équations mathématiques. C'est le modèle mathématiques que l’on va employer. Puis on va faire intervenir une discrétisation et on va faire intervenir un modèle numérique. Ce modèle numérique devra respecter des lois de conservation, par exemple de l'énergie ou de la masse dans le système. Ensuite, on va avoir ce que l'on appelle le code, qui est l'ensemble des programmes numériques qui vont être donnés à l'ordinateur pour effectuer l'ensemble des calculs. Avoir un modèle de climat, c'est donc aussi prévoir tout l'environnement du travail au niveau de l'ordinateur pour suivre les simulations et être capable de les exploiter.

3. Les équations

Si l'on reprend les modèles, le système d'équation que l'on utilise est issu de la mécanique des fluides en milieu tournant et fait appel aux équations de NAVIER-STOKES auxquelles on applique quelques hypothèses simplificatrices comme le fait que la Terre est ronde et le niveau d'hypothèse dépend un petit peu des différents modèles. Ces modèles sont appelés modèles de circulation générale et vous avez ci-dessous les équations d'un modèle d'atmosphère. Ils font intervenir les équations du mouvement et les équations d’états. Les variables de base que l'on va utiliser sont le vent, la température, l'humidité. Ces équations, par exemple les équations du mouvement, font intervenir des termes de source et de puits d'énergie qu'il faut représenter. En milieu tournant également, va intervenir la force de Coriolis qui est responsable des grandes variations de la circulation atmosphérique et océanique.

4. Le maillage

Avoir un modèle, c'est être capable d’avoir un maillage sur lequel on va résoudre ces équations. On va donc découper la Terre, en somme de petits cubes. C'est un maillage tridimensionnel, avec une discrétisation sur l'horizontale et sur la verticale.

Ensuite, représenter le climat est un compromis entre la représentation en termes d'espace et de temps de simulation. Il va falloir représenter tous les phénomènes qui sont aux échelles sous-maille. Par exemple, pour le climat, on travaille avec des échelles de l'ordre de 200 km. Il va falloir développer ce que l'on appelle des paramétrisations pour représenter cette physique sous-maille et ça consiste à utiliser les variables de grande échelle pour représenter tous les processus de petite échelle, comme ici l'exemple des nuages qui sont sur cette figure (ci-dessus).

5. Diversité des modèles

Ce qui diffère beaucoup d'un modèle à l'autre est le niveau de complexité des différentes paramétrisations que l'on introduit dans les modèles. Il y a énormément de réservoirs concernés et de processus dans la représentation des modèles de climat. J'ai parlé de l'atmosphère et des nuages, mais dans les modèles d'atmosphère, on va aussi représenter toutes les caractéristiques du rayonnement dans l'atmosphère : la formation des gouttes de pluie et des précipitations ; la végétation (on va avoir tout le changement des feuilles au cours de la saison) ; les échanges d'eau avec le sol ; l'océan, on va avoir les mouvements marins et le mélange vertical ; et la glace de mer, également, avec sa grande réflectivité et puis les transferts de chaleur au travers de la glace et les mouvements de la glace sur l'océan (figure ci-dessous). Ce qu'on appelle une expérience numérique est la somme des simulations que l'on fait pour répondre à une question que l'on se pose sur le climat.

6. Conditions initiales et conditions limites

Pour pouvoir utiliser les modèles, il faut leur prescrire en tous les points de la grille des conditions initiales. C'est-à-dire que l'on va imposer aux modèles des conditions de température, d'humidité et de vent ou de courants océaniques caractéristiques d'un état de démarrage ou d'un jour dans l'année, d'un jour particulier dans l'année. Au cours de la simulation, on va faire varier ce que l'on appelle les conditions aux limites. C'est par exemple le rayonnement incident au sommet de l'atmosphère ou la composition des gaz à effet de serre dans l'atmosphère, ou éventuellement, l'évolution des surfaces continentales en fonction de l'activité humaine.

7. Prise en main des modèles de climat

Le résultat de la simulation va nous donner un ensemble de fichiers informatiques qui nous donneront en chaque point de cette grille du modèle et pour chacun des réservoirs, l'évolution au cours du temps des températures, de l'humidité, des courants, et un ensemble de diagnostics qui va nous permettre d'exploiter ces simulations. Lorsque que l’on parle de climat, généralement, la façon de procéder consiste à faire une première simulation qui est une simulation de référence. Par exemple, on fait la simulation du climat actuel, puis on en fait une deuxième sur un climat perturbé dans lequel, au cours de la simulation, on va changer un élément. Par exemple, on va faire varier au cours du temps la concentration de gaz à effet de serre dans l'atmosphère (+ 1 % par an au cours de la simulation) jusqu'à ce qu'elle se stabilise. C'est en comparant les résultats de ces deux simulations que l'on va pouvoir comprendre le fonctionnement du système climatique et comment il réagit à cette perturbation, et donc étudier le climat et les changements climatiques.