De nouveaux modèles pour saisir le climat de la Terre à l’échelle du kilomètre
Jusqu’à présent, la recherche sur le climat ne disposait pas des outils adéquats pour savoir quels phénomènes météorologiques étaient susceptibles de se produire, quand, où et à quelle fréquence. La technologie n’était tout simplement pas assez puissante pour gérer cette complexité. «L’avancée majeure réside dans le fait que les nouveaux modèles peuvent désormais combler le fossé entre les phénomènes météorologiques à l’échelle planétaire, sur lesquels se concentrent les modèles climatiques traditionnels, et les mouvements à plus petite échelle qui sont à l’origine de ces phénomènes», note Bjorn Stevens, coordinateur du projet NextGEMS(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) financé par l’UE. «Contrairement aux anciens modèles qui reposent largement sur des approximations empiriques, ces nouvelles simulations sont mieux ancrées dans les lois physiques de la thermodynamique et de la dynamique des fluides. Cette avancée est rendue possible par les progrès massifs de la puissance de calcul, alimentés en partie par les demandes croissantes de l’IA.»
Des modèles mondiaux aux impacts locaux
Par exemple, il est désormais possible de simuler les régimes de vents locaux et les courants océaniques qui contribuent au maintien de nombreux systèmes naturels de la Terre. De même, nous pouvons simuler des tempêtes de pluie, y compris des cyclones tropicaux, dont les effets étaient auparavant soit ignorés, soit traités de manière statistique. Ces tempêtes ont de profondes répercussions sur la société, car elles peuvent provoquer des inondations, endommager les infrastructures et menacer des vies. Une autre avancée est la possibilité d’inclure les tourbillons océaniques dans les simulations. «Ces systèmes de circulation tourbillonnante contribuent à équilibrer le bilan énergétique de la planète et influencent la structure de l’océan mondial. Ils interagissent également avec les calottes glaciaires, un processus essentiel pour comprendre les changements du niveau de la mer», souligne Bjorn Stevens. Au-delà de ces phénomènes à grande échelle, les nouveaux modèles peuvent désormais prendre en compte des effets localisés de plus en plus petits, tels que les microclimats créés par une topographie complexe, les systèmes de vent associés aux jours à risque ou les effets refroidissants des brises de mer le long des côtes.
Faire progresser les connaissances sur les précipitations et le comportement des nuages
NextGEMS a développé deux modèles avancés de résolution des tempêtes qui seront utilisés scientifiquement et opérationnellement par Destination Earth. L’un d’entre eux a été construit sur le cadre de modélisation ICON et l’autre sur le système de prévision intégré du CEPMMT. Ces modèles présentent un espacement de grille impressionnant, jusqu’à 1 km. Les nouveaux modèles présentent d’autres avantages révolutionnaires: «Ils peuvent être plus facilement comparés à des mesures réelles, notamment aux données des derniers satellites Earth Explorer», souligne Bjorn Stevens. Ils sont donc plus simples à évaluer et à améliorer, ce qui permet d’espérer une représentation physique plus précise du climat. Grâce à la puissance de calcul d’EuroHPC, ces modèles ont été utilisés pour explorer un large éventail de questions scientifiques. Il s’agit notamment des facteurs qui régissent les régimes de précipitations tropicales, de la façon dont les nuages se forment et s’organisent, de la réaction du climat au réchauffement et aux aérosols, et de l’incidence des changements d’affectation des sols sur les précipitations. Parmi les principales découvertes, citons le rôle des échanges d’énergie air–mer dans la formation des précipitations tropicales, une boucle de rétroaction entre les précipitations et l’humidité du sol, l’influence du mélange vertical dans des conditions stables sur la répartition des nuages, et le rôle des tourbillons océaniques dans la régulation de la configuration spatiale du réchauffement climatique.
Une synergie entre les modèles à haute résolution et les modèles simplifiés
Les nouveaux modèles excellent à fournir des prévisions plus physiques sur la façon dont le climat évoluera au cours des prochaines décennies. Cependant, pour les échelles de temps plus longues (siècles ou millénaires), les modèles plus anciens et plus statistiques restent indispensables. Plus simples sur le plan informatique, ils peuvent fonctionner plus longtemps pour produire de grands ensembles, où le même calcul est répété plusieurs fois afin de mieux comprendre la part de variabilité intrinsèque au système lui-même. Ces caractéristiques les rendent inestimables pour les efforts visant à comprendre les changements à long terme et la variabilité à l’échelle décennale. «Pour le dire simplement, les nouveaux modèles sont conçus pour nous aider à réfléchir à l’adaptation locale au changement climatique. Les modèles plus anciens se concentrent sur les changements moyennés à l’échelle mondiale, ce qui est utile pour raisonner sur les stratégies d’atténuation», conclut Bjorn Stevens.
