Modèles numériques atmosphériques : questions et réponses

1. Quels sont les modèles barotropes ?

Des modèles barotropes ont été développés pour être utilisés en météorologie numérique. Les premiers calculateurs ont été développés aux États-Unis dans les années 1940. Ce sont les modèles les plus simples et ils se fondent sur ce qu'on appelle la « supposition barotrope », qui consiste à supposer que les surfaces isobares (de pression constante) coïncident avec les surfaces isopycniques (de densité constante), de sorte que le gradient de densité est nul et que le vent géostrophique ne varie pas avec la hauteur. Avec cette hypothèse, le système est réduit à une équation différentielle unique pour le tourbillon et résolu à un seul niveau vertical.

2. Qu'est-ce qui rend un modèle barocline ?

Une atmosphère barocline est définie comme une atmosphère dans laquelle les surfaces isobares et isopycniques ne correspondent pas ; par conséquent, le gradient de température sur une isobare est différent de zéro et le vent géostrophique varie avec l'altitude, tant en direction qu'en intensité. De cette façon, le modèle barocline peut refléter une structure verticale de l'atmosphère et fournir des variables qui varient dans le sens vertical. Le premier modèle barocline opérationnel intégré aux États-Unis était un modèle à trois niveaux.

3. Que représentent les équations primitives pour les modèles ?

Les modèles aux équations primitives représentent le premier type de modèles numériques et leurs résultats ont été suffisamment bons pour être utilisés dans les prévisions météorologiques quotidiennes par les services météorologiques. Considérant la structure verticale de l'atmosphère, ces modèles ont commencé avec dix niveaux verticaux ; ce nombre de niveaux a augmenté au fil du temps.

4. Avantages et inconvénients des coordonnées isentropiques

Une surface isentropique est une surface de température potentielle θ constante. Un avantage des coordonnées en θ est que, pour des mouvements adiabatiques secs, chaque parcelle d'air conserve sa température potentielle : dθ/dt = 0. Un autre avantage est que les coordonnées en θ offrent une meilleure résolution au voisinage des fronts. Inconvénient : pour les mêmes raisons que pour la hauteur et la pression, l'utilisation de la température potentielle comme coordonnée verticale pose des problèmes à proximité du sol.

5. Quelles sont les coordonnées hybrides et quels sont leurs avantages ?

Les coordonnées hybrides sont un type de coordonnée sigma, σ = p/ps, où ps est la pression de surface. Les modèles qui utilisent ce type de coordonnées ont l'avantage de combiner des surfaces sigma près du sol, qui deviennent des surfaces isentropiques en altitude.

6. Quelles causes expliquent les lacunes des premiers modèles EDP ?

Les premiers modèles développés à partir des EDP (équations aux dérivées partielles) ont présenté des lacunes dont les résultats n'étaient pas dus à une mauvaise formulation des EDP du modèle, mais à deux causes principales. La première était la résolution verticale et horizontale insuffisante du réseau d'intégration : on ne pouvait pas prévoir le temps local avec une grille qui avait 200 km entre deux points adjacents ou seulement dix niveaux verticaux. La deuxième raison était qu'ils ne pouvaient pas tenir compte des processus qui se déroulent dans l'atmosphère à des échelles spatiales beaucoup plus petites que la résolution du modèle. Par exemple, la convection et les nuages convectifs, à l'échelle de quelques kilomètres, ont des effets qui ne pouvaient pas être directement inclus dans des modèles à résolution horizontale de 200 km.

8. Quel est le paramétrage des processus physiques ?

Il existe de nombreux processus physiques qui ne peuvent pas être résolus explicitement à l'échelle de la maille. Le paramétrage consiste à représenter les effets à petite échelle sur la grande échelle. Parfois, l'importance ou l'amplitude de certains phénomènes n'est pas clairement connue. Pour prendre en compte les effets de ces phénomènes, il convient d'établir des hypothèses sur leur fonctionnement. L'hypothèse de base est de supposer qu'« il existe un équilibre statistique entre les phénomènes dont l'échelle est plus petite que la grille et les variables résolues par la grille ».

9. Quels sont les principaux processus inclus dans les modèles numériques ?

Rayonnement. Le rayonnement prend en compte les effets produits dans l'atmosphère et le sol par l'absorption du rayonnement solaire (à courtes longueurs d'onde) et du rayonnement terrestre (à grandes longueurs d'onde) ainsi que les interactions que ces radiations produisent avec différents composants de l'atmosphère (ozone, eau liquide des nuages, vapeur d'eau, etc.). C'est le processus le plus important à paramétrer car le rayonnement solaire est l'énergie qui actionne le système atmosphérique.

Convection. La convection est une forme de mouvement vertical local composée de courants verticaux, organisés ou non, qui ont des échelles allant de quelques mètres à plusieurs kilomètres. La plupart de ces mouvements, en particulier dans la basse atmosphère, sont dus à la convection thermique créée par le chauffage différentiel. En montant, l'air chargé en vapeur condense cette vapeur et libère de grandes quantités de chaleur provenant des gouttelettes d'eau liquide, qui peuvent ensuite être converties en précipitations. Les schémas de convection cherchent à simuler la convection dans les modèles et à représenter ses effets sur la condensation de la vapeur d'eau atmosphérique et les échanges thermodynamiques produits par les forts courants convectifs verticaux. C'est l'un des schémas physiques les plus importants d'un modèle.

Échanges surface atmosphere-sol. Il s'agit de l'échange de chaleur latente (dus à l'évaporation de l'eau depuis les océans, rivières et lacs), de chaleur sensible (dus au contact de l'air avec le sol) et d'échanges de quantité de mouvement (en raison du frottement qui se produit dans la circulation atmosphérique à la surface).

Turbulence. La turbulence désigne l'impact sur l'atmosphère de l'interaction de tourbillons de tailles et d'échelles différentes qui se produisent dans un écoulement non laminaire. Elle a un rôle important car elle produit un échange vertical de quantité de mouvement (soit en ralentissant soit en accélérant la circulation des autres couches verticales), ce qui contribue à maintenir l'équilibre atmosphérique.

Condensation à grande échelle. Ceci couvre la production de précipitations (pluie ou neige) à partir de niveaux atmosphériques qui atteignent la saturation à la suite de l'ensemble des processus pris en compte dans le modèle (advection, évaporation de l'humidité de la surface, etc.).

Freinage des ondes de gravité. Il s'agit de la manière dont le freinage (décélération) à basse altitude, lié au contact avec le terrain, est transmis vers des niveaux plus élevés de l'atmosphère.

10. À quoi servent les modèles globaux de circulation générale ?

Ce sont des modèles intégrés sur la totalité du globe. Ils sont principalement utilisés pour :

1. Des expériences de contrôle, c'est‑à‑dire orientées vers la description du climat contemporain.
2. Quantifier la réponse aux perturbations climatiques induites par les activités humaines, c'est‑à‑dire étudier la réponse du système climatique à un changement d'un paramètre ou d'un processus qui contrôle l'état du système et tenter d'expliquer comment le système cherche à rétablir l'équilibre.

11. Avantages et inconvénients caractéristiques d'un modèle de maillage

Caractéristiques

1. Les données sont représentées sur un ensemble fixe de points de grille.
2. La résolution dépend de l'espacement des points de la grille.
3. Tous les calculs sont effectués sur les points du maillage.
4. Les approches utilisées pour résoudre les équations sont les différences finies, dérivées du modèle.
5. Une erreur est introduite par les approximations par différences finies des équations primitives.
6. La marge d'erreur dépend de l'espacement de grille et de l'intervalle de temps.

Inconvénients

1. Les approximations par différences finies des équations du modèle introduisent une erreur considérable.
2. Le bruit numérique s'accumule lorsque les équations sont intégrées sur de longues périodes.
3. L'ampleur des erreurs numériques est généralement plus élevée que dans la résolution spectrale pour des modèles comparables.
4. Les erreurs dans les conditions aux limites peuvent se propager vers des modèles régionaux et affecter la qualité des prévisions.

Avantages

1. Peut fournir une haute résolution horizontale pour des applications méso-échelle et régionales.
2. Pas besoin de transformer les calculs physiques depuis ou vers l'espace spectral.
3. À mesure que les schémas physiques deviennent plus complexes, les modèles en maillage deviennent plus compétitifs avec les modèles spectraux du point de vue informatique.
4. Les versions non-hydrostatiques peuvent prévoir les détails de la convection explicitement, à condition d'avoir une résolution suffisante et des conditions initiales appropriées.