Fascicule des encadrés scientifiques du GMGEC

CNRM/GAME, UMR 3589
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ENCADRÉS SCIENTIFIQUES
de l’unité de recherche
GMGEC

GMGEC-1 Développement et évaluation du modèle CNRM-CM
Références
Voldoire, A., E. Sanchez-Gomez, D. Salas y Mélia, B. Decharme, C. Cassou, S.Sénési, S. Valcke, et al., 2013 : The
CNRM-CM5.1 global climate model : description and basic evaluation. Climate Dynamics, 40(9-10), 2091-2121,
DOI:10.1007/s00382-011-1259-y.
Geoffroy O., D. Saint-Martin, A. Voldoire, D. Salas y Mélia, and S. Sénési, 2014 : Adjusted radiative forcing and
global radiative feedbacks in CNRM-CM5, a closure of the partial decomposition. Climate Dynamics, 42, 1807-
1818, DOI :10.1007/s00382-013-1741-9. Page 33
La version 5 du modèle climatique couplé global CNRM-CM, développée en collaboration avec le
CERFACS en vue de contribuer à l’exercice d’intercomparaison CMIP5, s’appuie sur le cœur océan-
atmosphère NEMO3.2 (IPSL) / ARPEGE-Climat v5 (Météo-France). Les échanges surface-atmosphère, la
glace de mer et l’écoulement des fleuves au sein de CNRM-CM5 sont respectivement représentés par
SURFEX v5, Gelato v5 et TRIP, et l’ensemble est couplé par OASIS3. L’impact de certains forçages
(aérosols, volcans, variabilité solaire) ainsi que les couplages ont été mieux pris en compte dans le
modèle. La résolution horizontale (150km) a été doublée, améliorant la représentation de la circulation
océanique et du climat moyen jusqu’en moyenne troposphère. En revanche, la résolution verticale a été
réduite, entraînant une légère dégradation des performances du modèle dans la haute troposphère et
dans la stratosphère. CNRM-CM5.1 a été également validé en termes de variabilité (Oscillations Nord-
Atlantique et Nord-Pacifique, El Niño…), de téléconnexions (El Niño / Mousson Africaine).
Les biais de pression atmosphérique en surface entre CNRM-CM3 et CNRM-CM5.1 (version utilisée pour
CMIP5) ont été substantiellement réduits en hiver boréal (Figure de gauche) et en été. Cette amélioration
a été principalement attribuée à l’augmentation de résolution horizontale du modèle (Voldoire et al., 2013).
Au-delà de CMIP5, le développement de CNRM-CM s’est poursuivi dans le cadre du projet européen
FP7/COMBINE pour aboutir à la version 5.2. Dans cette version, une attention particulière a été accordée
à la correction des dérives non-physiques et non-cohérentes en eau et sel dans l’océan présentes dans la
version 5.1 (respectivement –20cm et -0.011psu par siècle). L’origine de ces dérives a été identifiée (non-
conservation au niveau du couplage océan-banquise et océan-calottes), et après correction des erreurs,
le modèle ne dérivait plus que de +1cm par siècle en eau et de +0.001psu/siècle en sel (voir la dérive en
sel dans la Figure de droite). De nouvelles simulations de contrôle préindustriel ont montré que ces
corrections ont fortement contribué à améliorer la représentation de la circulation océanique et de la glace
de mer antarctique dans CNRM-CM5.2 par rapport à CNRM-CM5.1.

GMGEC-2 Participation du GAME à CMIP5
Référence
Douville, H., A. Ribes, B. Decharme, R. Alkama, and J. Scheffield, 2013 : Anthropogenic influence on multidecadal
changes in reconstructed global evapotranspiration. Nature Climate Change, 3(1), 59-62, DOI:
10.1038/NCLIMATE1632. Page 34
Le dernier rapport du groupe I du GIEC paru en 2013 s’est appuyé sur des simulations climatiques
effectuées dans le cadre du projet international d’intercomparaison CMIP5. Plus de 20 groupes de
modélisation ont participé à l’exercice, en mettant en œuvre plus de 60 modèles climatiques couplés
globaux. Le groupe CNRM-CERFACS a utilisé le modèle CNRM-CM5.1 pour réaliser les volets
« décennal » (CERFACS) et « centennal » de CMIP5 (GAME). Le GAME a ainsi réalisé une simulation
préindustrielle de 850 ans, des simulations historiques (1850-2005), des simulations futures (2006-2300),
des simulations du dernier âge glaciaire et de l’holocène moyen, des simulations académiques (1% CO2,
4xCO2 abrupt) et des simulations en atmosphère seule (AMIP). En incluant la phase de développement
du modèle, plus de 13000 années de simulation ont été réalisées au total, mobilisant l’équivalent de 10%
de la capacité de calcul de Météo-France pendant un an, et 8,5 ETP ingénieurs et chercheurs pendant 2
ans ½. Les résultats de ces simulations ont été mis à la disposition de la communauté scientifique sur un
serveur spécialement mis en œuvre au GAME pour CMIP5, ce qui a permis leur prise en compte dans
près de 200 publications au 30 avril 2014. Parmi elles, 14 ayant un premier auteur rattaché au GAME, ont
été publiées en 2012 et 2013.
La principale originalité de la contribution du GAME à CMIP5 a été d’effectuer un grand ensemble de
simulations historiques (30 simulations au total), en prenant en compte tous les forçages : variabilité
solaire, éruptions volcaniques, gaz à effet de serre et aérosol, ou seulement certains forçages, afin de
mener des études de détection/attribution. La Figure de gauche illustre une utilisation de ces simulations.
Elle représente des anomalies d’évapotranspiration moyennées sur les continents des régions tropicales
(30°S-30°N), simulées et reconstruites en moyenne sur des périodes indépendantes de 11 ans couvrant
la période 1950-2005. Les anomalies simulées sont reproduites au travers d’intervalles de confiance à
95% de deux ensembles de 10 simulations réalisées avec CNRM-CM5 contraint par des forçages naturels
seulement (en bleu) et par des forçages complets (naturels et anthropiques, en jaune). Les anomalies
reconstruites correspondent aux résultats obtenus avec deux modèles de surface (ISBA en noir et VIC en
gris), contraints par des climatologies de précipitations (GPCP pour les traits continus et CRU pour les
traits tiretés) (Douville et al., 2013). La Figure de droite représente le réchauffement simulé par le modèle
en 2081-2100 par rapport à 1981-2000 dans le cas du scénario d’émission RCP8.5.

GMGEC-3 Régionalisation du climat sur le domaine méditerranéen
Références
L’Heveder B., Li L., Sevault F., Somot S., 2013: Interannual variability of deep convection in the Northwestern
Mediterranean simulated with a coupled AORCM. Climate Dynamics, 41:937-960, DOI: 10.1007/s00382-012-1527-
5.
Dubois C., S. Somot, et al., 2012: Future projections of the surface heat and water budgets of the Mediterranean sea
in an ensemble of coupled atmosphere-ocean regional climate models. Climate Dynamics, 39 (7-8):1859-1884, DOI
10.1007/s00382-011-1261-4. Page 35
Les caractéristiques physiques de la zone méditerranéenne (relief et trait de côte complexes, fort
contraste terre-mer, petites îles, couplage air-mer, vents régionaux, rétroaction surface-atmosphère et
aérosols-rayonnement) ont amené le GAME à développer une nouvelle génération de son modèle
régional de climat basée sur ALADIN et dédiée à la compréhension des interactions entre les
composantes du « système climatique » méditerranéen. Ce modèle (CNRM-RCSM4 ; Sevault et al. 2014,
soumis à Tellus) inclut le couplage quotidien et interactif des différentes composantes du système
climatique régional : aérosols, atmosphère, hydrologie continentale, rivière et océan .
2a
Séries interannuelles de la SST
en Méditerranée, avec
intercomparaison des modèles
couplés de Med-CORDEX
CNRM-RCSM4 tourne en mode étude de cas (comparaison aux observations des programmes ChArMEx
comme sur la Figure 1a, HyMeX et MERMEX, SOPs 2012 et 2013), en mode évaluation (piloté aux bords
par des réanalyses atmosphériques et océaniques, 1979-2013, Figure 1b) ou en mode scénario (pilotage
par CNRM-CM5, 1950-2100, scénarios RCP8.5/4.5/2.6 réalisés, projet FP7 CLIM-RUN). Nos principaux
thèmes de recherche sont la variabilité climatique des flux air-mer et de la convection océanique dans le
Golfe du Lion (Figure 1b, projet ANR ASICS-MED ; L'Heveder et al. 2013), l'impact des aérosols sur le
climat régional (Figure 1a, Nabat et al. 2014 ; voir encadré GMGEC-10), la fermeture des bilans hydriques
et thermiques (Dubois et al. 2012 ; projet FP7 CIRCE) , l’amélioration de la représentation et l’évolution
future des évènements extrêmes en Méditerranée (projet ANR REMEMBER). Le GAME co-coordonne par
ailleurs la première intercomparaison internationale de ce type de modèle appelée Med-CORDEX
(www.medcordex.eu, intercomparaison des SST en interannuel sur la Figure 2a).
1a 1b
Série quotidienne (AOD en bas Série interannuelle du maximum
et SWsurf en haut) à Murcie en de la profondeur de la couche de
juin-juillet 2012. Pour l’AOD, mélange dans le Golfe du Lion
le modèle avec aérosols (modèle en noir, observations en
interactifs est en vert, et les rouge).
observations sont en rouge.

GMGEC-4 Simulation de l’Oscillation de Madden-Julian dans CNRM-CM5
Référence
Duvel, J.-P., H. Bellenger, G. Bellon, M. Remaud, 2013: An event-by-event assessment of tropical intraseasonal
perturbations for general circulation models. Climate Dynamics, 40 (3-4), 857-873 , DOI: 10.1007/s00382-012-
1303-6. Page 36
L’Oscillation de Madden-Julian (OMJ) est le principal mode de variabilité intrasaisonnière dans les
tropiques. Ce mode se traduit par l’émergence d’une anomalie de précipitation de grande échelle dans
l’Océan Indien équatorial, et sa propagation vers l’Est jusqu’au Pacifique central, à une vitesse de 5 m/s.
Si le signal en précipitation s’estompe dans le Pacifique, le signal dynamique associé au mode continue
sa propagation à une vitesse supérieure (15-20 m/s) à travers l’Atlantique équatorial jusqu’à l’Indien, où il
peut susciter une nouvelle anomalie de précipitation. Ce cycle dure 30 à 40 jours, et apparaît
principalement pendant l’hiver boréal. La plupart des modèles de climat simulent une OMJ trop faible,
voire inexistante.
Les Figures montrent l’anomalie de convection nuageuse (en couleur : le flux infrarouge au sommet de
l’atmosphère) pendant les cycles moyens observés (à gauche) et simulé (à droite) par CNRM-CM5,
divisés en 8 phases, ainsi que les anomalies de vent dans les basses couches (flèches). Le modèle
CNRM-CM5 simule une anomalie de convection nuageuse (et de précipitation) réaliste dans le secteur
Indo-Pacifique. A ce titre, le CNRM-CM5 est un des meilleurs de sa génération en ce qui concerne la
simulation de cette oscillation (voir Hung et al., Journal of Climate 2013). L’anomalie convective simulée
est par contre surestimée dans l’Atlantique équatorial, et l’anomalie des vents simulés est trop intense sur
l’ensemble de la ceinture équatoriale (Duvel et al., 2013). Cette surestimation du signal en vent, même
dans les régions où l’anomalie convective est réaliste, suggère des problèmes de paramétrisation du profil
vertical de chauffage par la condensation due à la convection nuageuse, dont dépendent les gradients de
pression qui forcent le vent. Pour mieux comprendre ce problème, un programme d’intercomparaison des
termes diabatiques associés à l’OMJ est coordonné par le programme international GASS. Le GAME y
participe.
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