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De la météorologie au climat

La météorologie et les climats polaires au LMD

Polar meteorology and climate at LMD
Christophe Genthon, Frédéric Hourdin et Sylvie Joussaume

Résumés

Les données issues de l’analyse des carottes de glace polaires dans la communauté française ont constitué l’un des premiers moteurs d’un intérêt particulier porté à la modélisation des climats et paléoclimats des régions polaires au LMD. Le passage d’une grille horizontale figée et peu adaptée aux régions polaires à une grille « zoomable » au début début des années 1990, permettant de simuler dans le modèle global des climats régionaux à une résolution horizontale de plus en plus fine a été particulièrement bénéfique pour la région Antarctique. Des travaux plus récents d’évaluation et d’amélioration d’une physique pas toujours bien conçue et/ou calibrée pour les climats extrêmes des régions polaires ont aboutie à un modèle aujourd’hui bien reconnu pour ses capacités dans ces régions.

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Texte intégral

1En 1985, les carottes de glace font la une. Une carotte de glace de plus 2 km forée par les soviétiques à la station Antarctique Vostok révèle pour la première fois un cycle glaciaire – interglaciaire complet (~150000 ans) de la température atmosphérique, une donnée issue de la mesure des isotopes stables de l’eau dans la carotte. On y voit alterner la période chaude de l’avant dernier interglaciaire, suivie par la longue période froide du dernier âge glaciaire, le dernier maximum glaciaire, la dernière déglaciation et enfin notre propre stade interglaciaire, l’holocène. Peu après, l’analyse du contenu en minéraux de la carotte révèle un cycle glaciaire – interglaciaire anti corrélé : forte teneur en minéraux pendant les périodes froides, diminuant pendant les périodes interglaciaires. Si la période couverte par l’enregistrement n’avait jamais été atteinte jusqu’à présent dans une carotte de glace (de nos jours les carottes de glace renseignent sur plus de 800 000 ans), d’autres carottes, plus courtes, avaient déjà révélé cette anticorrelation à l’échelle de la dernière transition glaciaire – interglaciaire. Si l’interprétation de de la mesure des isotopes en terme climatique était qualitativement connue, celle des données des poussières minérales était encore assez mystérieuse.

2La modélisation numérique de l’atmosphère pouvait être une aide précieuse pour cette interprétation. Un modèle de circulation générale d’atmosphère permet de varier les paramètres susceptibles de jouer sur le climat et d’en tester l’importance relative. La modélisation du paléoclimat, en particulier du dernier maximum glaciaire, était (et est toujours) considérée comme un bon test de la capacité d’un modèle à simuler un climat substantiellement différent de l’actuel, et donc à prévoir un climat encore inconnu comme celui qui nous attend en réponse à l’augmentation des concentrations de gaz à effet de serre. Le LMD a ainsi été pionnier de cette approche au début des années 1980, en introduisant le cycle des isotopes de l’eau et des poussières désertiques dans le modèle de climat (voir article de Camille Risi et al., dans cet ouvrage) afin d’aider l’interprétation des résultats des carottes de glace en périodes glaciaires.

3Les observations issues des carottes de glace invitaient à s’intéresser particulièrement aux régions polaires du modèle. A l’époque, le modèle du LMD était moins qu’idéal pour l’étude de ces régions. Il était codé en points de grille / différences finies (il l’est toujours) sur une grille en longitude et en latitude. Le pas de la grille était régulier en longitude, mais pas en latitude : afin de conserver autant que possible la surface d’une maille de la grille, le pas méridien était régulier en sinus de la latitude. La résolution spatiale du modèle était approximativement constante en surface sur le globe, au prix d’une résolution méridienne et une isotropie de la grille particulièrement dégradées en régions polaires. Le caractère pionnier et innovant des travaux de Sylvie Joussaume sur les isotopes de l’eau et les poussières d’origine désertique en période glaciaire compensait largement ces limitations du modèle. Les résultats ont été salués et ils ont contribué à conforter la place d’une communauté scientifique française déjà très impliquée dans l’étude des paléoclimats. Le programme d’intercomparaison des modèles de climats pour le paléoclimat PMIP (Paleoclimate Model Intercomparaison Project) a été initié par la suite au LSCE (Laboratoire des sciences du vivant et de l’environnement) par Sylvie Joussaume. Il est aujourd’hui encore l’une des composantes de la nébuleuse des projets d’intercomparaison des modèles (Model Intercomparison Project, MIP) contribuant aux rapports successifs du GIEC.

4Si les régions polaires n’ont par la suite pas été un sujet majeur des activités de modélisation au LMD, c’est probablement à cause des limitations de la grille du modèle dans ces régions. La situation a radicalement changé lorsque la grille variable permettant de prescrire un « zoom » en longitude et en latitude a été mise en œuvre, donnant naissance au modèle LMDZ (Z=zoom) au début des années 1990. Cette nouvelle géométrie a été utilisée et des résultats publiés d’abord par Frédéric Hourdin et son équipe dans le cadre de simulations des circulations atmosphériques de planètes extraterrestres. On ne s’étonnera peut-être pas que, la grille zoomable de LMDZ constituant une avancée particulièrement notable pour des chercheurs et des chercheuses qui seraient particulièrement intéressés par les régions polaires, c’est sur les régions polaires qu’ont portés les premiers travaux et premières publications relatives à la planète Terre. Les régions polaires ne constituaient pas alors un thème de recherche majeur en modélisation au LMD, et on peut comprendre que ce ne sont pas des chercheuses et chercheurs de ce laboratoire qui ont d’abord porté ces travaux et publications.

5En 1994, Gerhard Krinner débutait une thèse de doctorat au LGGE (Laboratoire de glaciologie et géophysique de l’environnement, Grenoble) sur l’étude et la modélisation de la météorologie et du climat des régions polaires. Au cours de sa propre thèse plusieurs années plus tôt son directeur de thèse (l’un des rédacteurs de ces lignes aujourd’hui) avait d’abord utilisé le modèle du LMD, puis s’était tourné vers d’autres modèles de circulation générale offrant une meilleure résolution spatiale aux hautes latitudes. Ayant été informé par Frédéric Hourdin de l’existence de la version zoomable du modèle du LMD, c’est ce modèle qu’il a proposé à Gerhard Krinner pour sa thèse. Il est peut-être intéressant de noter qu’au même moment ou presque, le Centre National de Recherches Météorologiques de Météo France développait aussi une version zoomable de son modèle de météorologie et climat, ARPEGE, mais avec une approche numérique substantiellement différente puisque la dynamique de l’atmosphère dans ARPEGE était résolue par des méthodes spectrales et non par différences finies. Gerhard Krinner a rapidement pu réaliser grâce à LMDZ des simulations globales avec, par étirement de la grille, des résolutions spatiales de l’ordre de 50 km sur l’Antarctique, résolution qui n’était à l’époque accessible qu’à des modèles à aire limitée pour des raisons de coût de calcul. Le bénéfice d’une (relativement) haute résolution sur l’Antarctique s’est immédiatement fait sentir, la prise en compte de l’impact des pentes périphériques de la calotte sur la distribution spatiale de la température et de la précipitation étant alors nettement améliorée. Peu après, le projet Européen HIRETYCS (High Resolution Ten-Year Climate Simulations) confirmait qu’à une échelle continentale, c’est sur les calottes polaires que l’effet d’une augmentation de la résolution globale d’un modèle de circulation générale d’atmosphère au-delà de 100 km se fait le plus directement sentir. Les simulations réalisées au CNRM, et au Met Office britannique pour cette expérience était à la limite de ce que les ressources informatiques de l’époque pouvaient autoriser en recherche. LMDZ permettait d’économiser considérablement le temps de calcul en confinant la haute résolution et le coût de calcul associé à une région particulière, l’Antarctique dans le cas des travaux de Gerhard Krinner.

6Pour la petite histoire, une des premières modifications implémentées dans le modèle dans le cadre de la thèse de Gerhard Krinner a été la mise à jour de la topographie de l’Antarctique dans le modèle. Longtemps l’altitude de la surface de la calotte a été très mal connue. La situation a changé avec l’avènement des radars spatiaux, qui ont permis de corriger des erreurs de plus de 1000 m sur de vastes régions du plateau antarctique. Ces erreurs d’altitude se manifestaient « comme le nez au milieu de la figure » par des erreurs de plusieurs degrés (°C) de la température de surface sur de vastes régions. Pendant plusieurs années, chaque nouvelle version de LMDZ faisait renaître ces mêmes biais de température, signalant que la nouvelle version du modèle avait réintégrée la version obsolète de la topographie antarctique, qu’il fallait alors remettre à jour. Puis un jour, enfin, la nouvelle version n’avait plus de biais topographique : la topographie à jour était enfin définitivement adoptée.

7La modélisation des régions polaires de la Terre est redevenue un vrai sujet du LMD avec la thèse d’Étienne Vignon débutée en 2014 et co-dirigée par 2 des auteurs de ce texte. Les moyens de calculs alors disponibles autorisaient des grilles beaucoup plus fines que celles accessibles à l’époque de la thèse de Gerhard Krinner. Le facteur limitant à l’amélioration d’un modèle devenait alors clairement la qualité du traitement de la physique de l’atmosphère, autant sinon plus que la résolution spatiale. Une même formulation physique dans le modèle pouvait s’exprimer de façon substantiellement différente suivant les régions et en particuliers en régions polaires. Des mesures réalisées le long d’une tour de 40 m sur le haut plateau antarctique avait révélé des cas extrêmes de gradients verticaux et de transitions entre situation de stabilité plus ou moins forte. Le projet GABLS4 (GEWEX Atmospheric Boundary Layer Studies 4) avait souligné la difficulté qu’avait la dizaine de modèles participant à reproduire ces caractéristiques. À la lumière de données collectées en Antarctique et des publications les plus récentes sur le sujet, Etienne Vignon a repris les paramétrisations de mélange turbulent du modèle dans la couche limite en situation stable. À l’issue de ces travaux, combinés avec la fonction de zoom et la haute résolution spatiales, LMDZ est devenu l’un des modèles globaux les plus performants sur la région antarctique.

8Toutefois, en Antarctique, pour des raisons d’accessibilité et de capacité à opérer dans les conditions extrêmes de cette région,les observations in situ pour l’évaluation des modèles sont très limitées. La télédétection spatiale est le seul moyen d’accéder à des informations cohérentes d’échelle continentale. Au LMD, Chantal Claud était une pionnière de l’utilisation des satellites en régions polaires, déjà au cours de sa thèse sur l’étude des « polar lows » dans l’Arctique avec Alain Chédin et Noëlle Scott, dernièrement et parmi bien d’autres projets pour restituer les précipitations mal connues des régions polaires. Avec Cyril Palerme dont elle co-encadrait les travaux de thèse, les données du satellite CloudSat ont été utilisées pour produire la première climatologie des chutes de neige à l’échelle continentale Antarctique ne reposant pas sur des modèles. Chantal Claud a également co-encadré à partir de 2019 les premiers travaux de thèse de Marie-Laure Roussel qui ont montré grâce aux données CloudSat que presque tous les modèles des archives CMIP surestiment peu ou prou les précipitations Antarctiques, mais aussi que si LMDZ s’en sort un peu mieux que beaucoup d’autres c’est en partie pour des raisons de compensations d’erreurs. C’est un résultat que, décédée en 2022, Chantal Claud a eu tout juste le temps de savourer.

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Pour citer cet article

Référence électronique

Christophe Genthon, Frédéric Hourdin et Sylvie Joussaume, « La météorologie et les climats polaires au LMD »Histoire de la recherche contemporaine [En ligne], Tome XIII n°1 | 2024, mis en ligne le 04 février 2025, consulté le 12 mai 2025. URL : http://journals.openedition.org/hrc/11842 ; DOI : https://doi.org/10.4000/13dh2

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Auteurs

Christophe Genthon

Laboratoire de météorologie dynamique - Institut Pierre Simon Laplace - (UMR8539 - CNRS, ENS-PSL, École polytechnique-IP Paris, Sorbonne Université) - Christophe Genthon, directeur de recherche CNRS, météorologie et climats Antarctique, observation et modélisation.

Frédéric Hourdin

Laboratoire de météorologie dynamique - Institut Pierre Simon Laplace - (UMR8539 - CNRS, ENS-PSL, École polytechnique-IP Paris, Sorbonne Université) - Frédéric Hourdin, directeur de recherche CNRS au LMD, portage et développement de LMDZ (code national labélisé par l’INSU), modélisation et prévisions climatiques IPCC

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Sylvie Joussaume

Sylvie Joussaume, directrice de recherche CNRS au LSCE, directrice du le GIS « climat-environnement-société »

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