Régionalisation du climat en Europe

Régionalisation du climat en Europe-Méditerranée
(Contributions Laurent Li)
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Rapport d'activités 2009:
------------------En matière de la régionalisation du climat, nous avons commencé en 2006 un nouveau
cycle d'études. Notre point de départ est le modèle de circulation générale
atmosphérique LMDZ. Nous exploitons les possibilités offertes par le zoom du LMDZ.
En effet, LMDZ peut être emboîté dans des champs observés ou dans les sorties du modèle
global à basse résolution. Il ressemble donc à un modèle à aire limitée, outil
traditionnel pour faire la régionalisation du climat. Désormais, cette version du
LMDZ, orientée vers les études régionale, est nommée LMDZ-régional.
Développements techniques
Depuis 2006, les avancées les plus significatives sur le développement technique
autour du LMDZ-régional sont les suivantes:
Modèles focalisés sur régions différentes :
Nous avons mis au point et exploité LMDZ-régional sur deux principales régions en
Europe-Méditerranée: une sur le bassin de la Méditerranée et une autre sur l'Europe
de l'Est. La résolution spatiale est de 30 km sur ces régions. La performance
informatique de ces deux modèles est de 60 heures (NEC-sx8) pour la Méditerranée et
30 heures pour l'Europe de l'Est afin de simuler une année du climat. La mise au point
de ces deux modèles a eu lieu en 2007 et 2008 dans le cadre de deux projets de recherche
financés par la Commission européenne: CIRCE pour la Méditerranée et CLAVIER pour
l'Europe de l'Est. Dans le cadre d'une coopération avec l'Académie des sciences de
la Chine, nous avons aussi porté la version CLAVIER du LMDZ-régional sur le bassin
du fleuve Yangtse.
En 2009, nous avons aussi mis au point une version LMDZ-régional sur la France
Métropolitaine où la résolution spatiale est de 20 km. Ce travail a été fait dans
le cadre du projet ANR-SCAMPEI, qui a poussé le modèle LMDZ-régional vers un nouveau
niveau de haute résolution spatiale, jamais atteinte auparavant.
Interface de couplage à double sens :
Nous avons réussi à implémenter une interface à double sens entre LMDZ-régional et
LMDZ-global. Il s'agit du "two-way nesting", terme utilisé par la communauté des
modèles régionaux pour désigner la communication interactive entre deux modèles, ou
deux résolutions d'un même modèle (self-nesting). Cette interface de "self-nesting",
nommée LMDZ-sn et réalisée avec la technique MPI, fournit un cadre très performant
pour traiter toutes problématiques en rapport avec l'interaction d'échelles du
système climatique.
Nous avons aussi testé la version parallèle du LMDZ-régional et du LMDZ-sn. Ce
parallélisme, actuellement opérationnel sur la plateforme NEC-sx8, raccourcit
considérablement le temps de restitution pour des simulations régionales gourmandes
en ressources informatiques.
Un système quadruplement couplé :
Nous avons mis au point un système de couplage régional entre l'atmosphère et l'océan.
La composante atmosphérique est la version Méditerranée du LMDZ-régional ou LMDZ-sn,
et la composante océanique est NEMO-MED8, un modèle de circulation générale océanique
de la Méditerranée, basé sur la plateforme NEMO et à résolution du 1/8°. En 2009,
un effort particulier a été consacré au prototype d’un système quadruplement couplé,
qui consiste à faire fonctionner ensemble et d’une manière interactive le système
couplé régional et le système couplé global IPSL-CM4. Ce travail, d’une très grande
originalité, ouvre d’importantes perspectives pour des simulations du changement
climatique.
Résultats scientifiques
En 2008 et 2009, de nombreuses simulations numériques ont été conduites à l'IDRIS
sur
la
plateforme
NEC-sx8.
Certaines
ont
donné
des
résultats
scientifiques
significatifs.
Nous avons utilisé le jeu de données ERA40 (de 1958 à 2001 inclus) pour valider
LMDZ-régional dans trois domaines différents: le bassin méditerranéen, l'Europe de
l'Est et le bassin du fleuve Yangtse en Chine. Certaines simulations ont été doublées
avec le forçage d'aérosols sulfatés ajoutés. Outre la validation du modèle, ces
simulations, avec une meilleure cohérence pour le cycle hydrologique et à une plus
fine résolution spatiale, fournissent aussi une base de données très riche pour des
diagnostiques avancés en matière de régionalisation du climat. Ceci constitue d'une
première étape vers des études de détection et d'attribution de causes du changement
climatique observé à l'échelle régionale. En 2009, la simulation sur le bassin
méditerranéen a été prolongée de 2001 à 2007 avec le jeu de données ERA-Interim.
L’expérience sur le bassin méditerranéen a été réalisée en double exemplaire, avec
la Méditerranée interactive dans un cas et non-interactive dans l’autre. Ceci permet
d’étudier les flux air-mer et leur variation, une thématique cruciale pour comprendre
la circulation générale de la Méditerranée.
Un des résultats importants obtenus en 2009 est la réalisation complète du climat
méditerranéen pour la période 1951 à 2050. Ceci avec le modèle régional couplé océan
(NEMO-MED8) et atmosphère (LMDZ-med). Figure 1 montre l’évolution de la température
superficielle moyennée pour l’ensemble de la Méditerranée. Le forçage à grande échelle
est en provenance du modèle couplé global IPSL-CM4, utilisé dans le rapport IPCC-AR4.
On peut voir que le réchauffement de la Méditerranée est surtout visible à partir
des années 1980. Figure 2 montre une comparaison entre le modèle global et le modèle
régional en termes du changement de précipitation et de température de l’air ambiant.
On peut constater que la structure à grande échelle est très proche entre les deux
modèles. Ce qui correspond tout à fait à notre attente. En revanche, le modèle régional
produit beaucoup plus de détails, indispensables pour toutes études en aval et
concernant les impacts du changement climatique.
C20C
A1B
Figure 1 : Evolution de la SST de la Méditerranée en fonction du temps pour la période
1951 à 2050. Le modèle couplé régional est forcé par le modèle couplé global IPSL-CM4.
Regional
Precipitation
T2m
Global
Figure 2 : Changements en moyenne annuelle (2021/2030 – 1951/1980) de la température
à 2 mètres (K, gauche) et du taux de précipitation (mm/jour, droite). Les deux cartes
en bas sont produites par le modèle global IPSL-CM4 et les deux cartes en haut sont
produites par le modèle régional avec le forçage du modèle global.
D'autres études poursuivies en 2008 et 2009 concernent le rôle interactif de la Mer
Méditerranée dans le climat régional et le climat global. A cette fin, nous avons
réalisé des simulations idéalisées pour mettre en évidence les structures de
téléconnexion globale que la Méditerranée peut provoquer. Nous avons aussi réalisé
des expériences pour quantifier l'influence des perturbations synoptiques sur le
climat du domaine méditerranéen. Une autre étude consiste à évaluer le rôle de la
Méditerranée à travers la représentation slab-ocean de la Mer. Nous avons accompli
un ensemble de simulations pour étudier le rôle de la végétation du pourtour
méditerranéen.
Cette
étude
consistait
à
modifier
la
végétation
du
bassin
méditerranéen de son état observé et anthropisé à un état idéal en équilibre naturel
avec les caractères locaux du climat. L'état naturel de la végétation est obtenu
suivant une relation empirique déduite statistiquement et itérativement.
Dans le cadre du projet ANR-IRCAAM, nous avons introduit le mode de guidage, ou nudging,
dans LMDZ-global. Nous pouvons, à volonté, guider le modèle dans une région quelconque
du globe et étudier ensuite les mécanismes de téléconnexion. En accord avec
Météo-France, nous avons choisi trois régions de guidage: la région de mousson
africaine, la région de mousson sud-est asiatique, et la région tropicale entière.
La période d'étude couvre 38 ans, de 1971 à 2008. L'approche ensembliste est utilisée
avec 10 membres pour chaque simulation.
Les simulations de scénarios dans le cadre du projet européen CLAVIER ont été réalisées
en simulations transitoires couvrant la période de 1951 à 2050. Deux scénarios
d'émission, A1B et B1, ainsi que les sorties de deux modèles globaux, IPSL à Paris
et MPI à Hambourg, ont été considérés. Ceci permet d'évaluer les incertitudes du
changement climatique liées aux scénarios d'émission et aux modèles globaux. Dans
le cadre du projet CLAVIER, les collègues à Hambourg et à Budapest ont fait les mêmes
simulations en utilisant le modèle régional REMO. Ceci permet d'évaluer les
incertitudes liées aux modèles régionaux du climat.
Demande 2010:
-----------En 2010, nous voudrions poursuivre nos études déjà entamées depuis plusieurs années.
Les cadres scientifiques sont définis au sein de plusieurs projets nationaux ou
européens: CIRCE (www.circeproject.eu), ANR-IRCAAM (www.cnrm.meteo.fr/ircaam),
CANTICO (www.lmd.jussieu.fr/~li/cantico) et ANR-SCAMPEI. CIRCE et CANTICO sont des
projets de recherche ciblant le changement climatique dans le bassin Méditerranéen.
ANR-IRCAAM étudie l’influence des régions tropicales sur la Méditerranée. ANR-SCAMPEI
est un projet de régionalisation du changement climatique sur la France Métropolitaine.
Les études de la Méditerranée s'inscrivent aussi dans les axes de recherche
prioritaires
au
niveau
national,
et
dans
le
programme
MedCLIVAR
au
niveau
international. Enfin, la préparation de plusieurs thèses de doctorat au LMD s'appuient
également sur les simulations à réaliser ici.
L’année 2010 verra aussi le démarrage du projet CORDEX, un exercice coordonné par
le WCRP (Programme mondial de la recherche sur le climat) dans le cadre du prochain
rapport GIEC (IPCC-AR5) pour étudier le changement climatique à l’échelle régionale.
Le CORDEX, un peu équivalent au CMIP5 pour la modélisation globale du climat, se décline
en un domaine commun – Afrique entière et un nombre de domaines régionaux. Les
simulations à réaliser sont aussi structurées en plusieurs couches. Au cœur de
l’exercice, il est prévu de simuler la période 1989/2008 (20 ans) en utilisant le
forçage ERA-Interim. Il est aussi indispensable de faire les scénarios RCP4.5 et RCP8.5
pour la période 1951 à 2100. Nous avons choisi 4 domaines pour participer à CORDEX.
Il s’agit de l’Afrique, la Méditerranée, l’Europe et l’Amérique du sud. En 2010, nous
voudrions surtout réaliser les simulations ERA-Interim et la première partie des
simulations transitoires, de 1951 à 2005. Les ressources informatiques pour les
domaines de l’Afrique et de l’Amérique du sud sont demandées dans le projet formulé
par F. Hourdin. Ici seuls les domaines de la Méditerranée et de l’Europe sont pris
en compte, car cet exercice nécessite un modèle couplé régional océan-atmosphère.
En
2010,
nous
voudrions
aussi
expérimenter
une
nouvelle
configuration
du
LMDZ-regional dans laquelle un modèle de qualité de l'air sera incorporé. Il est prévu
d'utiliser le modèle CHIMERE dévelopé à IPSL. Ceci ouvre aussi la perspective d'étudier
la pollution atmosphérique à l'échelle régionale et l'évolution du niveau de pollution
en fonction des scénarios du changement climatique anthropique. Cet effort s'inscrit
dans notre approche générale vers la construction d'une plateforme complète pour
répondre aux défis régionaux du changement climatique.
Les expériences numériques planifiées pour 2010 seront réalisées sur le NEC-sx8 de
l'IDRIS. Les ressources demandées (32600 heures CPU brodie et 15 To de stockage)
correspondent à des simulations suivantes:
Deux fois 20 ans de simulations pour la Méditerranée et pour l’Europe. Les ressources
nécessaires sont estimées à 2000 heures de CPU.
Deux fois 55 ans de simulations (1951-2005) pour la Méditerranée et pour l’Europe.
Les ressources nécessaires sont estimées à 11000 heures.
150 ans de simulations pour la Méditerranée avec le système quadruplement couplé.
Les ressources nécessaires sont estimées à 18000.
20 ans de simulation pour la régionalisation du climat en France: 1000 heures CPU.
30 ans de simulation pour expérimenter le couplage entre le climat et la qualité de
l'air: 600 heures CPU
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Récapitulatif de la demande:
Temps calcul: 32600 heures
Espace de stockage: 15 To
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Chercheurs impliqués:
Laurent Li (CNRS)
Alberto Casado (thèse)
Jie Zhang (thèse)
avec la collaboration de:
Ionela Musat
Sébastien Denvil
Yann Meurdesoif