“paleoclimatique_t2” — 2013/10/24 — 11:38 — page 148 — #171
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Paléoclimatologie
4.3 Les contours d’un modèle de climat
4.3.1 Choix d’un sous-ensemble du système climatique :
modèle et conditions aux limites
En pratique, il n’est ni possible (ni peut-être même souhaitable) de disposer d’un modèle mathématique qui simulerait l’ensemble de tous les phénomènes susceptible d’interagir avec le climat et de le modifier, c’est-à-dire
non seulement l’atmosphère et l’océan, mais aussi, la biosphère terrestre et
marine, les cycles biogéochimiques, la dynamique des calottes de glace, l’hydrologie et l’érosion continentale. . . La première difficulté est donc de choisir
un sous-ensemble pertinent, qui va définir les variables du modèle, et faire
l’objet d’une évolution temporelle donnée par un système d’équations d’évolution, comme plus haut en (4.1). Le reste devra être imposé, c’est-à-dire
choisi comme conditions aux limites ou forçages. Par exemple, lorsque les
modèles couplés océan-atmosphère sont utilisés pour simuler des périodes de
temps passées, il faut typiquement leur imposer : 1) tout ce qui concerne les
surfaces continentales, en particulier la végétation, la forme des calottes de
glace, d’éventuels changement de topographie. . . ; 2) tout ce qui concerne les
concentrations atmosphériques, notamment en gaz à effet de serre, mais aussi,
si besoin, les poussières et autres aérosols ; 3) les changements dans les paramètres orbitaux de la Terre. On s’intéressera alors à la réponse du système
océan-atmosphère à ces conditions aux limites, soit prises toutes ensemble
afin d’obtenir une simulation réaliste du climat, soit prises séparément afin
d’étudier le rôle de chacune d’elles séparément. On parlera alors d’expérience
de sensibilité.
4.3.2 Couplages entre plusieurs composantes
De façon générale, suivant la question scientifique qui est abordée, et suivant les moyens de calcul disponibles avec les ordinateurs actuels, il faut donc
avant tout identifier la partie du système qui sera explicitement représentée
par le modèle. Si l’on souhaite, par exemple, représenter l’évolution des calottes de glace sous l’influence des changements dans les paramètres orbitaux
de la Terre, il sera nécessaire de se focaliser sur un modèle qui représentera
explicitement la dynamique des calottes de glace. Néanmoins, lorsque l’on se
focalise sur les composantes rapides (océan-atmosphère), il est assez légitime
de fixer les composantes lentes du système, en imposant celles-ci comme conditions aux limites. L’inverse n’est pas vrai. Ainsi, l’évolution des calottes de
glace n’a de sens qu’en interaction avec un système climatique qui lui-même
va devoir changer. C’est ici que réside une des difficultés principales de la
modélisation du climat sur de grandes échelles de temps (passées ou futures).
Comment calculer de façon cohérente les interactions (échanges d’énergie, de
matière. . . ) entre des objets physiques ayant des constantes de temps aussi
différentes ? Plusieurs stratégies sont possibles.
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Paléoclimatologie
4.3 Les contours d’un modèle de climat
4.3.1 Choix d’un sous-ensemble du système climatique :
modèle et conditions aux limites
En pratique, il n’est ni possible (ni peut-être même souhaitable) de disposer d’un modèle mathématique qui simulerait l’ensemble de tous les phénomènes susceptible d’interagir avec le climat et de le modifier, c’est-à-dire
non seulement l’atmosphère et l’océan, mais aussi, la biosphère terrestre et
marine, les cycles biogéochimiques, la dynamique des calottes de glace, l’hydrologie et l’érosion continentale. . . La première difficulté est donc de choisir
un sous-ensemble pertinent, qui va définir les variables du modèle, et faire
l’objet d’une évolution temporelle donnée par un système d’équations d’évolution, comme plus haut en (4.1). Le reste devra être imposé, c’est-à-dire
choisi comme conditions aux limites ou forçages. Par exemple, lorsque les
modèles couplés océan-atmosphère sont utilisés pour simuler des périodes de
temps passées, il faut typiquement leur imposer : 1) tout ce qui concerne les
surfaces continentales, en particulier la végétation, la forme des calottes de
glace, d’éventuels changement de topographie. . . ; 2) tout ce qui concerne les
concentrations atmosphériques, notamment en gaz à effet de serre, mais aussi,
si besoin, les poussières et autres aérosols ; 3) les changements dans les paramètres orbitaux de la Terre. On s’intéressera alors à la réponse du système
océan-atmosphère à ces conditions aux limites, soit prises toutes ensemble
afin d’obtenir une simulation réaliste du climat, soit prises séparément afin
d’étudier le rôle de chacune d’elles séparément. On parlera alors d’expérience
de sensibilité.
4.3.2 Couplages entre plusieurs composantes
De façon générale, suivant la question scientifique qui est abordée, et suivant les moyens de calcul disponibles avec les ordinateurs actuels, il faut donc
avant tout identifier la partie du système qui sera explicitement représentée
par le modèle. Si l’on souhaite, par exemple, représenter l’évolution des calottes de glace sous l’influence des changements dans les paramètres orbitaux
de la Terre, il sera nécessaire de se focaliser sur un modèle qui représentera
explicitement la dynamique des calottes de glace. Néanmoins, lorsque l’on se
focalise sur les composantes rapides (océan-atmosphère), il est assez légitime
de fixer les composantes lentes du système, en imposant celles-ci comme conditions aux limites. L’inverse n’est pas vrai. Ainsi, l’évolution des calottes de
glace n’a de sens qu’en interaction avec un système climatique qui lui-même
va devoir changer. C’est ici que réside une des difficultés principales de la
modélisation du climat sur de grandes échelles de temps (passées ou futures).
Comment calculer de façon cohérente les interactions (échanges d’énergie, de
matière. . . ) entre des objets physiques ayant des constantes de temps aussi
différentes ? Plusieurs stratégies sont possibles.