Régionalisation climatique

 Motivations

Les études climatiques classiques se font à partir de modèles numériques appelés GCM (General Circulation Model) qui couvrent l’ensemble du globe, représentent la dynamique de l’atmosphère et ses lois physiques. La tendance actuelle quand on étudie le climat global de la planète est de coupler ces modèles atmosphériques à des modèles représentant les autres parties du système terre : l’océan, la végétation, les fleuves, la biogéochimie marine, la chimie atmosphérique, les calottes polaires, le cycle du carbone, ...

Pour des raisons de limitation de la puissance de calcul des ordinateurs disponibles, ces modèles possèdent généralement une résolution spatiale de l’ordre de quelques centaines de kilomètres. Cette résolution ne permet pas de résoudre certains processus et phénomènes physiques régionaux qui influencent le climat d’une région particulière du globe (îles, relief complexe, vents régionaux, structure spatiale des précipitations, circulation océanique de petite échelle).

De même, à cette résolution, ces modèles ne permettent pas de fournir des données assez précises (spatiallement) pour toutes les études d’impact du changement climatique. Exemple : impact du changement climatique sur les glaciers, sur un fleuve particulier, sur les maladies tropicales, sur l’océan côtier, ... Ces domaines ont besoin de simulations à plus haute résolution spatiale. Le dernier inconvénient des modèles globaux est leur faible capacité à simuler les évènements extrêmes (vents violents, précipitations intenses) qui sont souvent liés à des phenomènes ou à des forçages de petites échelles. Pour ces raisons, la communauté scientifique du climat a développé la notion de régionalisation climatique.

 Méthodes de régionalisation

Il existe 3 méthodes distinctes pour faire de la régionalisation climatique. Nous avons développé et utilisé les 3 au sein de l’Equipe ARPEGE-Climat.

- La première méthode consiste à utiliser un GCM à très haute résolution et couvrant l’ensemble du globe. Des expériences numériques ont été réalisées par exemple avec ARPEGE-Climat à une résolution uniforme de 50 km. Cette version du modèle est appelée "big brother" et la durée de ces expériences est limitées par leur coût numérique.

- La deuxième solution est l’utilisation de modèle globaux dont la grille peut être basculée et étirée pour renforcer la résolution spatiale dans la zone que l’on veut étudier. ARPEGE-Climat, le modèle développé et utilisé à EAC, possède cette capacité de zoom. Cet outils permet des simulations plus longues, de l’ordre de la centaine d’années. Le modèle ARPEGE-Climat étiré a tout d’abord été utilisé dans sa version "Medias" zoomé sur l’Europe et la mer Méditerranée. Cependant, il existe maintenant une version Atlantique tropicale et une version Amérique du Nord centrée sur Winnipeg (Canada).

- La troisième solution est l’utilisation de modèle à aire limitée (LAM : Limited Area Model en anglais) comme en prévision numérique. Ces modèles couvrent seulement une partie du globe, l’Europe par exemple et sont forcés aux bords par des modèles de plus faible résolution (GCM, réanalyses, ...). ALADIN-Climat, la version climatique du LAM ALADIN, est utilisée couramment au sein de l’équipe EAC. Ce modèle permet des simulations plus rapides qu’avec ARPEGE-Climat zoomé, avec des résolutions plus fines (jusqu’à 10 km) et permet également de tester différents types de conditions aux bords. Le petit frère d’ALADIN-Climat qui se nomme AROME-Climat devrait voir le jour prochainement pour réaliser les premières expériences de régionalisation climatique à 2.5 km de résolution.

 Résultats robustes sur l’impact du changement climatique en Europe

Des simulations de régionalisation des scénarios de changement climatique sur l’Europe ont été réalisées depuis plus de 15 ans dans le cadre de projet européens coordonnés (FP5-PRUDENCE, FP6-ENSEMBLES, FP6-CIRCE, FP7-CLIM-RUN, FP7-IMPACT2C). Le CNRM y a participé soit avec le modèle ARPEGE-Climat étiré, soit avec ALADIN-Climat ou encore avec le modèle couplé régional (CNRM-RCSM). Des analyses multi-modèles impliquant les modèles régionaux des autres centres de recherche européens ont été menées pour obtenir une structure temporelle et spatiale robuste et cohérente du réchauffement climatique en Europe.

Un réchauffement plus important sur terre que sur mer, plus important au sud qu’au nord en été et à l’est qu’à l’ouest en hiver. Une augmentation des vagues de chaleur est attendue et une diminution des vagues de froids.

Aucun signal d’évolution significative des variables liées aux précipitations n’est attendu avant le milieu du 21ème siècle. A la fin du 21ème siècle, on s’attend à une ugmentation des précipitations au nord de l’Europe et une diminution au sud et sur le pourtour méditerranéen. Une augmentation des extrêmes de pluie est envisagée pour l’Europe et une augmentation des sècheresses dans le Sud de l’Europe.

Le changement de fréquence et d’intensité des tempêtes ne montre pas de signal net et la position exacte du changement de signe de la réponse des précipitations reste incertain.

 Chercheurs permanents engagés dans cette thématique au CNRM-GAME

Michel Déqué, Samuel Somot, Antoinette Alias, Florence Sevault, Clotilde Dubois, Alain Braun (en retraite depuis 2012)

 Publications de référence pour les modèles régionaux de climat :

- Références pour ARPEGE-Climat étiré : Déqué and Piedelievre 1995 (Climate Dynamics), Déqué et al. 1998 (Climate Dynamics), Gibelin and Déqué, 2003 (Climate Dynamics), Déqué 2007 (Global and Planetary Change)

- Références pour ALADIN-Climat : Déqué and Somot 2008 (Idöjaras, Quaterly Journal of the Hungarian Meteorological Service), Radu et al. 2008 (Tellus), Colin et al. 2010 (Tellus), Fardà et al. 2010 (Studia Geophysica et Geodaetica), Herrmann et al. 2011 (NHESS), Tramblay et al. 2013 (HESS)

- Référence pour les modèles couplés régionaux AORCM ou RCSM : CNRM-RCSM1 (AORCM S.A.M.M., Somot et al. 2008 in Global and Planetary Change), CNRM-RCSM2 (CIRCE tri-coupled model, Somot et al. 2009 in WGNE Research activities in atmospheric and oceanic modelling., Dubois et al. 2012 in Clim. Dyn.), CNRM-RCSM3 (CICLE and MEDUP AORCM, Herrmann et al. 2011 in NHESS) and fully-coupled CNRM-RCSM4 (Nabat et al. 2014b in Clim. Dyn., Sevault et al. 2014 in Tellus)

 Exemples d’études spécifiques réalisées au CNRM :

- Etudes académiques en mode Big-Brother : Radu et al. 2008 (Tellus), Colin et al. 2010 (Tellus)

- Etudes de la valeur ajoutée de la haute résolution : pluies intenses (Déqué and Somot 2008 in Idöjaras, Colin 2011 in her PhD, Tramblay et al. 2013 in HESS), vents sur mer (Herrmann et al. 2011 in NHESS), vents sur terre (Vrac et al. 2012 in NHESS), bilan hydrique en Méditerranée (Elguindi et al. 2011 in Clim. Dyn.)

- Etudes concernant les évènements extrêmes : Déqué 2007 (Global and Planetary Change), Déqué and Somot 2008 (Idöjaras), Driouech et al. 2009 (Clim. Dyn.), Beaulant et al. 2011 (NHESS), Lemonsu et al. 2014 (Climate Res.), Lucas-Picher et al. 2014 (Journal of Hydrometeorology)

- Evaluation multi-modèles : Sanchez-Gomez et al. 2008 (Clim. Dyn.), Sanchez-Gomez et al. (2011 in Clim. Dyn.), Dubois et al. 2012 (Clim. Dyn.)

- Etude des incertitudes dans les scénarios régionaux de changement climatique : Déqué et al. 2007 (Climatic change), Sanchez-Gomez et al. 2009 (GRL), Déqué and Somot 2010 (Climate Res.), Driouech et al. 2010 (Global and Planetary Change), Déqué et al. 2012 (Clim. Dyn.), Dubois et al. 2012 (Clim. Dyn.)

- Modélisation couplée du système climatique régional : Somot et al. 2008 (Global and Planetary Change), Dubois et al. 2012 (Climate Dynamics), Nabat et al. 2014b (Clim. Dyn.), Sevault et al. 2014 (Tellus), Nabat et al. 2014a (GRL)