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La modélisation du climat par le calcul scientifique

Comment simuler, dans la mémoire d’un ordinateur, la séquence d’états rencontrés par l’atmosphère, les océans et les surfaces terrestres? C’est le formidable défi qui est entrepris par les scientifiques et les ingénieurs Cerfacs pour comprendre le climat actuel et futur.

La méthode consiste à traduire en langage informatique les données terrestres (intensité du rayonnement solaire, vitesse de rotation, forme des continents, compositions de l’océan et l’atmosphère…), ainsi que les lois physiques (conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie, thermodynamique, transfert radiatif…). Les grandeurs physiques telles que la température, les vents ou les courants, l’humidité ou la salinité sont représentés par des millions de valeurs numériques sur les grilles spatiales tri-dimensionnelles couvrant à la fois l’atmosphère et les océans. Un ensemble d’équations d’évolution, appelé « le modèle », est utilisé pour faire progresser ces champs sur un pas de temps de l’ordre d’un quart d’heure. L’ordinateur doit être au moins un millier de fois plus rapide que le temps réel pour effectuer des simulations numériques décennales (i.e. de l’ordre de 1 à 10 ans) du climat en moins d’un mois.

coupledModel

Figure: Les composants de modèle du système climatique couplé avec le coupleur OASIS.

En pratique, il existe plusieurs modèles distincts pour simuler chaque composante du système climatique, tels que ARPEGE comme modèle atmosphérique, NEMO comme modèle océanique, GELATO pour un modèle de glace de mer, SURFEX, ISBA et TRIP pour les modèles traitant des processus terrestres. Dans une première phase, ces modèles sont développés séparément par les centres de recherche ou des équipes se concentrant sur des sujets spécifiques. Dans une deuxième phase, ces modèles doivent être couplés par des échanges de données à leur interface, comme les flux de masse, de quantité de mouvement ou d’énergie. Pour réaliser cette tâche, le Cerfacs a développé le coupleur OASIS, un logiciel qui assure des échanges de données sur les ordinateurs massivement parallèles. Ce coupleur est utilisé dans le monde entier pour un grand nombre de modèles climatiques.

Dans une troisième phase, le modèle couplé climatique est exécuté sur les ordinateurs les plus puissants pour simuler des séquences d’états de l’atmosphère, des océans et des surfaces terrestres sur des décennies ou des siècles. Aucune d’entre elles ne peut correspondre exactement à la succession des régimes de temps enregistrés par le météorologue. En effet, une petite différence dans les conditions initiales conduit à de grandes différences dans l’évolution de l’atmosphère après une période de l’ordre du mois, en raison du comportement chaotique intrinsèque du système. Mais l’objectif est de reproduire les mêmes propriétés statistiques que celles qui ont été observées, telles que la température moyenne d’une région donnée pour un mois particulier ou la même variabilité entre les jours froids et chauds. Pour des échelles de temps plus longues, les scientifiques du climat veulent que leur modèle simule les refroidissements qui font suite aux éruptions volcaniques ou le réchauffement de la planète dû à l’augmentation des gaz à effet de serre. Le but est atteint grâce à une amélioration permanente de la physique et de la dynamique de toutes les composantes du modèle. L’augmentation de la taille de la grille, rendue possible grâce à la progression des capacités informatiques, aide beaucoup dans ce processus.

Lorsqu’un modèle a prouvé sa capacité à reproduire le climat observé jusqu’à nos jours, il peut être utilisé pour participer au rapport scientifique du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC). Les meilleurs centres de climat de la planète joignent leurs efforts pour répondre à plusieurs questions majeures telles que les changements climatiques pour divers scénarios d’émissions à effet de serre ou la capacité à prédire le climat une ou plusieurs décennies à l’avance. Le Cerfacs participe activement à ces défis scientifiques et techniques, en collaboration avec Météo-France.

Voir aussi : Modéliser le climat grâce au calcul scientifique, The Conversation, 15 décembre 2016

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