Modèle de circulation générale

Un modèle de circulation générale (en anglais, general circulation model ou GCM) est un modèle climatique. Il s'appuie sur les équations de Navier-Stokes, appliquées à une sphère en rotation ainsi que sur des équations d'équilibre de la thermodynamique pour inclure les sources d'énergie (rayonnement, changement de phase). Ceci permet de simuler à la fois la circulation atmosphérique mais aussi la circulation océanique. Ces équations sont ensuite codées pour être utilisée par des superordinateurs.

Modèle de circulation générale GEOS-5 (Goddard Earth Observing System Model) développé par la NASA.

Ces modèles de circulation générale sont utilisés pour les prévisions atmosphériques, pour l'étude du climat et du changement climatique.

Terminologie

En anglais, l'acronyme GCM signifiait à l'origine modèle de circulation générale, mais on parle également de plus en plus de modèle climatique global en utilisant le même acronyme.

Les modèles de circulation générale désignent un vaste ensemble de modèles comprenant notamment :

• Les modèles de circulation générale atmosphérique ou AGCM ;
• Les modèles de circulation générale océanique ou OGCM ;
• Les modèles de circulation générale océan-atmosphère (couplés) ou AOGCM.

Les modèles climatiques désignent la dernière catégorie, c'est-à-dire les modèles couplés. Aujourd'hui, les modèles climatiques incluent également des modèles de glace continentale, des modèles de surface continentale, des modèles de biogéochimie marine, des modèles de chimie atmosphérique, etc. Du fait de cette complexité et de l'étendue des processus physiques et chimiques représentés dans les modèles climatiques actuels, on parle de plus en plus de "Modèles du Système Terre" désignés par l'acronyme ESM (pour Earth system model).

Histoire

En 1956, Norman Philips développe pour la première fois un modèle climatique qui décrit de manière convaincante la circulation troposphérique. À sa suite, de nombreux GCM sont élaborés. Le premier qui combine à la fois les processus atmosphériques et océaniques est développé dans les années 1960 par le laboratoire NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory.

Structure

Les GCM utilisent d'une part les équations de Navier-Stokes discrétisées auxquelles on ajoute des paramétrisations pour rendre compte des phénomènes sur des échelles fines. Cela peut-être le cas des ondes de gravité, de l'interaction avec la surface, l'albédo... On complète ce système avec des équations décrivant les changements d'état, l'effet de serre, etc.

D'un modèle à un autre, la complexité peut varier énormément. Les modèles les plus simples son axi-symétriques et modélisent le flux d'énergie solaire par un flux thermique proportionnel à l'écart à une température d'équilibre.

Une seconde étape consiste à modéliser les gaz à effet de serre (gray-radiation), les flux d'humidité et les changements de phase (par exemple avec une aqua-planète, c'est-à-dire une planète océan).

Par la suite, on peut ajouter un ou plusieurs continents, un cycle diurne/nocturne et saisonnier etc.

Les modèles climatiques du CMIP

Les prévisions de quelques-uns des super-modèles développés par les centres météorologiques nationaux suivant les scénarios du SRES (GIEC)

Le projet d'intercomparaison des modèles couplés (Coupled Model Intercomparison Project - CMIP) organisé sous l'égide du groupe de travail du programme mondial de recherche sur le climat (WCRP) a démarré en 1997 avec la comparaison des performances de cinq modèles climatiques couplant la circulation atmosphérique avec une dynamique océanique, une surface continentale simple et une glace océanique thermodynamique. Aujourd'hui, le CMIP s'occupe d'organiser le développement des modèles climatiques, de manière cohérente au niveau des données de sortie, de l'historique des expériences menées et des lacunes scientifiques. Ces modèles climatiques sont développés dans de nombreux pays.

Aujourd'hui, ces résultats font office de référence presque au même titre que les réanalyses météorologiques. Cependant, un modèle isolé donne très souvent des résultats dont la variabilité est aléatoire et donc indésirable pour mettre en valeur des tendances. Le plus souvent, on utilise les variations moyennées sur l'ensemble des modèles. C'est pourquoi il est important que de nombreux modèles soient développés de manière indépendante par les différents centres.

Pour tester ces modèles, on les utilise pour modéliser des scénarios connus grâce à la connaissance de l'histoire du climat ou bien en observant la manière dont ils rendent compte de certains phénomènes connus tels que El Niño.

Centre de modélisation	ID de l'Institut	Nom du modèle	Nationalité
Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) and Bureau of Meteorology (BOM), Australia	CSIRO-BOM		Australie
Beijing Climate Center, China Meteorological Administration	BCC	BCC-CSM1.1 BCC-CSM1.1(m)	Chine
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (National Institute for Space Research)	INPE	BESM OA 2.3	Brésil
College of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University	GCESS	BNU-ESM	Chine
Centre canadien de la modélisation et de l'analyse climatique	CCmaC/CCCMA	CanESM2 CanCM4 CanAM4	Canada
University of Miami - RSMAS	RSMAS	CCSM4(RSMAS)	États-Unis
National Center for Atmospheric Research	NCAR	CCSM4	États-Unis
Community Earth System Model (en) Contributors	NSF-DOE-NCAR	CESM1(BGC) CESM1(CAM5) CESM1(CAM5.1,FV2) CESM1(FASTCHEM) CESM1(WACCM)	États-Unis
Center for Ocean-Land-Atmosphere Studies and National Centers for Environmental Prediction	COLA and NCEP	CFSv2-2011	États-Unis
Centro euro-Mediterraneo sui Cambiamenti Climatici	CMCC	CMCC-CESM CMCC-CM CMCC-CMS	Italie
Centre national de recherches météorologiques / Centre européen de recherche et de formation avancée en calcul scientifique	CNRM-CERFACS	CNRM-CM5	France
		CNRM-CM5-2
Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization in collaboration with Queensland Climate Change Centre of Excellence	CSIRO-QCCCE	CSIRO-Mk3.6.0	États-Unis
EC-EARTH consortium	EC-EARTH	EC-EARTH	Europe
LASG, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences and CESS, Tsinghua University	LASG-CESS	FGOALS-g2	Chine
LASG, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences	LASG-IAP	FGOALS-gl FGOALS-s2	Chine
The First Institute of Oceanography, SOA, China	FIO	FIO-ESM	Chine
NASA Global Modeling and Assimilation Office	NASA GMAO	GEOS-5	États-Unis
NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory	NOAA GFDL	GFDL-CM2.1 GFDL-CM3 GFDL-ESM2G GFDL-ESM2M GFDL-HIRAM-C180 GFDL-HIRAM-C360	États-Unis
NASA Goddard Institute for Space Studies	NASA GISS	GISS-E2-H GISS-E2-H-CC GISS-E2-R GISS-E2-R-CC	États-Unis
National Institute of Meteorological Research/Korea Meteorological Administration	NIMR/KMA	HadGEM2-AO	Corée du Sud
Met Office Hadley Centre (additional HadGEM2-ES realizations contributed by Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais)	MOHC (additional realizations by INPE)	HadCM3 HadGEM2-CC HadGEM2-ES HadGEM2-A	Brésil
Institute for Numerical Mathematics	INM	INM-CM4	Russie
Institut Pierre-Simon Laplace	IPSL	IPSL-CM5A-LR IPSL-CM5A-MR IPSL-CM5B-LR	France
Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, Atmosphere and Ocean Research Institute (The University of Tokyo), and National Institute for Environmental Studies	MIROC	MIROC-ESM MIROC-ESM-CHEM	Japon
Atmosphere and Ocean Research Institute (The University of Tokyo), National Institute for Environmental Studies, and Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology	MIROC	MIROC4h MIROC5	Japon
Institut Max-Planck de météorologie (Max-Planck-Institut für Meteorologie)	MPI-M	MPI-ESM-MR MPI-ESM-LR MPI-ESM-P	Allemagne
Meteorological Research Institute	MRI	MRI-AGCM3.2H MRI-AGCM3.2S MRI-CGCM3 MRI-ESM1	Japon
Nonhydrostatic Icosahedral Atmospheric Model Group	NICAM	NICAM.09	Japon
Norwegian Climate Centre	NCC	NorESM1-M NorESM1-ME	Norvège

Articles connexes

• Grille gaussienne

Références

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « General Circulation Model » (voir la liste des auteurs).

• Overview of the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) experimental design and organisation