MODÉLISATION DU CLIMAT

Des simulations numériques pour la prévision météorologique et l’étude du climat

Les modèles de circulation générale « tournent » sur de puissants ordinateurs pour réaliser des simulations numériques. En plus du codage traduisant informatiquement les équations discrétisées du modèle, il faut spécifier des valeurs numériques pour chaque maille. On précise, d’une part, les conditions initiales, à savoir une valeur numérique pour chacune des variables atmosphériques et de surface à un instant initial. On impose, d’autre part, des grandeurs qui ne dépendent pas de l’état de l’atmosphère (appelées conditions aux limites) : l’altitude de la surface, sa capacité à réfléchir le rayonnement solaire (albédo), la hauteur typique des obstacles pour la turbulence... Si le modèle n’est pas couplé à un modèle d’océan (qui calcule l’évolution des processus océaniques), on intégrera aussi dans les conditions aux limites les températures de surface des océans et leur évolution jour après jour. Ces simulations numériques sont utilisées aussi bien pour la prévision météorologique que pour l’étude du climat : seule la façon de les utiliser diffère.

Pour les prévisions météorologiques, un soin très important est apporté à la définition de l’état initial et les simulations représentent au maximum une quinzaine de jours. On sait en effet qu’au-delà de cet horizon les prévisions divergent : une perturbation même infime des conditions initiales aboutira à une situation météorologique complètement différente localement. En pratique, les conditions initiales des prévisions météorologiques sont obtenues par des techniques mathématiques d’assimilation des données qui permettent de corriger la prévision du jour précédent par toutes les observations disponibles depuis vingt-quatre heures.

Pour étudier le climat, on réalise des simulations sur une échelle de temps beaucoup plus longue que cet horizon de prévisibilité, allant de plusieurs années jusqu’à des milliers d’années. On ne se soucie plus alors de l’état initial, et il ne s’agit plus de prédire le temps qu’il fera tel jour sur telle région. On dira que le modèle est en accord avec le climat observé s’il le reproduit de façon statistique : le cumul des pluies sur l’année, une bonne saisonnalité des températures, un bon contraste entre des étés plus ou moins chauds et pluvieux, etc.

Ainsi, deux simulations partant d’un état initial très proche suivront une histoire météorologique différente (en donnant des prévisions météorologiques non semblables) tout en simulant le même climat.

Des modèles pour une meilleure compréhension du climat

Les modèles numériques sont essentiels pour comprendre le fonctionnement de la météorologie et du climat. On peut expliquer certains éléments observés de la circulation atmosphérique sur la base de théories physiques, mais seule la modélisation permet de vérifier si tel mécanisme est effectivement la bonne explication d’un phénomène climatique observé, une fois prises en compte les interactions entre tous les phénomènes impliqués (ce que l’on appelle communément le système climatique). En confrontant les résultats de simulations avec[...]