Modèles physiques de climat
Un modèle physique de climat permet de simuler, sur de longues périodes, les comportements de l'atmosphère, de l'océan et de la cryosphère ainsi que leurs interactions.
L’usage le plus connu des modèles physiques de climat est d’évaluer comment les diverses caractéristiques du système climatique réagiront sous l’influence des gaz à effet de serre dans le cadre d’études sur les changements climatiques.
Le cœur d'un modèle physique de climat, est basé sur les équations fondamentales de la mécanique des fluides pour décrire le comportement de l’atmosphère et de l’océan. Autrement dit, les mouvements atmosphériques et océaniques obéissent aux lois du mouvement, de la gravité et de la thermodynamique ainsi qu’aux principes de conservation de la masse, de l'énergie et de l'eau.
Afin de décrire l’évolution de la répartition de l’énergie et de l’humidité dans l’espace tridimensionnel, ces équations intègrent différentes variables associées aux:
-
vents et courant océaniques
-
échanges et interactions entre les composantes du système climatique
-
sources (gains) et puits (pertes) d'énergie et d'humidité dans le système
Les équations fondamentales de la mécanique des fluides sont fortement non-linéaires et de nature chaotique. Cela implique que pour obtenir une solution analytique (ou solution exacte tirée de ces équations), il faudrait poser tellement de simplifications que cette solution n'aurait plus grand-chose en commun avec le système réel. Afin de minimiser les simplifications et de résoudre ce système d'équations, il faut recourir à des méthodes (ou schémas) numériques qui permettent de s’approcher de la solution analytique.
Concrètement, les méthodes numériques consistent à transposer les équations sur des grilles en trois dimensions à l’horizontale (2 dimensions) et à la verticale (3e dimension) formant des sphères concentriques. La taille des mailles (ou pixel) de la grille, détermine les résolutions horizontale et verticale du modèle.
Cette représentation sur grille des équations est codée dans un programme informatique qui sera exécuté sur un superordinateur selon des intervalles de temps, appelés pas de temps. La longueur du pas de temps définit la résolution temporelle qui est typiquement de 5 à 20 minutes. La résolution temporelle, ou pas de temps, indique le temps écoulé à l'intérieur du modèle entre deux états du système climatique calculés par les équations.
Un modèle physique de climat est donc un simulateur constitué du code informatique qui permet la représentation discrète (c.-à-d. sur des maillages – une solution calculée par maille ou pixel) dans l’espace tridimensionnel et le temps (4e dimension) des équations fondamentales de la mécanique des fluides résolues avec un schéma numérique.
La solution produite à chaque pas de temps par l’exécution d’un modèle physique de climat sur une période variant de quelques années jusqu’à plus d’un millénaire est une simulation climatique.
À chaque pas de temps et en chaque point de la grille de calcul, cette solution obtenue contient les valeurs des variables présentes dans les équations fondamentales, ainsi que plusieurs autres provenant des paramétrages physiques qui permettent de considérer les processus plus fins que la maille de la grille de calcul. Ainsi, une simulation climatique contient plus d’une centaine de variables descriptives du climat (température, vents, pression, précipitation, radiation, nuages, humidité, etc.), toutes cohérentes entre elles d'un point à l'autre de la grille pour de très longues périodes.
Puisque l’objectif d’un modèle climatique est de simuler le climat de la planète Terre, un portrait détaillé de la surface planétaire avec des données géophysiques telles que les types de sols et de végétation, les contours continentaux, la localisation et la bathymétrie des océans et des plans d’eau, la position et la hauteur des montagnes, etc. doit lui être transmis. De plus, il faut fournir au modèle la composition chimique de l’atmosphère incluant les gaz à effet de serre, l’ozone et les aérosols, ainsi que d’autres caractéristiques physiques essentielles telles que l’énergie reçue du soleil en fonction de l’heure, du temps de l’année et de la latitude.
Les modèles physiques de climat se divisent en deux groupes selon l’étendue de leur grille de calcul que l’on appelle domaine d’intégration :
Modèles climatiques planétaires ou Modèles de circulation générale (MCG)
La grille de calcul des MCG offre une couverture globale (la planète entière). D’ailleurs, leur acronyme anglais GCM fonctionne tout aussi bien pour « global climate model » que pour « general circulation model ». Les MCG furent les tout premiers modèles physiques de climat ; ils ne comprenaient à l’époque que la partie atmosphérique du système climatique et ses interactions avec la surface terrestre continentale. Ce genre de MCG est appelé aujourd’hui modèle de circulation générale atmosphérique (MCGA). Lorsque l’on utilise ces derniers en mode couplé avec des modèles physiques océaniques, ils deviennent des modèles de circulation générale couplés atmosphère-océan (MCGAO).
Les modèles du système Terre, appelés en anglais « Earth system model » (ESM), leur ont succédé. Ce sont en fait des MCGAO auxquels s'ajoutent les interactions et cycles biogéochimiques. Le cycle du carbone est le premier à avoir été implanté dans la plupart des modèles. Les recherches s'intensifient afin d'en inclure plusieurs autres. Par conséquent, les ESM sont les tout premiers modèles climatiques pouvant inclure l’interaction entre les végétaux et le système climatique.
Modèles régionaux de climat (MRC)
Un MRC couvre une sous-région de la planète, on dit qu’il a un domaine d’intégration à aire limitée. En se focalisant sur une partie du globe, l’utilisation de ce type de modèle permet de raffiner la résolution horizontale des simulations climatiques sur une région d’intérêt pour un temps de calcul moindre comparativement à ce que requiert un modèle global de même résolution. Pour rester lié avec le climat planétaire, un MRC doit être alimenté à ses frontières par des données climatiques globales provenant d’un ESM ou de réanalyses. Cette procédure s’appelle le pilotage d'un MRC.
Les modèles physiques de climat sont complexes et exigent des ressources informatiques importantes. La taille de leur code informatique atteint désormais quelques millions de lignes et les résolutions temporelles et spatiales de leurs simulations s’affinent. Ils offrent toutefois l’avantage de produire un grand nombre de variables descriptives du climat, cohérentes entre elles en tout point de l’espace et en tout temps. C’est un atout essentiel et particulièrement apprécié pour identifier et étudier les boucles de rétroaction (« feedback » en anglais) résultant des interactions entre les composantes du système climatique.
Notion avancée
Les modèles physiques de climat se distinguent entre eux par le choix de la formulation des équations fondamentales (eulérienne ou lagrangienne), par le degré d’approximations (Euler, primitives, etc. ) ou par la sélection des hypothèses (hydrostatique, incompressible, etc.) effectuées dans les équations, par le choix du schéma numérique (éléments finis, schéma semi-lagrangien semi-implicite, etc.) ainsi que par la formulation des paramétrages physiques pour tenir compte des processus sous-maille.
