Extrait de la Lettre n°10 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

1 - Cycle saisonnier des précipitations simulées au sommet du Groenland : pourcentage mois par mois de la précipitation annuelle moyenne.
Contact : Gherard Krinner (krinner@lgge.obs.ujf-grenoble.fr)

2 - Simulation de l'erreur du thermomètre isotopique à l'âge glaciaire due aux changement météorologique locaux (cycle saisonnier des précipitations, intensité de l'inversion de température de surface...).




3 - a) Teneur en poussières de l'atmosphère de surface, simulée pour le climat présent (mg/m3). Pour comparaison, les valeurs en italiques sont des données mesurées. b) Facteur simulé d'augmentation de cette teneur pour l'âge glaciaire (rapport teneur glaciaire / teneur moderne, sans unité). Contact : Katrine Krogh Andersen (kka@gfy.ku.dk)

Les versions récentes du Modèle de Circulation Générale d'Atmosphère (MCGA) du Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD, CNRS, Paris) offrent la possibilité d'augmenter localement la résolution horizontale sur une région d'intérêt particulie. Ceci est réalisé par distorsion de la grille en longitude et/ou en latitude, et l'augmentation régionale de la résolution spatiale se fait donc à nombre de point de grille constant et au détriment du reste du globe. Ces nouvelles versions sont connues sous le nom LMDZ, Z pour “zoom” (la version actuelle étant LMDZ3). Par rapport à un modèle régional à aire limitée, la couverture globale d'un MCGA Zoom tel que le modèle LMDZ (ou le modèle ARPEGE, l’autre MCGA français développé par Météofrance) permet de s'affranchir de la nécessité de fournir des conditions aux limites aux bords du domaine d'intérêt privilégié. Cet avantage général est particulièrement sensible dans le cas de simulations de climats différents de l'actuel.
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L’application aux calottes polaires
L'option “zoom” du modèle LMDZ a très tôt motivé, au LGGE, des applications sur les régions polaires. La modélisation du climat de ces régions présente en effet une sensibilité particulièrement élevée à la résolution spatiale du modèle à cause de la topographie marquée de la surface (les reliefs atteignent plus de 4000 m). Le MCGA LMDZ autorise des simulations à haute résolution sur les calottes (de l'ordre de 100 km, voir plus fin) à des coûts numériques raisonnables et avec une couverture globale, bien que dégradée à l'opposé de la région “zoomée”. Ces coûts limités autorisent des expériences numériques multiples afin d'améliorer le modèle, étudier les sensibilités climatiques et simuler des climats différents de l'actuel.Une première validation de l'approche “zoom” du modèle a conduit à réviser certains aspects physiques du modèle ayant montrés leurs limites dans les conditions climatiques extrêmes de l'Antarctique et du Groenland: couches limites stables, albédo de la neige, couverture fractionnaire de glace de mer, rugosité orographique...
Avec un “zoom” sur l'Antarctique ou sur le Groenland, le modèle optimisé en régions polaires (la physique a été optimisée pour mieux reproduire les spécificités des climats polaires) a trouvé plusieurs applications dans lesquels la haute résolution spatiale est un atout important. Il a permis des études de l'hydrologie et du bilan de masse des calottes de glace. Il a également été mis en oeuvre pour la simulation du climat d'âge glaciaire des calottes. Les forages tel que Vostok et EPICA et l'analyse des carottes de glace résultantes produisent des informations uniques sur l'environnement atmosphérique du passé mais l'interprétation quantitative en terme climatique et à grande échelle n'est pas toujours évidente. A haute résolution, la simulation numérique donne des indices.

Interprétation de l’écart de température glaciaire/interglaciaire trouvé par différentes méthodes
Ainsi, par exemple, le modèle a permis de proposer une interprétation quantitative des différences de température de surface à l'âge glaciaire produites par différentes méthodes de reconstruction. Au site de GRIP au Groenland, il y a 10°C d'écart entre l'estimation du changement glaciaire-interglaciaire de température par le thermomètre isotopique (10°C) et par la paléothermométrie par inversion du transfert de la chaleur dans la glace (20°C). Il est probable que la seconde méthode soit la plus fiable. Le thermomètre isotopique, qui exploite les changements de composition en isotopes stables de l'eau, enregistre entre autres des variations locales de la température de formation des précipitations. Si les précipitations sont uniformément réparties dans l'année, alors un échantillon de glace couvrant plusieurs années contient l'information isotopique moyenne annuelle. Si par contre le cycle saisonnier est marqué, l'information est biaisée vers la température de la saison pendant laquelle les précipitations sont les plus importantes. Le modèle simule un cycle saisonnier faible en climat contemporain, et bien plus marqué en âge glaciaire avec alors un maximum de chutes neigeuses en été (figure 1) : le changement glaciaire-interglaciaire, différence entre une moyenne annuelle (climat moderne) et un échantillonnage biaisé vers la saison chaude (âge glaciaire), est donc sous-estimé. Le modèle quantifie cette sous-estimation à environ 7°C au sommet du Groenland (site de Summit, où ont eu lieu les forages de GRIP et de GISP). Il reste 2 ou 3 °C d'erreur à expliquer, que le modèle attribue à des modifications de la relation entre la température au niveau de formation des précipitations (quelques centaines de mètre au dessus de la glace) et la température en surface. Le modèle produit même des cartes de distribution spatiale de l'erreur du thermomètre isotopique sur les calottes (figure 2). Il suggère que l'erreur est généralement plus faible en Antarctique qu'au Groenland. Elle serait même négligeable au site de Vostok. Les interprétations du modèle et les cartes prédictives d'erreur demanderaient à être confirmés par d'autres modèles climatiques.

La simulation des poussières
Des traceurs de la paléocirculation atmosphérique tels que les poussières minérales d'origine désertique ont également été introduit dans le modèle. Les simulations donnent, pour la première fois, une interprétation raisonnable de l'augmentation majeure de concentration de ces traceurs dans la glace Antarctique à l'âge glaciaire (figure 3). Au Groenland, le modèle simule une augmentation de concentration substantielle, qui reste cependant insuffisante par rapport aux données des carottes de glace. Ce problème se retrouve dans d'autres MCGA. Il est probablement lié à la définition des sources potentielles qui présente de grandes incertitudes et sur laquelle plusieurs groupes travaillent actuellement (modélisation des biomes, minéralogie...).

Importance du modèle “ zoomé ”pour les simulations climatiques concernant le climat moderne
Ce ne sont que quelques unes des applications réalisées et surtout potentielles du modèle qui sont mentionnées ci-dessus. En particulier, le raffinement spatial sur les régions polaires des simulations couplées existantes ou en cours du réchauffement climatique à l'échelle du prochain siècle est à l'ordre du jour, avec l’accent mis sur la régionalisation. La modélisation climatique globale “zoomée”, avec une haute résolution sur une région particulière, semble connaître un intérêt croissant en France et ailleurs. C’est l’un des domaines, étude du climat des calottes de glace, dans lequel le LGGE continue à s’investir.

Contact :
Christophe Genthon
Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environnement
UPR INSU-CNRS A5151
Université Joseph Fourier de Grenoble - BP 9605
38402 St Martin d'Hères
genthon@lgge.obs.ujf-grenoble.fr