1. En quoi consistent les modèles climatiques ?

Les modèles numériques constituent l’outil unique d’estimation des évolutions climatiques futures. Leur rôle et leur nature sont souvent cependant mal compris.

Les modèles numériques du climat utilisent les lois de lois de la physique, de la mécanique, de la chimie ou de la biologie pour reproduire de manière informatique les modes de fonctionnement principaux du système climatique, c’est-à-dire du système complexe composé par les fluides atmosphériques et océaniques, les glaciers ou la biosphère continentale et marine. Ces différents milieux échangent continuellement de la matière, de l’énergie ou de la quantité de mouvement au travers de processus qui mettent aussi en jeu les composantes chimiques ou biochimiques de l’atmosphère et des océans. Les modèles climatiques constituent donc une sorte de maquette informatique animée de la planète Terre. L’idée souvent répandue est que les modèles de climat sont des outils statistiques extrapolant les données du passé vers le futur est donc fausse : les modèles s’appuient sur des lois physiques, et pas sur l’histoire récente du climat.

Les modèles prennent en compte deux grandes catégories de processus : les échanges d’énergie, en particulier sous forme de rayonnement électromagnétique, entre la terre, l’océan, l’atmosphère et l’espace ; et la dynamique des écoulements atmosphérique et océanique. Les équations correspondantes sont discrétisées sur les nœuds du maillage qui couvre l’ensemble du globe, c’est-à-dire qu’elles sont résolues sur chacun des milliers de points du maillage (Figure 1).

La composante atmosphérique, par exemple, calcule toutes les quelques centaines de kilomètres l’évolution de paramètres comme le vent, la température, l’humidité, les nuages, les précipitations, l’eau du sol — pour ne citer que les variables principales. La composante océanique opère des calculs semblables sur une grille souvent plus fine. Le choix de ces grilles de résolution dépend en premier lieu de la capacité de calcul, et donc de la puissance des ordinateurs utilisés, qui constituent ainsi le premier facteur de progrès dans le domaine de la modélisation numérique. Même si les modèles reposent sur des principes physiques éprouvés depuis plusieurs décennies, la multiplication de la puissance des ordinateurs par un facteur considérable (de l’ordre du million en 15 ou 20 ans) a permis un progrès continu dans leur qualité et une ouverture considérable de leurs domaines d’application. La finesse du maillage dépend aussi du problème étudié. Pour une prévision météorologique à 10 jours, on peut aujourd’hui avoir une grille avec un point tous les 20 kilomètres. Pour étudier l’évolution du climat liée aux activités humaines, il faut simuler 300 d’histoire du climat, et les points sont espacés de 200 à 500 kilomètres pour que calcul soit possible sur les ordinateurs actuels.

Découpage de l’atmosphère en grille

Crédits:  IPSL/LMD Laurent Fairhead.

2. La construction de modèles climatiques

La construction des modèles se fait à travers des équations décrivant tout d’abord les échanges radiatifs entre le Soleil et les différents compartiments de la Terre, ensuite les processus dynamiques de circulation à grande échelle de l’atmosphère et de l’océan. Les processus à plus petite échelle sont modélisés à l’aide de lois empiriques qu’on appelle les paramétrisations. Enfin, les modèles sont validés dans des contextes multiples afin de vérifier leur pertinence.

• Le rayonnement
• Les processus dynamiques
• Les paramétrisations
• Validation des modèles

3. Les limites de l’utilisation des modèles

Malgré le soin apporté à leur développement, les modèles sont par essence imparfaits.

• Le monde réel est-il prédictible ?
• Les modèles sont-ils perfectibles ?