modeles(2)

MODELES CLIMATIQUES(3)

Le réchauffement climatique est en route. 

Expérimentations dans l'atmosphère avec des ballons-sondes.

Le cycle de l'eau :

On distingue 3 parties : 

--- l'évaporation

--- le transfert

--- la condensation

Il y a "consommation" d'énergie par EVAPORATION.

Il y a restitution de l'énergie appelée "CHALEUR LATENTE" à l'atmosphère.

Deux cas possibles : 

--- le nuage se vaporise à nouveau, et l'énergie est conservée par l'atmosphère.

--- le nuage donne de la pluie et l'énergie réchauffe l'atmosphère localement. 

Le cycle de l'eau contribue à transférer de l'énergie des régions chaudes vers les régions froides aux latitudes plus élevées.

A remarquer que les poussières en suspension dans l'atmosphère ( aérosols ) provoquent la formation des gouttelettes d'eau donc des nuages.

Les nuages : 

Ils couvrent 70% de la surface terrestre et peuvent refroidir ou réchauffer la planète.

Sans les nuages la température serait plus forte de 12°C !

L'effet PARASOL :  l'évaporation produit des nuages bas qui sont composés de gouttelettes. Le rayonnement solaire va se réfléchir sur la partie supérieure de couleur blanche du nuage.

Les nuages bas, sont formés de gouttelettes liquides, ils sont à la base de couleur grise car moins transparents. Le rayonnement solaire ne passe pas : c'est l'effet Parasol.

L'effet de SERRE :  l'évaporation produit des nuages hauts qui sont constitués de cristaux de glace. Le rayonnement solaire traverse ces nuages, ce qui produit un échauffement de l'air dans les couches sous les nuages, les rayons infrarouges sont émis par le sol.

Les nuages d'altitude ( cirrus ) formés de cristaux de glace, sont blancs et laissent passer le rayonnement solaire. Ils renvoient le rayonnement infrarouge vers la Terre et ils la réchauffent : c'est l'effet de Serre.

Remarque : les nuages n'ont pas le même effet en été qu'en hiver, ni le jour et la nuit.

Les aérosols : 

ce sont des particules solides qui restent en suspension quelques jours dans l'atmosphère, elles sont plus lourdes que l'air. Chaque particule constitue un noyau autour duquel se condense la vapeur d'eau ( qui est invisible ) pour former des microgouttelettes en suspension ( visibles ) : des nuages. Certaines microgouttelettes sont de tailles très petites de l'ordre du micron, et ne sont pas visibles, c'est la concentration de ces microgouttelettes qui est visible : voir le brouillard par exemple. 

Production des aérosols :

Les poussières ont un effet PARASOL et refroidissent le climat en réfléchissant l'énergie arrivant du soleil. 

Par exemple : l'éruption du volcan Pinatubo en 1991, qui a émis du dioxyde de soufre autour de la Terre, a refroidit celle ci de 0,5°C.

Les aérosols d'origine humaine prolongent la vie des nuages et renforcent leur pouvoir réfléchissant.

Trous dans les modèles :

Les nuages se forment quand de l'air humide monte et se refroidit en altitude. 

Il faut deux masses d'air de températures différentes, l'air froid plus dense force l'air chaud à monter car plus léger. 

La naissance des nuages dépend de la circulation atmosphérique. Dans les zones peu peuplées ou sur les océans, il n'y a pas beaucoup de mesures directes par ballons-sondes, les modèles possèdent des trous de données qu'il faut combler avec des données " inventées" par "extrapolations". 

Modèles : 

A : pression et géopotentiel

B : températures à 850 hpa

C : températures niveau de la mer 

D : précipitations

E : vents au niveau de la mer

modèle Bracknell  :  pression, niveau mer, fronts, masse d'air

modèle Bolam : tous les paramètres sur résolution à maille fine de 21 km

Indice CAPE et LIFT : issus du modèle GFS

Paris : précipitations et température à 850 hpa

Réseaux météorologiques : 

Les mesures de base sont :      

Organisation météorologique mondiale : 

Mesures pour l'avenir :  développer la climatologie en faisant les actions suivantes :

Satellites disponibles : 

30 satellites météo à 36 000 km et à 800 km en orbite polaire.

Satellites en prévision : 

ADM AEROLUS : suivre les vents

GOCE : champ gravitationnel terrestre

SMOS : humidité du sol

CRYOSAT2 : évolution des glaces

Les observations au sol servent à calibrer les données prises par les satellites.

AMMA : analyse de la mousson africaine

GOOS : global ocean observation system

GAW : global atmosphère watch

Les prévisions : 

Un élément d'atmosphère est caractérisé par un petit nombre de variables physiques : pression, température, humidité, vent, teneur en eau liquide.

Cet élément est soumis à des forces externes : pesanteur, force de Coriolis, frottement et forces internes ( différences de pression, force d'Archimède). Il obéit à des lois de la physique : 

--- conservation de la masse.

--- conservation de l'énergie.

--- conservation de la quantité de mouvement. 

Ces lois permettent en théorie de prévoir la manière dont va évoluer le fluide de l'élément, il suffit de connaître son état initial.

La simulation numérique consiste à diviser l'atmosphère en un grand nombre d'éléments ou boîtes élémentaires comme il a été dit plus haut.

Les dimensions de ces boîtes sont d'une dizaine de km ou une centaine de km, horizontalement et de quelques centaines de mètre verticalement.

A un instant initial, les stations météo et les satellites permettent de connaître les variables physiques de chaque boîte élémentaire.

Il faut un logiciel pour déterminer la prévision sur l'évolution dans le temps des variables physiques. 

Des équations sont donc nécessaires et un logiciel appelé modèle numérique de prévision, qui va permettre de calculer en pas à pas l'évolution des paramètres physiques dans chaque boîte élémentaire. 

Le calcul peut se faire toutes les 3 heures et jusqu'à 10 jours. Mais dans la pratique, en raison des imprécisions dans les mesures et les modèles, une prévision à 10 jours est incertaine. Par contre quelques heures avant ou un jour à l'avance, la précision peut être très bonne.

Remarque importante : la connaissance des courants JET ( JET STREAM ) est indispensable, car les vents dans les basses couches sont influencés par les vents présents dans les courants JET, par effet d'entraînement des masses d'air. L'altitude inférieure du courant JET peut descendre assez bas, mais une incertitude peut apparaître dans l'évaluation de cette altitude. 

Le modèle ARPEGE ( météofrance ) : 

Les boîtes élémentaires ont une dimension horizontale minimale en France et progressivement plus grande vers les antipodes : 

20 x 20 km sur la France.

250 x 250 km sur les antipodes.

Projection cylindrique :  voir lalo.zip

Projection orthographique :  voir ortho.zip et anti.zip

Projection stéréographique polaire : stereo.zip

Ancienne méthode de prévision : 

Observation du déplacement et de l'évolution des structures atmosphériques identifiables ( centres d'action et fronts ).

Historique de la prévision numérique : 

--- mécanique des fluides.

--- équations non linéaires.

1--- établir les équations.

2--- numériser : remplacer les équations portant sur des variables continues par des équations portant sur des variables discrètes et dont les solutions sont obtenues au moyen d' algorithmes.

Description de l'atmosphère à un instant initial, obtenue par des mesures satellitaires et des mesures conventionnelles ( ballons-sondes et stations au sol ).

La difficulté de résoudre les équations, c'est que nous avons à faire avec un système d'équations aux dérivées partielles non linéaires pour lesquelles on ne dispose pas, dans le cas général, de solutions analytiques. 

MODELE EN POINT DE GRILLE : 

--- nombre de variables à traiter :  

Vent horizontal : 2 composantes.

Température

Humidité spécifique

Pression de surface

Le nombre de variable est égal au produit du nombre de grandeurs par le nombre de points traités    ( qui est fonction du modèle adopté pour la taille ).

--- nombre Nc de calculs à effectuer par variable pour un pas de temps de dt. 

--- nombre Nt de pas de temps nécessaires pour atteindre une échéance H :      Nt =   H  /  dt

dt dépend de dx, car il y a la condition de courant Friedrichs et Levy (  CFL ) : 

 U. dt / dx   <  C 

avec U :  vitesse de propagation des ondes les plus rapides décrites par les équations. 

avec C : nombre sans dimension dépendant de la géométrie et de la numération choisie. 

La vitesse de calcul R de l'ordinateur s'exprime en nombre d'opérations élémentaires en virgule flottante par seconde ( ou flops ). Le temps T pour effectuer une prévision est  : 

T =  Nv . Nc . ( Nt / R )

exemple :  sur le modèle ARPEGE ( 1998 ) :   Nv = 2,3 . 10⁷

4 variables à 3 dimensions, 31 niveaux, 600 x 300 points sur l'horizontale.

1 variable à 2 dimensions, 600 x 300 points sur la verticale.

à suivre, 

©2002 concept par SIECLE21 toute reproduction autorisée si mention du site.30/12/2014