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Pas de COP21 sans eux : découvrez les simulateurs du climat

Enquête Les modèles de simulation climatique ont servi de base aux conclusions du rapport du Giec. Des équipes de chercheurs à travers le monde s’efforcent de les compléter et de les améliorer.
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Pas de COP21 sans eux : découvrez les simulateurs du climat
Selon les calculs de scientifiques de Princeton, voici l’évolution prévue des moyennes de précipitations d’ici à la fin du XXIe siècle.

Aucun d’entre eux n’apparaîtra à la tribune de la COP21 et ne prendra de décisions pour l’avenir de la planète. Mais rien ne peut se faire sans eux… Des centaines de chercheurs et d’ingénieurs travaillent à travers le monde pour modéliser l’évolution du climat. Autrement dit, mettre en équations tous les phénomènes liés au climat qui règne sur le globe terrestre. Le but est de prévoir, après de longs calculs avec les ordinateurs les plus puissants au monde, l’évolution probable des températures et des précipitations sur 20 ans, 50 ans, un siècle…

 

prévoir l'évolution des températures et précipitations ...

Un travail largement coopératif, vu l’ampleur de la tâche et parce qu’il s’agit de combiner de nombreuses simulations. Celles-ci portent sur l’atmosphère du globe, les terres émergées (avec le relief et la végétation), les océans et la banquise, mais aussi les nuages, les poussières dans l’atmosphère, sans oublier le CO2 et les autres gaz à effet de serre. Autant de spécialistes qui s’efforcent de valider leurs modèles, et de les coupler.

 

"Les premiers modèles atmosphériques sont nés dans les années 1960, dérivés de ceux développés pour la météo. Les modèles océaniques simplifiés existaient dès les années 1970, mais ce n’est qu’à partir de 1990 qu’ils ont été étendus en 3D", raconte Michel Déqué, chercheur au Centre national de recherches météorologiques (Météo France).

 

20 à 30 modèles à combiner

Le couplage entre les modèles atmosphériques et océaniques est aujourd’hui possible, grâce à la puissance croissante des ordinateurs. Et sa mise au point a été stimulée par la demande du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (Giec) : impossible de calculer un réchauffement de la planète lié au CO2 sans un modèle couplé atmosphère - océan. Ce noyau de base de la simulation du climat est au cœur des 20 à 30 modèles climatiques existants à travers le monde.

 

En France, la communauté des chercheurs s’est structurée autour de deux modèles globaux : celui de Météo France, et celui de l’institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL), qui regroupe neuf laboratoires spécialisés dans l’environnement. D’autres groupes de recherche importants se sont constitués aux États-Unis, le National center for atmospheric research (Colorado) et le Geophysical fluid dynamics laboratory (Université de Princeton, New Jersey) ; au Royaume-Uni, avec le Hadley center for climate prediction and research ; en Allemagne, avec le Max Planck institute for meteorology.

 

DES DIVERGENCES ENTRE LES "MAILLES" DES CHERCHEURS

Sur le cœur de la modélisation, pas de divergences radicales entre les équipes, même si chacune a sa manière de découper l’atmosphère pour le calcul. Par exemple, en créant un maillage dans lequel chaque "maille" est un parallélépipède de 100 à 200 km sur deux côtés, mais d’épaisseur toujours plus fine à mesure que l’on se rapproche de la surface du globe. À l’intérieur de chaque maille, les paramètres (température, vitesse du vent…) ont une valeur moyenne, et c’est elle que l’on fera varier au cours du temps pour simuler l’évolution du climat.

 

Les laboratoires développent aussi de nombreux modèles spécifiques pour les glaciers, les aérosols, l’évolution de la végétation… Ils ne sont pour l’instant pas intégrés dans les modèles climatiques ou le sont sous une forme simplifiée. "Vouloir tout coupler n’est pas forcément intéressant, ni pour une utilisation optimale des moyens de calcul, ni pour celle des budgets", estime Michel Déqué.

 

des équations empiriques pour les Phénomènes "Sous-maille"

Les chercheurs ont déjà fort à faire avec des divergences régulièrement constatées entre leurs modèles, notamment lors des campagnes d’intercomparaison internationales [lire ci-dessous]. Ils ont identifié d’où vient le problème : ce sont les phénomènes dits "sous-maille", qui jouent un rôle clé à une échelle plus petite que celle des mailles utilisées. Échanges radiatifs, turbulences de l’air dans la couche proche de la surface du globe, rôle des nuages et des aérosols…

 

La théorie ne suffit pas pour fonder les calculs. Les chercheurs doivent compléter leurs modèles avec des équations empiriques, améliorées peu à peu à partir de résultats de mesures et d’observations. Les nuages, en particulier, dont il existe de grandes surfaces au-dessus des océans, tiennent un rôle clé. "Leur impact est significatif sur l’évolution de la température du globe, mais leur rôle est encore mal connu. C’est l’origine d’une bonne part des dispersions entre les résultats obtenus par les différents modèles climatiques", affirme Jean-Yves Grandpeix, chercheur au Laboratoire de météorologie dynamique (LMD), une unité mixte implantée sur trois sites : à l’École polytechnique à Palaiseau (Essonne), à l’École normale supérieure et à l’université Pierre-et-Marie-Curie, à Paris.

 

Améliorer la précision des données à combiner

Ce constat a débouché dès 2007 sur des campagnes de mesures satellitaires des nuages, dont les résultats commencent à être pris en compte. Ici, comme pour les autres phénomènes "sous-maille", chaque équipe s’efforce d’affiner ses modèles en faisant des allers et retours entre les mesures recueillies et les valeurs qui étaient attendues.

 

Autre défi pour les climatologues : affiner leurs calculs, autrement dit, réduire la taille des mailles. Ce qui suppose d’avoir des programmes de simulation capables d’exploiter au mieux la puissance des supercalculateurs, en distribuant ces calculs sur de nombreux processeurs en parallèle. C’est pourquoi, aux côtés des physiciens, des équipes d’informaticiens (20 à 30 personnes à l’institut Pierre-Simon-Laplace) jouent désormais un rôle clé pour transformer les modèles climatiques en code de simulation efficace. 

Un banc d’essai planétaire

Depuis 1995, les chercheurs en modélisation du climat ont pris l’habitude de comparer leurs résultats. Tous les cinq ou six ans, les projets CMIP (Coupled model intercomparaison project) invitent les équipes du monde entier à faire tourner leurs modèles sur des scénarios communs. Afin d’évaluer leurs performances, leurs divergences aussi, et de faire ainsi progresser la science du climat.

Les simulations réalisées pour le CMIP5 ont servi de base aux conclusions du cinquième rapport du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (Giec), en 2013. Les chercheurs préparent un CMIP6, dont les scénarios sont en cours de définition. Cette fois, un petit nombre de simulations permettront de poursuivre la comparaison entre les cœurs des différents modèles, tandis qu’une série de tests sera consacrée à des modèles spécialisés, par exemple sur l’effet des aérosols. Les exercices doivent démarrer pendant les années 2016-2017. Ils seront suivis de plusieurs années de travail pour exploiter les résultats. 

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