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Modèles du futur, futur des modèles Pratiques, débats et stratégies en modélisation du climat Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre.

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1 Modèles du futur, futur des modèles Pratiques, débats et stratégies en modélisation du climat Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1 er avril Hélène Guillemot (Centre Alexandre Koyré) Projet ANR ClimaConf

2 Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1 er avril

3 plan Introduction 1- Les modèles de climat 2- Pratiques de modélisation -Analyses de simulations -Développement de paramétrisations 3- Débat sur lévolution des modèles 4- Différences de « styles de vie épistémiques » -Typologies existantes -Holisme et découpages -Paramétrisation, pis aller ou outil heuristique 5- Pratiques, cultures et institutions Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1 er avril

4 1- Les modèles de climat Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1 er avril LMDZ, le modèle de circulation atmosphérique du LMD Le modèle couplé climat de lIPSL

5 2- Pratiques de modélisation Analyses de simulations 5 Changement de température pour un doublement du CO2 (= sensibilité) multi-modèle a)contributions des différentes rétroactions b) dispersion (=différence entre les modèles) pour chaque forçage et rétroaction J-L Dufresne and S. Bony, 2005 Identifier et hiérarchiser les rétroactions Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1 er avril 2014

6 6 Jule Charney ( ) « What made the Charney Report so prescient? The emphasis on the importance of physical understanding gained through theory and simple models, both for its own sake, to facilitate the distillation of scientific knowledge, and to help interpret and check the results of GCMs, proved highly productive » 2- Pratiques de modélisation Analyses de simulations Une stratégie qui se réclame du rapport Charney de 1979

7 2- Pratiques de modélisation Analyses de simulations Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1 er avril Recours à un spectre de modèles de différentes complexités Aqua-planète Etude des rétroactions nuageuses de versions « aqua-planète » de différents modèles Stevens & Bony 2013

8 2- Pratiques de modélisation Développement de paramétrisations Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1 er avril La nouvelle physique du modèle LMDZ turbulencepanaches thermiquespoches froides Convection profonde daprès J.-Y. Grandpeix

9 Pratiques de modélisation Développement de paramétrisations Validation dune paramétrisation par simulation « explicite » Version « uni-colonne » du GCM Observations par une campagne de terrain Shéma idéalisé de la paramétrisation simulation « explicite » par un modèle à haute résolution humidité Même forçage grande échelle Validation: comparaison de lévolution des nuages simulée : - par un GCM avec la nouvelle paramétrisation - par une simulation explicite avec un modèle à haute résolution daprès F. Hourdin Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1 er avril 2014

10 Holisme et compréhension …selon des épistémologues : « ln many computer simulations, the dynamic relationship between the initial and final states of the core simulation is epistemically opaque because most steps in the process are not open to direct inspection and verification. This opacity can result in a loss of understanding (... )» Humphreys, P Extending Ourselves. Computational Sciences, Empiricism, and Scientific Method. Oxford: Oxford University Press. « Global models of climate face a form of confirmation holism. This holism makes analytic understanding of complex models of climate either extremely difficult or even impossible » « Climate models are analytically impenetrable in the sense that it is impossible to tell, by any method, where to locate the sources of the failures of our models to match known data » Lenhard, J. & E. Winsberg, « Holism and Entrenchment and the future of climate model pluralism », Studies in History and Philosophy of Modern Physics, vol. 41, issue Débat sur lévolution des modèles Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1 er avril 2014

11 11 3- Débat sur lévolution des modèles Earth System Models IGBP

12 Compréhension, modèles simples et prévision « In order to assess the climatic effects of increased atmospheric concentrations of CO2, we consider first the primary physical processes that influence the climatic system as a whole. These processes are best studied in simple models whose physical characteristics may readily be comprehended.» « Charney Report », 1979 « A prediction of future climate wich is not based upon a satisfactory understanding of model behaviour is indistinguishable from the prediction of a future teller » Correspondance entre deux modélisateurs américains en 1993, Shackley 2001 « For sufficiently complex systems, we need a model hierarchy on which to base our understanding, describing how the dynamics change as key sources of complexity are added or subtracted. Our understanding benefits from appreciation of the interrelationships among all elements of the hierarchy. » Held I., « The Gap between Simulation and Understanding in Climate Modeling », Bull. Amer. Meteor. Soc., 86, 2005 « An important concept in climate system modelling is that of a spectrum of models of differing levels of complexity, each being optimum for answering specific questions. » 4th IPCC Assessment Report (AR4), chap. 8 (Climate models evaluation), 2007 «The reliability of our models will remain difficult to establish and the confidence in our predictions will remain disproportionately dependent on the development of understanding ». Bony, S., et al.. « Carbon Dioxide and Climate: Perspectives on a Scientific Assessment », Différences de « styles de vie épistémiques » Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1 er avril 2014

13 13 Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1 er avril 2014 « Note the irony here: Even though the basic physical equations in which we have the most confidence describe small-scale processes, in practice it is the effects of those small- scale processes that are incorporated into our models through the use of uncertain closure assumptions. It is ironic that we cannot represent the effects of the small-scale processes by making direct use of the well-known equations that govern them. » « Cloud parameterization developers (a small group, even worldwide) are struggling to identify the most important processes on the basis of woefully incomplete observations. At the same time, they are trying to compute the statistics of these processes that matter for the large-scale circulation and climate, without directly representing the cloud processes at their native space and time scales. » « Future parameterizations should represent PBL processes and moist convective processes in a unified framework » « (…) the large-scale effects of microphysics, turbulence, and radiation should be parameterized as closely coupled processes acting in concert, rather than as separate processes » 4- différences de « style de vie épistémiques » « Limpasse des paramétrisations » Randall et al. 2003, BAMS

14 « Paradigme dynamique », ambitions et frustrations « The first great step in the development of any physical science is to substitute for the indescribably complex reality of nature an ideal system that is an effective equivalent for the purpose of theoretical computation » N. Shaw ( ), Directeur du Meteorological Office de Grande-Bretagne, 1926 (cité par Nebeker) Napier Shaw thought that it was premature to attempt to calculate the motion of the atmosphere on the basis of the known laws of physics, and that the proper course was first to discover a representation of the actual motions of the atmosphere and then from this infer the underlying laws. Thus he thought that meteorology needed, above all, a Kepler, someone to discern a pattern in the data. F. Nebeker, Calculating the Weather, 1995, p. 29 « Because of the impracticality (if not impossibility!) of calculating the fluxes of mass and energy involved in the long- term changes to the accuracy required by the geologic evidence, a more central need is to formulate, phenomenologically, the structure of the slow-response system ». B. Salzmann, Dynamical paleoclimatology : Generalized Theory of Global Climate Change (2001) « Si vous prenez un modèle de 2 Km de résolution, vous avez des résultats superbes, qui reprennent les observations (…). Mais cest frustrant : si on est obligé de le résoudre explicitement par les computers, ça veut dire quon na pas compris la physique quil y a derrière (…) On sait que lactivité de sous-maille est importante pour contrôler la circulation générale, mais on ne sait pas écrire de loi de transformation … » (Chercheuse de Météo-France – à propos dun modèle docéan) « On a des équations, malheureusement quand on regarde les équations, elles ne nous disent rien. Pendant un siècle ou plus, des gens ont essayé de simplifier au maximum ces équations, pour essayer de comprendre comment se faisait la cellule de Hadley, des choses comme ça. Et puis à partir du moment où les moyens de calcul ont existé, dans les années 70, on sest dit : bon, et bien tant pis, on va faire limpasse, on va rentrer ces équations dans une boîte noire et on va demander au modèle de faire les raisonnements pour nous, parce que nous, on nest pas capable de les faire (...) On ne peut pas remonter aux mécanismes fondamentaux, les mécanismes fondamentaux, ce sont les équations. Et les équations, on ne sait pas les résoudre. Donc… on demande au modèle de nous les résoudre » (Chercheur de Météo-Fr ance) 14

15 15 Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1 er avril 2014 Le monde des modèles de climat Bony et al. 2012

16 16 Programme « Balsamine » sur lanalyse de la mousson indienne. Participation du LMD à lexpérience GARP, 1979


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