Modèle climatique

Les modèles climatiques numériques utilisent des méthodes quantitatives pour simuler les interactions des principaux moteurs du climat, notamment l’atmosphère , les océans , la surface terrestre et la glace . Ils sont utilisés à diverses fins, allant de l’étude de la dynamique du système climatique aux projections du climat futur . Les modèles climatiques peuvent aussi être des modèles qualitatifs (c’est-à-dire non numériques) et aussi des récits, largement descriptifs, d’avenirs possibles. ^[1]

Les modèles climatiques sont des systèmes d’ équations différentielles basés sur les lois fondamentales de la physique , du mouvement des fluides et de la chimie . Pour “exécuter” un modèle, les scientifiques divisent la planète en une grille tridimensionnelle, appliquent les équations de base et évaluent les résultats. Les modèles atmosphériques calculent Les vents , le transfert de chaleur , le rayonnement , l’Humidité relative et l’ hydrologie de surface dans chaque grille et évaluent les interactions avec les points voisins.

Les modèles climatiques quantitatifs prennent en compte l’ énergie entrante du soleil sous forme de rayonnement électromagnétique à ondes courtes , principalement le visible et l’ infrarouge à ondes courtes (proche) , ainsi que l’ électromagnétisme infrarouge à ondes longues (lointain) sortant. Un déséquilibre se traduit par un changement de température .

Les modèles quantitatifs varient en complexité. Par exemple, un simple modèle de transfert de chaleur radiante traite la terre comme un point unique et calcule la moyenne de l’énergie sortante. Celle-ci peut être étendue verticalement (modèles radiatifs-convectifs) et/ou horizontalement. Les modèles climatiques globaux couplés atmosphère-océan -glace de mer résolvent toutes les équations de transfert de masse et d’énergie et d’ échange de rayonnement. En outre, d’autres types de modélisation peuvent être liés, tels que l’utilisation des terres , dans les modèles du système terrestre , permettant aux chercheurs de prédire l’interaction entre le climat et les Écosystèmes .

Modèles de boîtes

Schéma d’un modèle de boîte simple utilisé pour illustrer les flux dans les cycles géochimiques, montrant une source (Q) , un puits (S) et un réservoir (M)

Les modèles de boîtes sont des versions simplifiées de systèmes complexes, les réduisant à des boîtes (ou réservoirs ) reliées par des flux. Les boîtes sont supposées mélangées de manière homogène. A l’intérieur d’une boîte donnée, la concentration de toute espèce chimique est donc uniforme. Cependant, l’abondance d’une espèce dans une boîte donnée peut varier en fonction du temps en raison de l’apport (ou de la perte) de la boîte ou de la production, de la consommation ou de la décomposition de cette espèce à l’intérieur de la boîte.

Les modèles de boîtes simples, c’est-à-dire un modèle de boîte avec un petit nombre de boîtes dont les propriétés (par exemple leur volume) ne changent pas avec le temps, sont souvent utiles pour dériver des formules analytiques décrivant la dynamique et l’abondance à l’état d’équilibre d’une espèce. Les modèles de boîtes plus complexes sont généralement résolus à l’aide de techniques numériques.

Les modèles en boîte sont largement utilisés pour modéliser les systèmes environnementaux ou les Écosystèmes et dans les études de la Circulation océanique et du cycle du carbone . ^[2] Ce sont des instances d’un modèle à plusieurs compartiments .

Modèles à zéro dimension

Un modèle très simple de l’ équilibre radiatif de la Terre est

( 1 − un ) S π r 2 = 4 π r 2 ε σ J 4 {displaystyle (1-a)Spi r^{2}=4pi r^{2}epsilon sigma T^{4}}

où

• le côté gauche représente l’énergie entrante du Soleil
• le côté droit représente l’énergie sortante de la Terre, calculée à partir de la loi de Stefan-Boltzmann en supposant une température fictive du modèle, T , parfois appelée «température d’équilibre de la Terre», qui doit être trouvée,

et

• S est la constante solaire – le rayonnement solaire entrant par unité de surface – environ 1367 W·m ^-2
• un {displaystyle a} est l’ albédo moyen de la Terre , mesuré à 0,3. ^{[3] [4]}
• r est le rayon de la Terre – environ 6,371 × 10 ⁶ m
• π est la constante mathématique (3.141…)
• σ {displaystylesigma} est la constante de Stefan–Boltzmann — environ 5,67×10 ⁻⁸ J·K ⁻⁴ ·m ⁻² ·s ⁻¹
• ε {displaystyle epsilon} est l’ émissivité effective de la terre, environ 0,612

La constante πr ² peut être factorisée, ce qui donne

( 1 − a ) S = 4 ε σ T 4 {displaystyle (1-a)S=4epsilon sigma T^{4}}

Résolution de la température,

T = ( 1 − a ) S 4 ε σ 4 {displaystyle T={sqrt[{4}]{frac {(1-a)S}{4epsilon sigma}}}}

Cela donne une température terrestre moyenne effective apparente de 288 K (15 ° C ; 59 ° F ). ^[5] C’est parce que l’équation ci-dessus représente la température radiative effective de la Terre (y compris les nuages ​​et l’atmosphère).

Ce modèle très simple est assez instructif. Par exemple, il détermine facilement l’effet sur la température terrestre moyenne des changements de la constante solaire ou du changement de l’albédo ou de l’émissivité terrestre effective.

L’émissivité moyenne de la terre est facilement estimée à partir des données disponibles. Les émissivités des surfaces terrestres sont toutes comprises entre 0,96 et 0,99 ^{[6] [7]} (sauf pour certaines petites zones désertiques qui peuvent descendre jusqu’à 0,7). Les nuages, cependant, qui couvrent environ la moitié de la surface de la terre, ont une émissivité moyenne d’environ 0,5 ^[8] (qui doit être réduite par la quatrième puissance du rapport de la température absolue des nuages ​​à la température absolue moyenne de la terre) et une température moyenne des nuages d’environ 258 K (-15 ° C; 5 ° F). ^[9] En tenant compte correctement de tout cela, on obtient une émissivité terrestre effective d’environ 0,64 (température moyenne de la Terre 285 K (12 ° C; 53 ° F)).

Ce modèle simple détermine facilement l’effet des changements de la production solaire ou du changement de l’albédo terrestre ou de l’émissivité terrestre effective sur la température terrestre moyenne. Il ne dit rien, cependant, sur ce qui pourrait faire changer ces choses. Les modèles zéro-dimensionnels ne tiennent pas compte de la répartition de la température sur la terre ou des facteurs qui déplacent l’énergie sur la terre.

Modèles radiatifs-convectifs

Le modèle zéro dimension ci-dessus, utilisant la constante solaire et la température terrestre moyenne donnée, détermine l’émissivité terrestre effective du rayonnement à ondes longues émis vers l’espace. Cela peut être affiné verticalement en un modèle radiatif-convectif unidimensionnel, qui considère deux processus de transport d’énergie :

• transfert radiatif ascendant et descendant à travers les couches atmosphériques qui absorbent et émettent à la fois le rayonnement infrarouge
• transport ascendant de la chaleur par convection (particulièrement important dans la basse troposphère ).

Les modèles radiatifs-convectifs présentent des avantages par rapport au modèle simple : ils permettent de déterminer les effets de variations des concentrations de gaz à effet de serre sur l’émissivité effective et donc sur la température de surface. Mais des paramètres supplémentaires sont nécessaires pour déterminer l’émissivité et l’albédo locaux et traiter les facteurs qui déplacent l’énergie sur la terre.

Effet de la rétroaction glace-albédo sur la sensibilité globale dans un modèle climatique unidimensionnel radiatif-convectif. ^{[10] [11] [12]}

Modèles de plus grande dimension

Le modèle de dimension zéro peut être élargi pour considérer l’énergie transportée horizontalement dans l’atmosphère. Ce type de modèle peut très bien faire l’ objet d’une moyenne zonale . Ce modèle a l’avantage de permettre une dépendance rationnelle de l’albédo local et de l’émissivité à la température – les pôles peuvent être glacés et l’équateur chaud – mais l’absence de véritable dynamique oblige à spécifier les transports horizontaux. ^[13]

EMICs (Modèles du système terrestre de complexité intermédiaire)

Selon la nature des questions posées et les échelles de temps pertinentes, il existe, à l’un extrême, des modèles conceptuels, plus inductifs, et, à l’autre extrême, des modèles de circulation générale fonctionnant à la résolution spatiale et temporelle la plus élevée actuellement possible. Les modèles de complexité intermédiaire comblent le fossé. Un exemple est le modèle Climber-3. Son atmosphère est un modèle statistique-dynamique à 2,5 dimensions avec une résolution de 7,5° × 22,5° et un pas de temps d’une demi-journée ; l’océan est MOM-3 ( Modular Ocean Model ) avec une grille de 3,75° × 3,75° et 24 niveaux verticaux. ^[14]

MCG (modèles climatiques globaux ou modèles de circulation générale)

Les modèles de circulation générale (MCG) discrétisent les équations du mouvement des fluides et du Transfert d’énergie et les intègrent dans le temps. Contrairement aux modèles plus simples, les GCM divisent l’atmosphère et/ou les océans en grilles de “cellules” discrètes, qui représentent des unités de calcul. Contrairement aux modèles plus simples qui font des hypothèses de mélange, les processus internes à une cellule – comme la convection – qui se produisent à des échelles trop petites pour être résolues directement sont paramétrés au niveau de la cellule, tandis que d’autres fonctions régissent l’interface entre les cellules.

Les GCM atmosphériques (AGCM) modélisent l’atmosphère et imposent les températures de surface de la mer comme conditions aux limites. Les MCG couplés atmosphère-océan (AOGCM, par exemple HadCM3 , EdGCM , GFDL CM2.X , ARPEGE-Climat) ^[15] combinent les deux modèles. Le premier modèle climatique de circulation générale qui combinait à la fois les processus océaniques et atmosphériques a été développé à la fin des années 1960 au laboratoire de dynamique des fluides géophysiques de la NOAA ^[16]. Les AOGCM représentent le summum de la complexité des modèles climatiques et internalisent autant de processus que possible. Cependant, ils sont encore en cours de développement et des incertitudes subsistent. Ils peuvent être couplés à des modèles d’autres processus, tels que lecycle du carbone , afin de mieux modéliser les effets de rétroaction. Ces modèles multisystèmes intégrés sont parfois appelés « modèles de système terrestre » ou « modèles climatiques mondiaux ».

Recherche et développement

Il existe trois principaux types d’institutions où les modèles climatiques sont développés, mis en œuvre et utilisés :

• Services météorologiques nationaux. La plupart des services météorologiques nationaux ont une section de climatologie .
• Les universités. Les départements concernés comprennent les sciences de l’atmosphère, la météorologie, la climatologie et la géographie.
• Laboratoires de recherche nationaux et internationaux. Les exemples incluent le National Center for Atmospheric Research (NCAR, à Boulder, Colorado , USA), le Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL, à Princeton, New Jersey , USA), le Los Alamos National Laboratory , le Hadley Center for Climate Prediction and Research ( à Exeter , Royaume-Uni), l’ Institut Max Planck de météorologie à Hambourg, en Allemagne, ou le Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement (LSCE), en France, pour n’en citer que quelques-uns.

Le Programme mondial de recherche sur le climat (PMRC), hébergé par l’ Organisation météorologique mondiale (OMM), coordonne les activités de recherche sur la modélisation du climat dans le monde entier.

Un rapport de 2012 du Conseil national de la recherche des États-Unis a expliqué comment l’entreprise de modélisation climatique vaste et diversifiée des États-Unis pourrait évoluer pour devenir plus unifiée. ^[17] Des gains d’efficacité pourraient être obtenus en développant une infrastructure logicielle commune partagée par tous les chercheurs américains sur le climat et en organisant un forum annuel sur la modélisation du climat, selon le rapport. ^[18]

Voir également

• Réanalyse atmosphérique
• Modèle de circulation générale
• Mesure du rayonnement atmosphérique (ARM) (aux États-Unis)
• Échange de données climatiques
• Climateprediction.net
• GFDL CM2.X
• GO-ESSP
• Prévision numérique du temps
• Modèle atmosphérique statique
• Modèle de prévision des cyclones tropicaux
• Vérification et validation de modèles de simulation informatique
• Modèle CICE des glaces de mer

Modèles climatiques sur le web

• Dapper/DChart — tracez et téléchargez les données du modèle référencées par le quatrième rapport d’évaluation (AR4) du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat . (Plus disponible)
• Modèle de système climatique communautaire NCAR/UCAR (CCSM)
• Prévision climatique à faire soi-même
• GCM de recherche primaire développé par la NASA/GISS (Goddard Institute for Space Studies)
• Modèle climatique mondial (GCM) NASA/GISS original avec une interface conviviale pour PC et Mac
• Informations sur le modèle CCCma et interface pour récupérer les données du modèle
• NOAA/Geophysical Fluid Dynamics Laboratory CM2 Informations sur le Modèle climatique mondial et fichiers de données de sortie du modèle
• AGCM sec idéalisé basé sur le GFDL CM2 ci-dessus ^[19]
• Modèle d’Atmosphère Humide Idéalisée (MiMA) : basé sur GFDL CM2. Complexité entre les modèles secs et les MCG complets ^[20]
• Modèle climatique mondial de l’Université de Victoria , téléchargeable gratuitement. Le chercheur principal était un auteur de contribution à un rapport d’ IPCC sur le changement climatique.
• vimeo.com/user12523377/videos Visualisations des modèles climatiques de l’ETH Zurich
• Modèle climatique empirique archivé le 24 mars 2019 sur la Wayback Machine

Références

1. ^ GIEC (2014). “Rapport de synthèse AR5 – Changement climatique 2014. Contribution des groupes de travail I, II et III au cinquième rapport d’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat” (PDF) : 58. Encadré 2.3. Les « modèles » sont généralement des simulations numériques de systèmes du monde réel, calibrés et validés à l’aide d’observations d’expériences ou d’analogies, puis exécutés à l’aide de données d’entrée représentant le climat futur. Les modèles peuvent également inclure des récits largement descriptifs d’avenirs possibles, tels que ceux utilisés dans la construction de scénarios. Les modèles quantitatifs et descriptifs sont souvent utilisés ensemble. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)
2. ^ Sarmiento, JL; Toggweiler, JR (1984). “Un nouveau modèle pour le rôle des océans dans la détermination du P CO 2 atmosphérique”. Nature . 308 (5960): 621–24. Bibcode : 1984Natur.308..621S . doi : 10.1038/308621a0 . S2CID 4312683 .
3. ^ Goode, PR; et coll. (2001). “Observations Earthshine de la réflectance de la Terre” (PDF) . Géophys. Rés. Lett . 28 (9) : 1671–4. Bibcode : 2001GeoRL..28.1671G . doi : 10.1029/2000GL012580 .
4. ^ “Les scientifiques regardent le côté obscur de la Lune pour surveiller le climat de la Terre” . Union géophysique américaine . 17 avril 2001.
5. ^ [1] Archivé le 18 février 2013 à la Wayback Machine
6. ^ “Échantillons d’eau de mer – Émissivités” . ucsb.edu .
7. ^ Jin M, Liang S (15 juin 2006). “Un paramètre d’émissivité de surface terrestre amélioré pour les modèles de surface terrestre utilisant des observations de télédétection mondiale” (PDF) . J. Climat . 19 (12): 2867–81. Bibcode : 2006JCli…19.2867J . doi : 10.1175/JCLI3720.1 .
8. ^ TR Expéditeur; SA Clough ; PD Brown ; WL Smith; RO Knutson ; SA Ackermann. “Émissivités spectrales des nuages ​​​​de LBLRTM / AERI QME” (PDF) . Actes de la huitième réunion de l’équipe scientifique sur la mesure du rayonnement atmosphérique (ARM) Mars 1998 Tucson, Arizona .
9. ^ AG Gorelik; V. Sterljadkin; E. Kadygrov; A. Koldaev. “Radiométrie micro-ondes et IR pour l’estimation de l’équilibre radiatif atmosphérique et de la formation de glace de mer” (PDF) . Actes de la onzième réunion de l’équipe scientifique sur la mesure du rayonnement atmosphérique (ARM) Mars 2001 Atlanta, Géorgie .
10. ^ “Pubs.GISS: Wang et Stone 1980: Effet de la rétroaction glace-albédo sur la sensibilité globale dans un unidimensionnel …” nasa.gov . Archivé de l’original le 30 juillet 2012.
11. ^ Wang, WC; Pierre PH (1980). “Effet de la rétroaction glace-albédo sur la sensibilité globale dans un modèle climatique unidimensionnel radiatif-convectif” . J.Atmos. Sci . 37 (3): 545–52. Bibcode : 1980JAtS…37..545W . doi : 10.1175/1520-0469(1980)037<0545:EOIAFO>2.0.CO;2 .
12. ^ “Changement climatique 2001 : La base scientifique” . grida.no . Archivé de l’original le 25 mars 2003.
13. ^ “Modèles d’équilibre énergétique” . shodor.org .
14. ^ “emics1” . pik-potsdam.de .
15. ^ [2] Archivé le 27 septembre 2007 à la Wayback Machine
16. ^ “NOAA 200th Top Tens : Percées : Le premier modèle climatique” . NOAA.gov .
17. ^ “Rapport du Conseil national de la recherche des États-Unis, Une stratégie nationale pour faire progresser la modélisation du climat ” . Archivé de l’original le 3 octobre 2012 . Récupéré le 18 janvier 2021 .
18. ^ “Rapport en bref du Conseil national de la recherche des États-Unis, Une stratégie nationale pour faire progresser la modélisation du climat ” . Archivé de l’original le 18 octobre 2012 . Récupéré le 3 octobre 2012 .
19. ^ M. Jucker, S. Fueglistaler et GK Vallis “Réchauffements soudains stratosphériques dans un GCM idéalisé”. Journal of Geophysical Research : Atmosphères 2014 119 (19) 11 054-11 064 ; doi : 10.1002/2014JD022170
20. ^ M. Jucker et EP Gerber : “Démêler le cycle annuel de la couche de tropopause tropicale avec un modèle humide idéalisé”. Journal du climat 2017 30 (18) 7339-7358 ; doi : 10.1175/JCLI-D-17-0127.1

Bibliographie

• Roulstone, Ian; Norbury, John (2013). Invisible in the Storm : le rôle des mathématiques dans la compréhension de la météo . Presse universitaire de Princeton.

Liens externes

Le Wikibook Historical Geology a une page sur le thème: Modèles climatiques

• Projet d’intercomparaison de modèles couplés
• Sur les rétroactions radiatives et dynamiques sur la langue froide du Pacifique équatorial
• Calculs de base du rayonnement – La découverte du réchauffement climatique
• Henderson-Sellers, A.; Robinson, PJ (1999). Climatologie contemporaine . New York : Longman. ISBN 978-0-582-27631-4. Archivé de l’original le 28 septembre 2007.
• Site Web Climate Modeling 101 du National Research Council des États -Unis — Ce site est une introduction au fonctionnement des modèles climatiques. Les informations sont basées sur des rapports d’experts consensuels du Conseil des sciences de l’atmosphère et du climat du Conseil national de la recherche des États-Unis. Le plus récent est A National Strategy for Advancing Climate Modeling Archivé le 3 octobre 2012 sur Wayback Machine .
• Pourquoi les résultats de la prochaine génération de modèles climatiques sont importants CarbonBrief, Guest post by Belcher, Boucher, Sutton, 21 mars 2019
• Builder Insight – Modélisation du climat futur dans les bâtiments à refroidissement passif

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