Paramétrages physiques d'un modèle de climat

Les modèles du système Terre (ESM pour l’acronyme de Earth System Model) et les modèles régionaux de climat (MRC) produisent plus d'une centaine de variables qui décrivent l'évolution du système climatique. Or, bon nombre de ces variables peuvent présenter des comportements pouvant varier d'un modèle à l'autre, en particulier celles qui sont calculées totalement ou partiellement par les paramétrages physiques.

Pour mieux comprendre le comportement de ces variables climatiques, voyons en quoi consistent les paramétrages physiques d'un modèle de climat.

Les modèles physiques de climat , tels que les ESM et les MRC, doivent résoudre les équations fondamentales de la mécanique des fluides transposées sur des grilles de calcul en trois dimensions. Ces équations régissent la circulation atmosphérique et océanique et sont transposées sur une grille de calcul. La résolution horizontale  définit la taille des mailles de la grille de calcul.

Dans le jargon de la modélisation climatique et météorologique, les processus décrits par les équations fondamentales et compatibles avec la taille de la grille de calcul sont dits résolus et faisant partie de la dynamique du modèle. Cependant, une foule de phénomènes importants pour le climat se produisent à une échelle trop fine pour la grille de calcul faisant en sorte qu’ils ne peuvent pas être traités par les équations fondamentales. Ces processus non résolus doivent néanmoins être inclus dans le modèle, car leurs effets se font tout de même ressentir à l’échelle de la grille. Les négliger impliquerait une simplification irréaliste du climat terrestre. Chaque phénomène doit donc être paramétré, c'est-à-dire être représenté par des relations empiriques. L'ensemble de ces processus formulés empiriquement constitue les paramétrages physiques. Autrement dit, faute de pouvoir modéliser le processus lui-même, le paramétrage permet d’en modéliser l’effet.

Les paramétrages physiques des modèles climatiques contiennent de grandes familles de processus parmi lesquelles on trouve :

• les transferts de rayonnement ultraviolet et infrarouge,

• les schémas de formation des nuages,

• les schémas de microphysique de la formation de la précipitation dans les nuages,

• la convection profonde responsable des orages tropicaux,

• les schémas de surface pour les échanges atmosphère-sol-végétation,

• la photochimie,

• etc.

Le nombre et la formulation des processus inclus dans les paramétrages physiques dépendent entre autres de la résolution horizontale choisie pour la simulation, de la complexité et de l’état des connaissances pour un processus climatique donné, de l’importance relative des divers processus régissant le climat et, finalement, de la puissance de calcul disponible. 

On souhaite, autant que faire se peut, que le paramétrage d’un processus puisse être basé sur des lois physiques pour que le modèle climatique soit le plus fiable possible. C’est heureusement le cas pour plusieurs d’entre eux. Un bon exemple de cette situation idéale serait la condensation de la vapeur d'eau qui peut être décrite par des lois physiques relativement simples.  Or, plusieurs obstacles peuvent compliquer le paramétrage de certains processus. Par exemple, le coût en calcul du processus est prohibitif oblige souvent à opter pour une formulation simplifiée même si les lois physiques sont connues (ex. les transferts de rayonnement). Dans les cas où les processus sont encore méconnus, ils doivent être paramétrés à l’aide de relations empiriques simples pouvant contenir des coefficients ajustables. Certaines de ces relations plus simples sont le fruit d’expérimentations ou de campagnes de mesures limitées en termes de durée et de représentation géographique. On les inclut quand même dans le modèle avec l’espoir de les améliorer grâce à de nouvelles connaissances.  

Lorsque la résolution horizontale d’une simulation se raffine, certains processus peuvent même être retirés des paramétrages physiques. C’est le cas de la convection atmosphérique qui doit être paramétrée dans un ESM avec des mailles de grille de 100 km tandis qu’elle serait résolue par les équations dans un MRC ayant des mailles de 2 km.