La version 'traceurs' du mod•le du GISS au LSCE

Une version 'traceur', c'est-ˆ-dire capable de simuler la dispersion de traceurs, a ŽtŽ mise au point par Randy Koster et Jean Jouzel, notamment, au GISS, pour les isotopes de l'eau. Il s'agit d'ajouts dans le code climatique de variables dŽdiŽes aux traceurs, dont les

valeurs sont modifiŽes ˆ partir des variables climatiques. Cet ajout ne change donc pas le climat simulŽ. Le dŽveloppement est explicitŽ dans Koster et al. (1988), et des tests de sensibilitŽ pour le climat moderne sont dŽcrits dans Jouzel et al. (1991).

ICE

OCEAN GLACE

DE MER

TERRE Z₁ (diurne) Z2

(saisonier)

SOL (Z1+Z2):

RESERVOIR DE CHALEUR ET DÕEAU

NUAGE CONVECTIF

AEROSOLS STRATOSPHERIQUES

FLUX DE CHALEUR SENSIBLE ET LATENTE

CONSTITUANTS RADIATIFS : H₂O , CO₂ , O₃ GAZ TRACES , NUAGES , AEROSOLS insolation

GLACE NUAGE STRATIFORME

Figure II.8. SchŽmatisation des processus pris en compte dans le mod•le du GISS:

l'Žnergie provient du soleil et de l'ocŽan (tempŽratures fixes), elle est ŽchangŽe entre les rŽservoirs notamment par transport atmosphŽrique. Chaque boite de surface peut contenir une proportion de terre (couverte de vŽgŽtation, Žventuellement de glace) et d'ocŽan (avec une partie saisonni•re de glace de mer). D'apr•s Hansen et al.

(1983).

Le code complet a ŽtŽ rapatriŽ au LSCE par ValŽrie Masson avec l'aide de Rick Healy, qui s'occupe des simulations au GISS. Il s'agit d'une version adaptŽe pour les stations de travail IBM, qui a ŽtŽ implantŽe sur un IBM RS6000 du LSCE sans modification. Le code du mod•le est divisŽ en 'modules' contenant diffŽrentes routines, nommŽs par rapport ˆ leur fonction et la version du mod•le. 'M9' correspond ainsi ˆ la version 'mŽdiane' (8¡x10¡) avec 9 niveaux verticaux. 'P' ajoute la possibilitŽ de changer l'insolation pour des simulations du climat passŽ. Toirs modules sont vraiment nŽcessaires pour le climat: 'mra01mcm9' qui traite les nuages, convectifs (routine 'MSTCNV') et stratiformes (routine 'CONDSE'); 'MS28PM9' qui traite tous les Žchanges de chaleur et les phŽnom•nes dynamiques; et 'R25F' qui s'occupe du rayonnement. Le module 'DS28M9' contient des routines de diagnostic.

La version 'mŽdiane' (8¡x10¡) a ŽtŽ utilisŽe pour presque toutes les simulations, malgrŽ sa faible rŽsolution spatiale, pour plusieurs raisons. Les simulations antŽrieures ont largement utilisŽ cette version, surtout pour les isotope de l'eau (sauf Charles et al., 1994), il Žtait donc prŽfŽrable d'utiliser la m•me pour pouvoir comparer (j'utilisais alors un mod•le pour la premi•re fois ...). De plus les paramŽtrisations isotopiques ont ŽtŽ dŽveloppŽes sur cette version, et le simple changement de rŽsolution peut affecter leur validitŽ. Enfin la souplesse d'utilisation d'un mod•le peu gourmand ˆ la fois en temps et en place disque est apprŽciable, quand on en est ˆ 'tatonner' et ˆ corriger ses erreurs. Pour mŽmoire, une simulation climatique de 10 ans, avec 21 traceurs, reprŽsente environ 110 heures de calcul.

La comparaison avec les simulations antŽrieures puis entre nos diffŽrents essais a fait appara”tre un manque de reproductibilitŽ pour ce qui concerne les isotopes, c'est-ˆ-dire que deux simulations avec les m•mes param•tres et les m•mes conditions limites donnent des rŽsultats lŽg•rement -par rapport ˆ la variabilitŽ interne- diffŽrents. En particulier les valeurs com- muniquŽes par Randy Koster issues de la simulation moderne de 5 ans '958P' (avec moyenne sur les 4 derni•res annŽes, qui a servi de contr™le dans le travail de Jouzel et al., 1994) n'ont jamais pu •tre reproduites exactement. Deux param•tres Žtaient en fait diffŽrents dans la version re•ue de Rick Healy, deux tempŽratures seuils : TLS et TFREEZ, avec, respectivement dans 958P et dans nos simulations, les valeurs de -15¡C/-25¡C et -5¡C/-10¡C. Une simulation dŽnommŽe 't958' a ŽtŽ rŽalisŽe avec exactement les m•mes param•tres que 958P sans se rapprocher plus de ses rŽsultats. Nous avons gardŽ les valeurs diffŽrentes de TLS et TFREEZ parce que de nombreuses simulations avaient dŽjˆ ŽtŽ faites. Ces diffŽrences pourraient expliquer les valeurs d'exc•s en deutŽrium plus faibles en Antarctique que dans les rŽsultats de Jouzel et al. (1987). Pour expliquer la non-reproductibilitŽ, deux ŽlŽments peuvent •tre avancŽs, dont on ne conna”t pas rŽellement la portŽe: le codage des nombres en simple prŽcision (sur 4 octets), qui n'est peut-•tre pas suffisamment prŽcis; et l'utilisation d'un gŽnŽrateur de nombre alŽatoire (fonction 'RANDU' utilisŽe pour la distribution radiative des nuages). Comme ces variations sont faibles, nous n'avons pas poussŽ plus loin nos investigations. Avec la faible

rŽsolution spatiale, nous ne pouvons Žtudier de toutes fa•ons que des variations de premier ordre.

La dŽfinition gŽographique des sources est la m•me pour toutes les simulations 'globales', autres que les simulations ˆ but rŽgional (focalisŽe par exemple sur les Andes). 19 sources, correspondant ˆ 21 traceurs (19 plus les deux isotopes) sont ainsi dŽfinies par des limites gŽographiques immobiles, fixŽes une fois pour toute par rapport ˆ la tempŽrature annuelle de surface, ainsi que la teneur isotopique de la vapeur. Le tableau II.3 prŽsente ces crit•res.

HEMISPHERE SUD

3. Antarctique: continent plus glace de mer permanente (>90% de la surface en ŽtŽ) 4. Pacifique, sst<-1¡C 5. Atlantique, sst<-1¡C

6. ocŽan Indien, sst<-1¡C 7. Pacifique, -1¡C<sst<8¡C 8. Atlantique, -1¡C<sst<4¡C 9. ocŽan Indien, -1¡C<sst<4¡C 10. Pacifique, 8¡C<sst<20¡C 11. Atlantique, 4¡C<sst<12¡C 12. ocŽan Indien, 4¡C<sst<12¡C 13. Pacifique, 20¡C<sst<27¡C 14. Atlantique, 12¡C<sst<20¡C 15. ocŽan Indien, 12¡C<sst<22¡C 16. Atlantique, 20¡C<sst<24¡C 17. ocŽan Indien, 22¡C<sst<27¡C

18. Atlantique, 24¡C<sst<28¡C 19. ocŽan Indien, sst>27¡C ('warm pool') 20. Pacifique, sst>27¡C ('warm pool')

21. continents, surface continentale > 70% (Žtant donnŽ le rapport 2/3 moyen entre l'Žvaporation continentale et ocŽanique)

HEMISPHERE NORD

3. continent, surface continentale > 70%

4. ocŽan Indien, sst>26¡C 5. Atlantique, sst>26¡C 6. Pacifique, sst>27¡C 7. Pacifique, 20¡C<sst<27¡C 8. Atlantique, 24¡C<sst<26¡C 9. Atlantique, 20¡C<sst<24¡C

10. Atlantique, 14¡C<sst<20¡C 11. MŽditerranŽe+mer Noire, 14¡C<sst<22¡C 12. Pacifique, 16¡C<sst<20¡C 13. Atlantique, 10¡C<sst<14¡C

14. Pacifique, 10¡C<sst<16¡C 15. Pacifique, 6¡C<sst<10¡C 16. Atlantique N, 4¡C<sst<10¡C 17. Pacifique, 4¡C<sst<6¡C

18. Labrador+grands lacs, -1.8¡C<sst<4¡C 19. Atlantique NE, -1.8¡C<sst<4¡C 20. ocŽan Arctique sans glace permanente

21. ocŽan Arctique avec glace permanente (100% en ŽtŽ)

Tableau II.3. Crit•res de dŽfinition gŽographique des sources, d'apr•s la tempŽrature annuelle de surface ocŽanique ('sst').

Etant donnŽ que l'Žchange interhŽmisphŽrique de vapeur est faible (au moins dans le mod•le, estimŽ ˆ moins de 1%), chaque source est dŽdoublŽe entre les deux hŽmisph•res. Une translation mŽridienne de la numŽrotation des sources assure une distance maximale entre les m•mes sources: par exemple la source n¡20 reprŽsente la zone ocŽanique Žquatoriale dans l'hŽmisph•re sud et l'ocŽan arctique dans l'hŽmisph•re nord. La Figure II.8 prŽsente ces sources. Une dŽfinition ŽlŽgante, dynamique, des sources, dont les limites gŽographiques changent alors de fa•on ˆ conserver leur tempŽrature moyenne ˆ chaque pas de temps, a ŽtŽ testŽe par Randy Koster. D'apr•s lui, cette technique est instable et ne donne pas de bons rŽsultats. Elle a pourtant ŽtŽ adoptŽe par l'Žquipe utilisant le mod•le ECHAM (Werner et al., 1999b, manuscrit soumis).

D'autres dŽfinitions gŽographiques des sources ont ŽtŽ utilisŽes, pour Žtudier l'origine des prŽcipitations sur les Andes (travail avec Arthur Green, du Lamont-Doherty Earth Observatory), sur les Alpes (dans le cadre du programme ALPCLIM).

II.2.2. L'origine des prŽcipitations antarctiques simulŽe par le mod•le du