4 modelisation climatique globale - Institut national des sciences de

57
4 MODELISATION CLIMATIQUE GLOBALE
4.1 Introduction
Plusieurs axes ont structuré les efforts de la communauté scientifique nationale engagée dans l’étude du
climat global au cours des 5 dernières années.
Certains de ces axes correspondent à une stratégie et des actions entamées depuis de nombreuses années,
quand il s’agit par exemple de progresser dans la compréhension des mécanismes d’interaction et de rétroaction
entre les divers processus physiques à l’origine de la variabilité et des évolutions climatiques, tant dans
l’atmosphère que dans l’océan. Cet effort est allé de pair avec l’amélioration continue tant des paramétrisations
destinées à prendre en compte ces processus que des modèles globaux couplés, dans lesquels ces
paramétrisations sont incluses, et qui sont la seule voie possible pour étudier in silicio l’influence de ces divers
processus sur les mécanismes climatiques.
La période récente a aussi permis d’ouvrir deux nouveaux chantiers, tous deux porteurs d’une vision très
enrichie de la stratégie nationale en modélisation. D’une part un effort très volontariste a été initié, avec le
support des différents organismes et agences et avec la pleine implication des équipes de modélisation, pour
participer au bon niveau aux exercices de modélisation sur les divers scénarios proposés par le GIEC (IPCC).
D’autre part la volonté de construire en pleine synergie entre les différents groupes, tant au plan national qu’au
plan européen, une approche coordonnée pour la modélisation du "Système Terre", allant au-delà du seul modèle
couplé océan-atmosphère, pour inclure tant les processus chimiques et biogéochimiques, que les grands cycles,
la végétation et les écosystèmes terrestres et marins, etc …
Le plan de ce rapport est donc articulé autour de cette progression dans les objectifs, faisant tout d’abord le
point sur les développements spécifiques aux divers processus climatiques et aux études des deux compartiments
particuliers que sont l’océan et l’atmosphère, décrivant ensuite les progrès enregistrés, et les projets, en
modélisation des différents scénarios, et ouvrant enfin sur les premières réalisations et les perspectives pour la
modélisation du "Système Terre".
4.2 L’océan
Un des principaux défis du PNEDC est la compréhension de la dynamique de l’océan, à la fois régulateur
et détonateur du climat planétaire.
4.2.1 La compréhension de la dynamique de l’océan global : la situation en 2001
Outre quelques modèles conceptuels, l’essentiel de la stratégie française est basé autour du développement
du modèle OPA et de l’amélioration des paramétrisations des processus physiques, à l’aune des bases de données
d’observations sans cesse élargies dans l’espace et le temps. Deux volets complémentaires sont considérés
comme prioritaires :
Variabilité et changement climatique anthropique
L’intrication des variabilités intra- à inter-décennale du système climatique et des changements globaux
induits à l’échelle intra- à inter-séculaire est critique dans notre compréhension du système climatique actuel.
Dans ce contexte, un des objectif majeur du PNEDC en 2001 est de “Comprendre et quantifier les mécanismes
d'ajustement climatique et les modifications du climat moyen et de sa variabilité”.
Au-delà de la variabilité reconnue lors des évènements de type El Niño, les mécanismes contrôlant la
circulation thermohaline (THC) et sa variabilité sont considérés comme majeur pour le climat à moyen-terme.
Les zones clefs océaniques sont les zones de formation d’eaux intermédiaires et profondes, localisées
essentiellement dans l’Océan Atlantique et surtout l’Océan Austral, en relation notamment avec la forte
variabilité dans les basses latitudes (ENSO).

58
Les proxies climatiques
Afin de remonter dans le passé récent et établir les grandes caractéristiques climatiques, le PNEDC
recommandait en 2001 : « un gros effort doit être fait autour de l’utilisation et de l'interprétation des proxies en
terme de variables climatiques à partir d’une analyse plus précise de l’enregistrement sédimentaire de la
variabilité annuelle et interannuelle sur des périodes instrumentées et à l’actuel.
4.2.2 Principaux résultats
Ils sont issus principalement des projets BILBO et PROPAL.
Couche mélangée Océanique
Afin d’avoir une meilleure connaissance des conditions de surface, une nouvelle climatologie de la
profondeur de la couche mélangée a été réalisée à partir des profils individuels ; de plus la disponibilité des
nouvelles données ARGO, en nombre grandissant et dans des régions largement sous observées, a poussé à
incorporer ces données dans la climatologie. Il a ainsi été possible d’améliorer considérablement la climatologie
basée sur un critère en densité dans l’océan Austral (cf. section Austral, Boyer Montaigut et al., 2004).
Circulation Thermohaline
Figure 4.1 : Visualisation de la circulation thermohaline vu par le modèle ORCA2 à l’aide de traceurs
lagrangiens. On distingue les courants reliant ce qui rentre dans l'Atlantique Nord à 48°N et ce qui en ressort :
les transports horizontaux, ainsi que la formation d’eau profonde dans l’Atlantique Nord et la remontée australe
sont exprimée en Sv. A noter que l'apport en eau de la base de la thermocline en Atlantique Nord se fait via la
"fuite de Tasmanie" (route orange) et non directement par le Passage de Drake (d’après Speich et al., 2005).
L’analyse conjointe des observations et des simulations dans le cadre de Bilbo indique clairement que
l’Océan Austral est un bassin très actif en terme de variabilité et en terme de formation/transformation des

59
masses d’eaux océaniques. Une nouvelle route de la circulation thermohaline, via la Tasmanie, a été confirmée.
Au contraire des deux autres routes (Drake, Indonésie), ces eaux (vers 700-1000m) sont très peu ventilées, et
transformées durant leur trajet jusqu’en Atlantique nord (cf. Figure 4.1).
Enfin, un ensemble de simulations effectuées avec OPA sur la circulation profonde indique l’importance :
(i) des flux géothermiques (cf. ci-dessous évaluation par He-3 et C-14) ; (ii) du déferlement des ondes internes
sur le mélange turbulent en profondeur.
Variabilité
Les études sur la variabilité australe ont été moins approfondies que prévu. En particulier, les études de
l’influence du Courant Circumpolaire sur les Ondes Circumpolaires Antarctiques (ACW) ainsi que sur la
variabilité des SAMW-AAIW, ont été abandonnées. Une analyse des difficultés rencontrées (manque de
données, de modèles adéquats, de moyens, …) serait utile pour la prospective. Des études préliminaires
effectuées sur la dernière décennie indiquent que l’importance des ACW serait finalement faible, et seules des
téléconnexions avec l’ENSO ont pu être mises en évidence dans le Pacifique Sud. Toutefois une modulation à
l’échelle décennale de l’ACW pourrait exister et dépendre des couplages océan-atmosphère.
Les Traceurs de la circulation à grandes échelles
L’évaluation des simulations physiques a été entreprise par un ensemble de traceurs :
• L’Helium-3 et le Carbone-14 : La figure 4.2 illustre la meilleure représentation du contraste entre les eaux
jeunes de l’Atlantique par rapport à celles du Pacifique Nord, plus vieilles, quand les flux géothermiques sont
pris en compte à la base du modèle.
Figure 4.2 : Comparaison des simulations de C14 naturel avec la base de donnée GLODAP (à gauche: en
permil). a) en haut à droite: paramétrisation standard OPA (Kz = 0.1 cm2s-1); b) en bas: avec prise en compte
du flux géothermique et Kz = 1 cm2s-1 (d'après Dutay, Madec et al.).
• L’Oxygène-18 et le Carbone-13 : La modélisation des isotopes de l’eau et du carbone a été introduite dans
le modèle OPA/ORCA2. Forcé par le modèle atmosphérique ECHAM, les premiers résultats des simulations en
∂18O de l’eau (cf. section Paléo) sont encourageants : la teneur en surface modélisée affiche une distribution

60
spatiale très réaliste. La représentation de l’isotope 13 du carbone a nécessité l’intégration dans le modèle
biogéochimique PISCES. La simulation de contrôle sur le climat actuel indique que la distribution grande
échelle du traceur est globalement en accord avec les observations issues des sédiments marins. Cependant les
teneurs de ∂13C sont toutefois trop fortes dans l’océan Austral, ce qui semble indiquer une ventilation trop
importante du modèle dans cette région.
• Les isotopes du Néodyme : Apportés par les marges continentales, plus ou moins enrichies en isotopes du
Nd, ils permettent de suivre des circulations régionales qui pourraient être enregistrées dans les sédiments via les
cristaux de barytine. Les mesures effectuées dans le cadre du PNEDC ont permis de mieux appréhender les
échange aux frontières du bassin Nord Atlantique (Lacan et Jeandel, 2004). Une étude dans la région du
throughflow indonésien est encours. Enfin, la modélisation du Nd dans OPA/ORCA2 a été entreprise.
Les méthodologies spécifiques utilisées et développées
La compréhension de la dynamique à grande échelle de l’océan nécessite tout un ensemble de
méthodologies imbriquées. Leur mise en place n’est possible que grâce à l’accès et l’offre accrue des : i) moyens
à la mer : Utilisation des bateaux (IPEV, IFREMER, ressources INSU et internationales), ii) bases de données
ARGO-CORIOLIS et satellitaires, iii) centres de calcul (IDRIS, IFREMER, CEA, …). Il est à noter que ces
derniers centres sont malheureusement sous-développés, par rapport à ceux japonais ou américains, limitant
fortement le champ des simulations et les résolutions utilisées.
4.2.3 Quelques ouvertures pour une éventuelle prospective
En 2001, les forces et les faiblesses étaient résumées par “Une des richesses de notre communauté est
certainement de pouvoir rassembler des compétences diverses sur une même thématique; une faiblesse est que la
mulitplicité des compétences a entraîné une multiplicté des outils et qu'il n'est pas facile de passer d'une logique
de brillantes idées à une structuration en projet.” Pour l’étude de la dynamique de l’océan global, cet écueil a été
évité avec une structuration de plus en plus forte de la communauté nationale autour d’OPA, de son
développement et de sa validation tant par des observations physiques que géochimiques.
Toutefois, les différents projets portant sur l’analyse des variabilités restent en decà des annonces
effectuées dans les diverses propositions intitiales. Cela concerne en particulier la variabilité australe
(modulation de l’ACC et de l’ACW) ainsi que leurs impacts sur la THC et les possibilités d’évolution
irréversible, ainsi que la variabilité intra- à inter-décennale. Il est clair que le sujet est ardu: le modèle OPA
restant lourd à tourner sur les centres de calcul français tandis que les modèles analytiques ou de complexité
intermédiaire sont encore balbutiants ou encore non appliqués à l’océan réel.
Un point particulièrement souligné par certains projets est que le PNEDC donne un cadre à des réunions
annuelles des chercheurs français sur une même thématique. Cette dimension intégratrice doit être renforcée;
outre l’élaboration de réelles collaborations à terme entre les équipes, elle doit agir comme un creuset pour les
étudiants et jeunes chercheurs.
L’outil OPA, outil intégrateur pour l’ensemble des études océaniques, est aussi une brique essentielle pour
la mise en place de la modélisation du "Système Terre" grâce aux divers couplages effectués avec les modèles
atmosphériques et les composantes biogéochimiques. Cette dimension critique pour comprendre la réaction du
Système Terre au changement global est abordée dans la suite de cette partie.
4.3 Le climat global et le Système Terre
La modélisation du climat global, et les premières réalisations dans le domaine de la modélisation du
"Système Terre", sont très influencées par le contexte national, hérité d’une longue histoire, et les récents
développements au plan européen. On doit à ce titre citer :
- l’existence de deux groupes de modélisation de l’atmosphère, regroupés d’une part à l’IPSL autour du
modèle du LMD, et d’autre part à Toulouse autour du modèle ARPEGE-Climat de Météo-France ;
- le regroupement général qui s’est opéré autour du modèle OPA pour la modélisation de l’océan ;

61
- la stratégie mise en place de façon commune entre les groupes français et européens pour progresser de
façon coordonnée vers la modélisation du Système Terre, en s’appuyant, d’une part, sur les travaux relatifs aux
divers compartiments climatiques réalisés dans les laboratoires, et, d’autre part, sur l’évolution vers une
architecture logicielle commune, issue du projet PRISM.
4.3.1 La modélisation globale sur la période 2001-04
En 2001, le modèle couplé global du CNRM comprenait le modèle atmosphérique ARPEGE-Climat
(version 3), le modèle OPA (version 8) et le modèle de banquise GELATO, couplées au moyen d’OASIS-2.
Quatre simulations couplées de 150 ans chacune ont été réalisées pour la période 1950-2100, deux (SG0 et SG1)
avec prise en compte de l’augmentation des GES (CO2, CH4, N2O, CFCs) et des aérosols sulfatés (scénario
SRES-B2), et deux autres (SC2 et SC3) en fixant les concentrations des gaz et aérosols aux valeurs de 1950 (ces
simulations de contrôle, sans corrections de flux, ne présentent qu’une dérive faible en température). L’un des
résultats marquants concerne la disparition de la banquise arctique d’été à partir de la deuxième moitié du
XXIième siècle. Par ailleurs, le retour à des concentrations d’ozone stratosphérique en Antarctique proches de
celles des années 60 ne se produit qu’au cours de la décennie 2070-2080. Ces simulations mettent aussi en
évidence une intensification du cycle hydrologique (Figure 4.3), tandis que d’autres aspects plus régionaux des
résultats des simulations ont pu aussi être analysés.
Figure 4.3: Cartes globales d’anomalies de précipitations (en mm/jour en haut, en % en bas) simulées de
décembre à mars dans un scénario B2 du CNRM entre les périodes [2050-99] et [1950-99] (sans retrait de la
dérive)
Le modèle couplé de l’IPSL (version CM4) est constitué du modèle atmosphérique LMDZ-3, du modèle
OPA-8, du modèle de banquise de l’UCL, avec un couplage réalisé grâce à OASIS-2. Plusieurs simulations ont
été réalisées pour la période historique 1860-2000 avec les concentrations observées des GES (2L18, avec
aérosols sulfatés observés ; 2L22, avec aérosols sulfatés constants), ainsi que plusieurs simulations de scénarios
(2L20, simulation de contrôle avec les concentrations 1980 des GES et des aérosols sulfatés ; 2L24, simulation
de contrôle avec les concentrations des GES et des aérosols sulfatés de 1860 ; 2L23, simulation de type CMIP
avec accroissement idéalisé de CO2 et stabilisation à 2xCO2 et 4xCO2). Des diagnostics sont effectués
automatiquement "en ligne", tels que des séries temporelles, des moyennes saisonnières, annuelles, par décénnie,