Panthou G., Vrac M., Drobinski P., Bastin S., Li L., 2018: Impact of model resolution and Mediterranean Sea coupling on hydrometeorological extremes in RCMs in the HyMeX and MED-CORDEX. Clim. Dyn., 51, 915-932
Climats régionaux et régionalisation du climat
Résumés
Une très grande variété de climats existe sur la Terre et des méthodes dédiées sont nécessaires pour comprendre leur variabilité et évolution dans un contexte de réchauffement climatique global. Au LMD, sont développées des approches numériques pour étudier les climats régionaux. Il s’agit historiquement du modèle global zoomé LMDZ et plus récemment du modèle régional du système Terre Reg-IPSL. Ces modèles ont permis l’étude de climats de nombreuses régions du globe, telles que l’Afrique de l’Ouest, la Méditerranée, l’Amérique du Sud, l’Asie, l’Antarctique et bien d’autres. Seules les études sur la région Méditerranée ont appliqué et comparé toutes les méthodes de régionalisation développées au laboratoire et sont développées dans cet article.
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Mots-clés :
énergies renouvelables, cartographie des ressources, potentiel solaire, potentiel éolien, agrivoltaïsme, SIRTAKeywords:
renewable energies, mapping of resources, solar potential, wind potential, solar power plant, SIRTAPlan
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1Le climat de la terre se décline avant tout en climats régionaux, spécifiques à chacune des régions distinctes. En effet, une très grande diversité du climat existe sur la planète. Des études orientées vers le climat régional constituent donc une composante importante des thématiques abordées au LMD (Laboratoire de météorologie dynamique).
2Les informations sur la variabilité et l’évolution du changement climatique régional peuvent être dérivées d'une hiérarchie de différents types de modèles couvrant un large éventail d'échelles spatiales et de processus. L'application de tout modèle repose sur des hypothèses qui dépendent du modèle spécifique ainsi que de l'application.
Modèles globaux à haute résolution ou à résolution variable
3Les projections climatiques régionales sont toutes fondées sur un type de modèle global, que ce soit des modèles du système terrestre, des modèles de circulation générale couplés atmosphère-continents-océan ou les modèles de circulation générale atmosphérique uniquement. Ils sont collectivement appelés modèles globaux. Ceux-ci sont généralement utilisés pour dériver des informations climatiques aux échelles globales, tant pour les climats passés que futurs. La résolution horizontale nominale des modèles globaux est typiquement de 100 à 200 km. La résolution effective est environ trois à cinq fois plus faible. Cela limite fortement leur capacité à résoudre les détails locaux qui gouvernent les climats régionaux. Depuis le cinquième rapport du GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat), les progrès dans la réduction des biais et la fourniture de projections régionales plus crédibles par les modèles globaux ont été modérés malgré une représentation plus réaliste d'un certain nombre de processus et l'augmentation de la résolution de certains modèles. Une alternative à l'augmentation de la résolution partout est offerte par les modèles globaux à résolution variable, c'est-à-dire avec une résolution régionale plus fine. Ils ont été développés depuis les années 1970. Ils sont censés offrir la résolution la plus fine possible dans la région d'intérêt, tout en résolvant les processus climatiques à l'échelle globale (bien qu'à une résolution plus faible). C'est un domaine en développement rapide qui contribuera probablement à améliorer les projections régionales futures.
4Le modèle du climat du LMD, dès sa première génération entre 1975 et 1990, couvre la planète entière. Ceci découle de la nécessité de traiter l’atmosphère dans sa globalité pour bien mener la modélisation du climat, et pour éviter de couper artificiellement l’atmosphère globale en domaines géographiques limités. La résolution spatiale de cette première génération du modèle était assez grossière (~500 km). Sa discrétisation horizontale était à aire constante, parce que les mailles du modèle sont distribuées uniformément en sinus de latitude, et non en latitude elle-même. Cette particularité faisait que le maillage était plus serré en latitude en région tropicale permettant d’étudier plus finement la mousson tropicale. À partir du milieu des années 1980, l’équipe de Robert Sadourny a commencé à développer une nouvelle architecture pour le modèle. Cette nouvelle structure dynamique propose un maillage régulier en latitude et longitude, mais avec la possibilité de faire un zoom sur une région quelconque de la planète. Ce raffinement géographique est formulé suivant la fonction arc-tangente dans les deux directions en longitude et latitude. Cela donne une résolution assez homogène à l’intérieur du zoom, tout comme à l’extérieur, avec une zone de transition rapide entre les deux (figure 1). Cette possibilité du zoom a ouvert un chapitre important de la modélisation du climat régional au LMD et a été symbolisé par un changement de l’appellation du modèle, de LMD5, 6e version du modèle de première génération, à LMDZ. L’ambition est bien explicite dans le nom, la lettre Z indiquant cette nouvelle fonctionnalité du zoom. Ce modèle du climat global à résolution variable est devenu très vite un outil original pour mener des études du climat régional.
5Dans un second temps la fonctionnalité du guidage a été ensuite ajoutée, transformant LMDZ en véritable modèle régional (voir après). Cela permet de contraindre l’atmosphère en dehors de la zone à plus haute résolution à suivre des observations, une ré-analyse ou un autre modèle. Cette version du LMDZ zoomé et guidé a été la configuration la plus utilisée en matière de régionalisation du climat : en Amérique du sud, en Afrique, en Asie du sud, en Chine, en Europe, et en Méditerranée. La configuration conçue pour la Méditerranée a aussi été couplée avec un modèle océanique de la Méditerranée qui a permis la réalisation d’une série d’études du climat méditerranéen, du paléoclimat de la dernière interglaciaire jusqu’à l’évolution future du climat du 21e siècle sous effet du changement climatique anthropique. Des améliorations numériques ont permis d’augmenter le facteur de grossissement du zoom au-delà de 10 fois si le domaine d’étude est de taille modérée. Ainsi une version centrée sur la France métropolitaine a été élaborée avec une résolution de moins de 20 km.
6Il est à noter que des interactions d’échelles en espace et en temps existent à cause du caractère non linéaire du système climatique, et contribuent de façon significative à la variabilité du climat. Ainsi il est apparu indispensable de développer une imbrication à double-sens entre la version global et le zoom régional de LMDZ. C’est-à-dire, le modèle global pilote le modèle régional en dehors du domaine d’action du modèle régional, mais ce dernier, dans son domaine de prédilection, rétroagit sur le modèle global. Une telle configuration fournit un outil très intéressant, qui permet de mieux modéliser le climat régional en prenant en compte pleinement les interactions entre les échelles globales et régionales et les rétroactions associées.
Figure 1 : Maillage du modèle global zoomé LMDZ avec raffinement du maillage sur la région Euro-Méditerranée

7Les développements de LMDZ qui ciblent les études du climat régional ne se sont pas contentées du maillage classique en longitude et latitude. LMDZ s’est doté récemment d’un nouveau cœur dynamique DYNAMICO, avec un maillage non-structuré obtenu par subdivisions d’un icosaèdre, beaucoup plus efficace pour les supercalculateurs modernes qui sont, dans leur majorité, massivement parallèles.
Modèles climatiques régionaux
8Les modèles climatiques régionaux sont similaires aux modèles globaux, mais appliqués sur une zone limitée, mais avec une résolution horizontale plus élevée. Ils sont la base du downscaling dynamique pour produire des informations climatiques qui prennent en compte, autant que possible, des détails locaux et des processus spécifiques à cette région. Leur capacité à atteindre des résolutions kilométriques nous permet de fournir aux décideurs des information sur le changement climatique aux échelles spatiales pertinentes pour eux. Aux limites latérales, les modèles climatiques régionaux prennent leurs valeurs d'un jeu de données provenant d’un modèle global, comme LMDZ par exemple ou une re-analyse. Ces modèles sont typiquement imbriqués de manière unidirectionnelle : ils ne rétroagissent pas sur le modèle global. Un terme de relaxation dans le modèle climatique régional, ou guidage, peut augmenter la cohérence avec le modèle pilote. Le LMD a mis en œuvre depuis les années 2000, le modèle régional américain Weather Research & Forecasting Model (WRF). Il nous a permis d’étudier en détail l’impact du terme de relaxation sur la qualité des simulations régionales et de l’appliquer sur de nombreuses régions, telles que l’Amérique du Sud, l’Afrique et la Méditerranée. Les modèles climatiques régionaux nous viennent de la prévision du temps et n'incluent donc pas tous les processus possibles du système terrestre. En particulier certains processus importants comme le couplage air-mer, l’hydrologie ou la chimie de l'interaction aérosol-nuage sont négligés. Pourtant ces processus influencent généralement plus les projections climatiques régionales que leurs pendants globaux.
9Par conséquent, certains modèles climatiques régionaux ont été étendus en se couplant à des composantes supplémentaires comme des océans, une végétation interactive, des aérosols interactifs. Le LMD a commencé dans les années 2010, à coupler deux par deux le modèle WRF aux modèles océanique NEMO-MED, de surface ORCHIDEE et de chimie-transport CHIMERE développés au LMD. Ces développements se sont accélérés avec la collaboration d’autres équipes de l’IPSL aboutissant au modèle régional du système Terre Reg-IPSL. Le couplage de ces composantes permet d'examiner des processus climatiques supplémentaires comme l’impact des interactions océan/atmosphère sur les précipitations extrêmes, l’impact des interactions atmosphère/végétation sur les canicules, ou l'impact du couplage chimie/climat sur les précipitations ou climat/végétation sur les pics de pollution. Le modèle WRF va progressivement laisser place à la version régionale du cœur dynamique DYNAMICO, développée en parallèle de sa version globale.
10Les méthodes de régionalisation développées au laboratoire ont parfois été comparées pour étudier la sensibilité des variables météorologiques simulées à la résolution spatiale ou au couplage de la composante atmosphérique avec la composante océanique (figure 2).
Figure 2 : Précipitations extrêmes quotidiennes hivernales

Précipitations extrêmes quotidiennes hivernales (niveau de retour sur 10 ans) mesurées (E-OBS) et biais relatifs des simulations à partir du modèle global zoomé LMDZ couplé (MED-44-LMDZ4NEMO) ou non (MED-44-LMDZ4) avec l’océan avec une résolution horizontale de 0,44° (environ 50 km) et du modèle WRF sans couplage avec le modèle océanique NEMO avec une résolution horizontale de 0,44° (MED-44 WRF311) et de 0,18° (environ 21 km) (MED-18 WRF311) et avec l’océan couplé (MED-44 WRF311NEMO et MED-18 WRF311NEMO).
© D’après Panthou et al. (2018)
11La convergence des approches globales zoomées et régionales par l’utilisation d’un cœur dynamique commun DYNAMICO, développé au LMD, devrait permettre une meilleure analyse des interactions entre des phénomènes météorologiques dont les échelles spatiales varient considérablement, du millimètre pour les phénomènes turbulents à plusieurs dizaines de milliers de kilomètres pour la circulation planétaire.
Table des illustrations
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Titre | Figure 1 : Maillage du modèle global zoomé LMDZ avec raffinement du maillage sur la région Euro-Méditerranée |
URL | http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/11458/img-1.gif |
Fichier | image/gif, 76k |
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Titre | Figure 2 : Précipitations extrêmes quotidiennes hivernales |
Légende | Précipitations extrêmes quotidiennes hivernales (niveau de retour sur 10 ans) mesurées (E-OBS) et biais relatifs des simulations à partir du modèle global zoomé LMDZ couplé (MED-44-LMDZ4NEMO) ou non (MED-44-LMDZ4) avec l’océan avec une résolution horizontale de 0,44° (environ 50 km) et du modèle WRF sans couplage avec le modèle océanique NEMO avec une résolution horizontale de 0,44° (MED-44 WRF311) et de 0,18° (environ 21 km) (MED-18 WRF311) et avec l’océan couplé (MED-44 WRF311NEMO et MED-18 WRF311NEMO). |
Crédits | © D’après Panthou et al. (2018) |
URL | http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/11458/img-2.png |
Fichier | image/png, 648k |
Pour citer cet article
Référence électronique
Laurent Li, Thomas Dubos, Jan Polcher, Frédérique Chéruy, Etienne Vignon, Frédéric Hourdin, Sylvain Mailler, Romain Pennel, Patryk Kieoas, Abderrahmane Idelkadi, Adriana Sima, Laurent Fairhead, Ionela Musat, Lidia Mellul et Philippe Drobinski, « Climats régionaux et régionalisation du climat », Histoire de la recherche contemporaine [En ligne], Tome XIII n°1 | 2024, mis en ligne le 04 février 2025, consulté le 19 mai 2025. URL : http://journals.openedition.org/hrc/11458 ; DOI : https://doi.org/10.4000/13dgz
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