Compte rendu de la conférence: "Prévisibilité du Climat Tropical"

Compte'rendu'de'la'conférence:''
"Prévisibilité'du'Climat'Tropical"''
Introduction''
A l'occasion de la prospective de la Commission Spécialisée Océan Atmosphère (CSOA) de l'INSU, nous avons
organisé une conférence sur les nouveaux enjeux de la recherche en physique du climat tropical au Centre
International de Conférence de Météo France, Toulouse, du 1er au 3 juin 2010.
Cette conférence avait pour objectif (i) de présenter les recherches en cours en France et leur relation avec les
programmes internationaux, (ii) de favoriser de nouvelles coopérations entre les équipes de recherche, (iii) de
définir des processus critiques à étudier en priorité, (iv) de répertorier les besoins en moyens d'observation
(campagnes de terrain, missions spatiales) et en modélisation et, (v) de proposer ces recommandations pour la
prospective de la CSOA.
Ce court document résume les discussions des trois groupes de travail qui se sont réunis le dernier jour de la
conférence:
• Variabilité et prévisibilité de grande échelle (de l'interannuel aux échelles climatiques).
• Variabilité et prévisibilité intrasaisonnière (du synoptique au saisonnier).
• Processus de méso-échelle, microphysique et rayonnement.
Ce résumé des discussions est destiné à servir de base de réflexion pour la prospective CSOA pour ce qui
concerne les régions tropicales. Compte tenu de la spécificité des tropiques et de leur importance dans les
projections climatiques, il serait peut-être souhaitable de créer une "Thématique scientifique transverse" de la
CSOA axée par exemple sur : "La physique du climat tropical de la méso échelle à la variabilité décennale".
1.'Visions'prospective'à'10?15'ans'
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La représentation du climat tropical et de sa variabilité dans les modèles de climat comporte encore de sérieuses
lacunes. Ainsi la simulation des phénomènes les plus représentatifs des régions tropicales (cyclones, oscillations
intrasaisonnières, moussons, ENSO,...) est très variable d'un modèle à l'autre, sans que l'on comprenne et
maitrise complètement l'origine physique de ces différences. Un travail de recherche important des prochaines
années consistera donc à identifier les processus physiques critiques permettant d'améliorer à terme la maitrise
de la modélisation de ces phénomènes. Ceci est également nécessaire pour la prévision de l'évolution de ces
phénomènes à des échelles de temps allant de quelques jours à quelques mois, voire quelques années. Le
système climatique étant non-linéaire, une bonne représentation de la variabilité tropicale à ces échelles de temps
et d'espace est également indispensable aux projections multi-décennales et aux études des impacts régionaux du
changement climatique global.
Bien qu'il soit important de commencer dès maintenant (comme cela est fait par le programme AMMA) à mettre
au point des approches originales pour l'étude de ces impacts (économiques, santé, agriculture, ressources en
eau, etc.), il ne faut pas perdre de vue que ces études reposent et reposeront avant tout sur des prévisions
correctes de l'évolution du système physique aux échelles de temps pertinentes (saisonnier, intrasaisonnier,
synoptique, évènements extrêmes). La bonne représentation de ce système physique par les modèles, et les
analyses d'observations permettant d'atteindre cet objectif, restent donc la priorité.
Les phénomènes tropicaux (systèmes convectifs, cyclones, ondes équatoriales, MJO, moussons, ENSO) sont
largement gouvernés par les processus diabatiques (radiatif, convectif, échanges avec l'océan et avec les surfaces

continentales). Cette spécificité justifie une attention particulière à la modélisation de ces processus diabatiques
pour améliorer la simulation et la prévision des phénomènes tropicaux. Ces processus physiques jouent
également un rôle déterminant dans le bilan énergétique du système climatique. Concernant ces processus, les
grands enjeux à relever au cours de la prochaine décennie concernent:
• La compréhension des processus de déclenchement et d'évolution des systèmes convectifs et la maitrise
de leur paramétrisation dans les modèles de climat. Le déclenchement reste en particulier un
problème difficile compte tenu de la petite échelle de certains facteurs déterminants (comme
hétérogénéité de la surface, la végétation, les brises, les courants de densité, le cycle diurne) et de
la méconnaissance de l'impact d'autres facteurs comme des ondes de gravité, le cisaillement du
vent, les intrusions d'air sec ou plus généralement l'humidité troposphérique. L'origine
(perturbations atmosphériques, température de surface et interaction air-mer, etc.) de l'organisation
des systèmes convectifs en ensembles de grande échelle sur l'océan est également une
caractéristique physique mal maitrisée qui pourrait jouer un rôle important pour la variabilité
intrasaisonnière de type MJO et sur les moussons. Sur les continents, le signe même des rétroactions
entre processus de surface et convection atmosphérique est incertain, et semble dépendant des échelles
considérées et du type d'environnement. Cette complexité mal cernée affecte la modélisation de la
mousson.
• Les processus (microphysique, distribution, cycle diurne) influençant l'impact radiatif des nuages, en
particulier pour les nuages bas (source principale de dispersion des projections des modèles
climatiques) et pour les cirrus tropicaux. De même, on connaît mal la nature du chauffage, convectif
versus radiatif (direct) impliqué dans la variabilité intrasaisonnière. Les Aérosols sont également
susceptibles d'avoir des effets radiatifs directs ou indirects (noyaux de condensation) sur la variabilité
tropicale.
• Les processus de transport, en particulier de vapeur d'eau depuis la couche limite vers la troposphère
libre, ainsi que les échanges troposphère stratosphère réalisés au niveau de la tropopause tropicale
(TTL). Le rôle respectif de la convection et du transport sur la distribution de l'humidité
atmosphérique, et donc aussi sur l'effet radiatif de la vapeur d'eau, sont encore mal cernés dans les
régions convectives. L'importance des phénomènes de fine échelle, tels que la turbulence ou les ondes
de gravité, sur le transport à plus grande échelle et le mélange reste mal connue.
• En plus des processus diabatiques, certains processus dynamiques gouvernant les interactions entre
différentes régions à différentes échelles sont également mal compris. On peut citer l'exemple des
interactions entre les moussons Africaine et Indienne à l'échelle intrasaisonnière, ou les interactions
entre ENSO et la mousson Indienne à l'échelle interannuelle. Aussi, le lien entre les processus
diabatiques et la dynamique pourrait jouer un rôle important dans les interactions d'échelles, en
particulier entre les perturbations intrasaisonnières et les perturbations synoptiques.
En ce qui concerne les moyens à mettre en œuvre, l'amélioration de la représentation de ces processus
nécessitera:
• De proposer de nouvelles méthodes d'évaluation des simulations par confrontations aux observations
(aussi bien modernes et détaillées qu'issues de proxies climatiques);
• De proposer de nouvelles méthodes (modèles idéalisés, etc.) et des théories adaptées à la
compréhension des interactions entre différentes échelles (synoptique, enveloppe intrasaisonnière,
mousson, grande échelle);
• De poursuivre les efforts d'observation spatiale, en exploitant en particulier les nouvelles données
disponibles (par ex. A-train, TRMM, SMOS) ou à venir (par ex. Megha-Tropiques), mais aussi en
proposant de nouvelles expériences spatiales;
• D'envisager de nouvelles expériences de terrain dédiées à l'étude de processus physiques spécifiques, si
possible dans un cadre international;

• De maintenir des sites d’observation sur le long terme (comme les sites du programme AMMA sur
l'Afrique de l'Ouest) pour assurer un suivi de l’évolution climatique, et poursuivre l'exploitation
scientifique de ces données ;
• De mettre au point de stratégies spécifiques d'initialisation des modèles couplés pour améliorer la
prévision du temps dans les tropiques, en particulier pour l'échelle étendue (15-30 jours) et saisonnière.
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Ces interfaces ont été peu discutées lors de la conférence. On notera juste les points suivants:
• Interaction tropiques-extratropiques et prévisions saisonnières dans les moyennes latitudes;
• Simulation du climat global et de sa sensibilité;
• Impact du changement climatique sur les régions tropicales (ENSO, moussons, cyclones, évènements
extrêmes, ...);
• Les impacts sociétaux dans les régions tropicales (économie, santé, ressources en eau, etc.), de la
prévision synoptique aux tests de sensibilité climatique.
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L'analyse des jeux de données satellitaires existants et à venir est essentielle pour une meilleure
connaissance de la convection et des nuages (morphologie, cycle diurne...) et une évaluation plus poussée
des modèles. De même l'exploitation plus large des mesures de flux turbulents et radiatifs fournies par les
stations de mesures à la surface devraient s'avérer particulièrement utile pour mieux maitriser le couplage
entre l'atmosphère et la surface (océan, continent) et le cycle énergétique du système couplé. Les données
des satellites, certaines données in situ (comme le réseau de bouées TAO) et les réanalyses
météorologiques et océanographiques des centres opérationnels sont actuellement facilement disponibles. Il
faut veiller à maintenir cette disponibilité afin de poursuivre l'analyse des différents modes de variabilité
(intrasaisonnière et interannuelle). Ces études sont essentielles pour l'évaluation de ces modes de variabilité
dans les modèles climatiques.
L'accroissement des moyens de calculs doit permettre de réaliser des simulations à haute résolution de
convection profonde (modélisation type CRM et LES) et, sur de plus vastes domaines spatio-temporels,
pour étudier le cycle complet de la convection organisée (depuis sa génération, sa propagation jusqu'à sa
dissipation) en relation avec la MJO (modélisation type CRM). De telles simulations présentent un intérêt
certain pour accompagner le développement de paramétrisations (comme pour EUROCS et GEWEX Cloud
System Studies). De plus, elles fournissent un outil adapté pour aborder les questions faisant intervenir des
couplages entre processus physiques et dynamiques puisque les interactions entre ces processus sont alors
traitées de manière plus explicite. Parmi les nouvelles méthodes prometteuses pour l'analyse de l'origine
des précipitations, la mesure des isotopes de l'eau apporte des informations précieuses sur les processus
internes des systèmes convectifs permettant de quantifier certains paramètres sensibles des paramétrisations
(e.g. l'évaporation). La compréhension de l'impact de la convection sur la région de la tropopause tropicale
(TTL) demande également une approche combinée de mesures et de modélisation, pour l'étude du bilan
hydrologique et du bilan des traceurs chimiques. Une telle approche combinée est également nécessaire
pour établir le rôle des cyclones tropicaux dans l'évolution et le transport d'énergie (cinétique,
thermodynamique, cycle de l'eau) entre l'atmosphère et l'océan, et leur contribution au mélange méridien
océanique. Le rôle des transitions entre les cyclones et les perturbations extratropicales sur la météorologie des
moyennes latitudes est également un point important. Enfin, il est important d'établir des méthodes pour une
meilleure estimation de l'évolution de l'activité cyclonique en relation avec le changement climatique, et de
mieux estimer l'impact des cyclones dans certains paléoclimats (Eocène très chaud, Thetys et Pangée).
L'étude des phénomènes tropicaux de grande échelle à l'aide de modèles de circulation générale devra se
faire suivant plusieurs approches combinant des tests idéalisés (études de cas, sensibilité, etc.), des
simulations avec des versions simplifiées (aquaplanète, version 1D, etc.) ou avec des versions régionales
forcées aux frontières (avec ou sans zoom). Ces versions régionales doivent servir en particulier à faire des

tests de simulations à haute résolution (océan et atmosphère). La dépendance de la physique du modèle à la
résolution est un point très sensible, en particulier pour la convection atmosphérique. Les méthodes
d'évaluations de ces simulations sont encore balbutiantes et des efforts sont nécessaires, non seulement
pour définir des approches nouvelles et plus précises (orientées vers les processus), mais également pour
définir des séries d'outils répertoriés et facilement applicables soit systématiquement lors des simulations,
soit au cas par cas.
L'amélioration de la prévision opérationnelle de la trajectoire, et surtout de l'intensité, des cyclones tropicaux
devrait conduire à une précision <10 km sur la position et < 5 kt sur l'intensité à 24 h, avec une évolution linéaire
de l'erreur jusqu'à 7 jours d'échéance. Pour la recherche, il faut tester l'utilisation de modèles numériques avec
convection explicite (<1km, microphysique spectrale) sur de grands domaines (1000 km) et sur une longue durée
(10 j), avec des simulations d'ensemble couplées avec l'océan.
2.'Mise'en'œuvre'dans'les'5'ans'
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La caractérisation de la convection bénéficie des progrès de l'observation par satellite: TRMM, CALIOP,
CLOUDSAT, MEGHA-TROPIQUES sans oublier les géostationnaires de nouvelle génération et les sondeurs
AIRS, IASI. Les longues séries d'observations par satellite fournissent aussi des données à des échelles spatiales
et temporelles pertinentes pour le climat. Il est important de développer dans les prochaines années l'exploitation
de ces données.
Les mesures de flux à la surface sur des échelles de temps pluriannuelles (e.g. ARM, AMMA-Catch, bouées
TAO, PIRATA) offre la possibilité d'évaluer notre compréhension de ces processus et leur représentation dans
les modèles. Les progrès dans les moyens satellites permettent d'envisager d'établir le bilan radiatif de surface
sur l'océan depuis l'espace. Dans ce contexte, il y a aussi un grand intérêt à combiner observations par satellite et
les mesures au sol.
Le programme AMMA a apporté une base de données unique sur l’Afrique de l'Ouest et a permis de développer
des méthodes et des outils d'analyse originaux. Il est souhaitable de poursuivre ce programme (voir document de
prospective ISP-2 d'AMMA), afin de consolider les résultats en traitant d'autres cas et en construisant des
climatologies. Une approche faisant intervenir les interactions avec les latitudes tempérées, la mousson indienne
et l’océan indien doit maintenant être recherchée. De plus, les campagnes prévues FENNEC dans le Sahara et
océanographiques dans le golfe de Guinée fourniront des données détaillées utiles pour mieux comprendre
respectivement les mécanismes liés à la dépression saharienne et la mise en place de la langue d'eaux froides.
Parmi les campagnes de mesure prévues, la campagne Cindy-Dynamo de 2011-2012 offre une opportunité
unique car ses objectifs recoupent ceux d'une partie de la communauté française spécialisée sur le climat de
l'Océan Indien. Cette expérience est principalement dédiée aux processus en jeux dans l'initiation de perturbation
intrasaisonnière dans l'Océan Indien. Cela offre la possibilité de tester des hypothèses sur l'impact de certains
processus sur cette initiation (comme le préconditionnement de la troposphère par les couches de réchauffement
diurne océanique). Parallèlement, la communauté française pourrait d'avantage participer à la mise en place et à
l'entretien du nouveau réseau RAMA (l'équivalent du TAO et de PIRATA dans l'Océan Indien).
A terme, et pour d'autres campagnes sur les océans tropicaux, il pourrait être opportun de considérer
l'embarquement de radars bande-X sur les unités de la flotte permettant une étude détaillée de l'hydrologie des
précipitations en liaison avec les mesures en couche limite marine.
En termes de modélisation, il importe de poursuivre et développer les comparaisons entre modélisation explicite
(LES, CRM), paramétrisations et observations. Les projets européen EUCLIPSE et français DEPHY doivent
permettent de progresser sur ce type d'approche. Il serait utile de faire un état de l'art des CRM et des LES en
France. Les prochaines années devraient permettre de réaliser des simulations d'ensemble de plusieurs jours avec
une convection explicite et un couplage avec l'Océan et les surfaces continentales. Cela permettrait d'étudier le
spectre de la variabilité tropicale (diurne jusqu'à quelques dizaines de jours), l’interaction des perturbations
dynamiques avec la convection organisée, et la modulation des conditions favorables à la cyclogenèse.
L'évolution vers un meilleur système d'évaluation des modèles de circulation générale dans les prochaines
années pourrait se faire dans le cadre des analyses des simulations de CMIP5.

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Les propositions présentées ci-dessus impliquent des liens avec plusieurs programmes de recherche,
français (e.g. DEPHY), européens (e.g. EUCLIPSE) et internationaux (e.g. MEGHA-TROPIQUES).
L'étude de l'initiation des évènements intrasaisonniers dans l'Océan Indien et de l'influence du couplage
doit être réalisé dans le cadre international de la campagne CINDY-DYNAMO d'octobre 2011 à mars 2012
(principalement Japon et US pour l'instant). Des analyses de modèle à haute résolution sur une série de cas
de MJO devraient être réalisées dans le cadre de YOTC (analyse à haute résolution ECMWF et ensemble
de mesures spatiales NASA. Concernant les simulation explicites de la convection tropicale sur de large
domaine des collaborations seront à développer avec le projet anglais CASCADE. La suite des campagnes
de terrain sur l'Afrique de l'Ouest est prévue dans les cadres internationaux FENNEC (Allemagne, UK,
Pays africains) et PIRATA (Allemagne, USA).
3.'Recommandations'
On constate que la représentation du climat tropical et de sa variabilité par les modèles globaux n'est pas
satisfaisante. La maitrise de certains processus physiques est nécessaire pour l'amélioration de la représentation
de l'état moyen du système (profils moyens de température et de vapeur d'eau, distribution des précipitations,
etc.) et de sa variabilité à différentes échelles de temps et d'espace (cyclones, intrasaisonnier, mousson, ENSO,
etc.). Cela est en particulier nécessaire pour : (i) améliorer la prévision de ces phénomènes ; (ii) mieux prendre
en compte les non linéarités du système océan-atmosphère dans les tests de sensibilité climatiques (paléoclimat
ou projection) et; (iii) aborder les questions de régionalisation des impacts climatiques avec un système physique
représentant correctement le climat actuel de ces régions. Les enjeux de ces recherches vis à vis des populations
locales et des décideurs économiques et politiques sont très importants.
Les points suivant sont ressortis des discussions sur les priorités. Bien que le premier point apparaisse dans les
prospectives depuis de nombreuses années, le soutien reçu pour ce type d'étude demeure marginal. Il en résulte
que peu de progrès solides ont été réalisés sur la représentation de certains phénomènes tropicaux (MJO,
Mousson, etc.) dans les MCG. Les lacunes de notre compréhension de la physique sous-jacente sont apparues
encore plus nettement avec l'emploi des modèles couplés. Le couplage n'améliore pas toujours la variabilité du
modèle et dégrade souvent l'état moyen dans les tropiques. Un travail de fond sur la physique des modèles est
maintenant nécessaire.
• Développer de nouvelles paramétrisations physiques ou adapter les paramétrisations existantes, en
particulier pour la convection et les interactions avec la surface, basés sur : (i) des études des processus
physiques (e.g. déclenchement et entraînement pour la convection, transport dans la TTL,
fractionnement isotopique, etc.) et ; (ii) des étude d'impact de ces paramétrisations sur la variabilité
tropicale à différentes échelles.
o Le premier point devra reposer sur des résultats expérimentaux (e.g. AMMA, CIRENE,
CINDY-DYNAMO, etc.), sur des études utilisant des modèles à haute résolution (CRM et
LES), sur des modèles simplifiés, et sur des configurations particulières des MCGs (forçages
aux limites, etc.). Il faut aussi étudier la sensibilité et le domaine d'application de ces
paramétrisations dans le cadre de l'augmentation de la résolution horizontale et verticale des
modèles.
o Le second point devra reposer sur le développement et la distribution de nouvelles méthodes
de confrontation des modèles aux observations pour les effets locaux (observations de terrain)
et pour l'évaluation systématique de la représentation des principaux phénomènes tropicaux
(MJO, moussons, ENSO, etc.) sur l'ensemble de la bande tropicale (mesures par satellites,
réanalyses). Cela demande certainement de mieux connaître les différents modes de variabilité
(intrasaisonnier, interanuel) et de poursuivre l'étude des interactions entre différentes régions
(tropiques-latitudes tempérées, tropiques-tropiques) et différentes échelles (ondes-convection,
synoptique-intrasaisonnier).
o On manque certainement de théories pour aborder correctement l'évaluation de la
représentation de ces phénomènes très intermittents et soumis à de nombreuses interactions
d'échelles.