HPC pour la modélisation des liaisons de transport climat-air : CLIMAIR

Contexte général

Il est aujourd’hui bien établi que l’aviation a un impact sur le climat à travers les émissions de CO2 et d’autres gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère, et la réflexion/absorption du rayonnement solaire. Selon les estimations actuelles, le secteur de l’aviation représente environ 5 % du forçage radiatif anthropique total. Cette quantité pourrait fortement augmenter étant donné la croissance observée d’environ 2% par an du secteur de l’aviation, et le doublement de la flotte mondiale prévu pour les deux prochaines décennies. Si la contribution en CO2 émise par le transport aérien est connue avec une assez bonne précision, des incertitudes importantes subsistent quant aux autres impacts du secteur de l’aviation. En particulier, la formation de traînées de condensation (contrails) a fait l’objet d’une attention récente, car les évaluations les plus récentes montrent que le forçage radiatif induit par les contrails pourrait être du même ordre de grandeur que celui induit par le rejet de CO2 provenant de la combustion du kérosène.

Alors que les impacts du transport aérien sur le climat ont fait l’objet d’une attention considérable et continue dans la littérature de recherche, les impacts du changement climatique sur le secteur de l’aviation ont été beaucoup moins étudiés. Les impacts du changement climatique sur l’aviation sont multiples : les études de modélisation climatique ont montré que l’augmentation des températures diminuera la densité de l’air et, par conséquent, la portance générée, entraînant une distance de décollage plus longue et un taux de montée plus faible. Il a également été démontré que les changements des conditions atmosphériques dans la haute troposphère peuvent avoir un impact sur la durée des itinéraires de vol long-courrier. En outre, en raison des changements différentiels dans la structure verticale de la température atmosphérique, la turbulence dans le ciel clair devrait augmenter au cours du 21e siècle. Les effets du changement climatique sur l’aviation ne sont actuellement pas très bien compris et doivent être mieux étudiés et quantifiés, car le changement climatique peut imposer des risques supplémentaires et une adaptation coûteuse à l’industrie et aux transports aériens. Il s’agit d’un sujet relativement nouveau et prometteur, avec de nombreuses questions ouvertes.

Objectifs

L’évaluation, la compréhension et la quantification des impacts i) du transport aérien sur le climat et ii) du climat et de son changement sur le transport aérien nécessitent une approche multidisciplinaire, incluant des chercheurs de différentes disciplines (climat, CFD, aérodynamique) qui combineront différents outils (modèles climatiques, modèles CFD).

Thèmes de recherche

Le CERFACS, en collaboration avec Météo-France/CNRM, ONERA et d’autres laboratoires de recherche nationaux (LMD, IPSL) a contribué au développement de nouvelles méthodologies et à l’amélioration des modèles d’atmosphère et de chimie pour étudier l’impact du transport aérien sur le climat (projets IMPACT et TC2). Notre prochain objectif sera de mieux comprendre et quantifier la contribution des traînées de condensation au forçage radiatif de l’atmosphère.

Le CERFACS a également entrepris l’étude de l’impact du changement climatique sur le transport aérien en dirigeant le projet ICCA financé par la fondation STAE. ICCA est une équipe de recherche multidisciplinaire réunissant des chercheurs en climatologie et en CFD du CERFACS et d’autres laboratoires de recherche (Météo-France, ENAC, ISAE, ONERA) et des entreprises privées (AIRBUS). Nous avons commencé une thèse de doctorat pluridisciplinaire pour étudier l’impact de l’évolution future des hautes températures sur les performances de décollage, en utilisant des simulations climatiques de pointe à haute résolution spatiale et des modèles de combustion simplifiés. Nous avons également soumis à la DGAC une nouvelle proposition, TEMPEXTRA, pour évaluer les nombreux impacts des températures extrêmes dans les aéroports d’un point de vue multidisciplinaire. Nous considérerons différents aéroports et avions AIRBUS. Notre objectif pour les prochaines années est d’aller plus loin et de combiner les conditions climatiques avec des modèles de moteurs simplifiés et des modèles de combustion plus complexes (AVBP) afin d’évaluer l’impact du changement climatique sur les performances des moteurs et les émissions de polluants. En effet, le transport aérien a également un effet sur la qualité de l’air, en particulier au-dessus des aéroports et des zones les plus proches. L’évaluation de la pollution atmosphérique locale due au trafic aérien est une question importante du point de vue de la santé humaine. Dans des conditions de température élevée, le décollage des avions peut entraîner une augmentation des émissions de polluants tels que les NOx, le CO ou la suie. Le CERFACS en collaboration avec l’ONERA et l’INERIS a participé activement au projet MOSIQAA, financé par la DGAC, dont l’objectif était i) de mieux caractériser et quantifier l’impact des émissions au niveau local et régional, et ii) de déterminer les liens entre les conditions atmosphériques et les pics de pollution dans un aéroport d’étude et ses environs. Les résultats de MOSIQAA peuvent être utilisés dans le contexte du changement climatique pour évaluer les liens entre les émissions des avions et la qualité de l’air.

Écosystème de recherche

Les travaux au sein du thème CLIMAIR nécessitent de fortes interactions avec les axes stratégiques Couplage, Exascale et IA/Science des données et UQ au Cerfacs, ainsi qu’avec les partenaires extérieurs. En termes d’actionnaires, nous poursuivrons nos collaborations étroites avec Météo-France/CNRM (modélisation et observations du climat et de la chimie), EDF (outils statistiques pour caractériser les phénomènes climatiques, en particulier les événements extrêmes) et l’ONERA (qualité de l’air). Nous avons également entamé de nouvelles collaborations avec AIRBUS. Dans le cadre des projets ICCA et TEMPEXTRA, nous avons renforcé nos collaborations avec d’autres institutions de recherche à Toulouse (ISAE, ENAC).