MODÉLISATION DU CLIMAT

Le cœur dynamique des modèles

L’objectif premier de ces modèles est de simuler la circulation générale atmosphérique, c’est-à-dire les mouvements de l’air à grande échelle : alizés, circulation de Hadley, anticyclones, tempêtes. Ils sont fondés sur les équations de la mécanique des fluides (équations de Navier-Stokes), les mêmes équations qui décrivent l’écoulement de l’air autour d’une aile d’avion. En pratique, on utilise une version légèrement modifiée de ces équations, les « équations primitives de la météorologie », tirant profit de la faible épaisseur de l’atmosphère (99 % de la masse de l’atmosphère sont situés sous l’altitude de 30 km) comparée au rayon de la planète (6 350 km). Ces équations (dites aux dérivées partielles), qui décrivent l’évolution du fluide atmosphérique (l’air) en tout point de l’espace et du temps, restent cependant très compliquées mathématiquement. Il faudra attendre l’arrivée des ordinateurs pour envisager de les utiliser pour calculer l’évolution de l’atmosphère (hormis la tentative de Richardson). Les ordinateurs ne pouvant pas effectuer des calculs en un nombre de points infinis, il faut faire des approximations. Deux grandes familles de méthodes existent pour ce faire : les méthodes « spectrales », qu’on ne détaille pas ici ; les méthodes « en points de grille », fondées sur un découpage spatial. On calcule les valeurs des variables tous les 100 kilomètres horizontalement, par exemple ; le découpage vertical est plus fin, avec des couches de 10 mètres à 1 kilomètre d’épaisseur, car les grandeurs météorologiques varient beaucoup plus vite verticalement qu’horizontalement. Comme on l’a fait pour l’espace, on « discrétise » aussi le temps, c’est-à-dire qu’on le divise en intervalles. On doit alors transformer les équations primitives, pour passer du monde continu du fluide au monde discontinu ou « discret » du maillage du modèle, et vérifier mathématiquement que les solutions des équations « discrétisées » sont pertinentes.

En pratique, pour réaliser des simulations numériques, il faut introduire dans le modèle les conditions initiales, c’est-à-dire les valeurs de la température, de la pression, de l’humidité, de la direction et de la vitesse du vent en tous les points de la grille (ou maillage) du modèle au démarrage de la simulation. Le modèle va ensuite calculer, à des « pas de temps » successifs (quelques minutes pour les modèles globaux), les valeurs de ces variables pour chaque maille. La partie du modèle qui résout les[...]