Grandes bases de données sur le système climatique 20 février 2012 Hervé Le Treut, Marie-Alice Foujols, Sébastien Denvil foujols@ipsl.jussieu.fr

Plan Présentation rapide du système climatique Le contexte international, Européen et Français Présentation de l’IPSL Présentation du pôle de modélisation Modèle couplé IPSL-CM5 Quelques figures de résultats

Le système climatique IPCC, 2007

Quels changements ont eu lieu? Dans quelle mesure comprenons-nous les climats passé et présent? Quels changements pourront se produire? Observations directes/indirectes : Températures Précipitations Couverture de glace ou de neige Niveau des océans Circulation Extrêmes Simulations : Variation naturelle Forçages Climat global Climat régional Évènements à fort impact Stabilisation Observations versus Simulations Périodes paléo et instrumentées Temps : Le Présent Le Futur IPCC, 2001

800 000 ans : Nature 14/5/2008

Cycle de Milankovitch Schéma des variations de l’orbite terrestre (cycles de Milankovitch), engendrant les cycles glaciaires. ‘T’ - modification de l’orientation (de l’inclinaison) de l’axe de la Terre ; ‘E’ - modifications de l’excentricité de l’orbite (dues aux variations du petit axe de l’ellipse) ; et -’P’- précession, c.à.d. modifications au niveau de l’orientation de l’inclinaison de l’axe par rapport à un point donné de l’orbite. IPCC, 2007

http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/

Les gaz à effet de serre Concentrations atmosphériques des principaux gaz à effet de serre depuis 2.000 ans. Leur augmentation depuis l’ère industrielle (vers1750) est d’origine humaine. Les unités de concentration sont exprimés en parts par million (ppm) ou en parts par milliard (ppb), elles indiquent le nombre de molécules de gaz à effet de serre dans un échantillon atmosphérique donné par million ou milliard de molécules d’air. IPCC, 2007

Températures continentales

Les modèles de climat Des équations Numérisation Programmes informatiques Calculateurs Résultats Confrontation aux observations Projections sur le futur

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Organisations mondiales L’Organisation Météorologique Mondiale Programmes : World Climate Research Programme (WCRP), … Groupes de travail : Working Group on Coupled Modelling (WGCM) Working Group on Numerical Experimentation (WGNE), … Coupled Model Intercomparison Project : CMIP Pas d’argent mais une structure de coopération internationale

Organisations mondiales L’OMM et le Programme pour l’Environnement des Nations Unies : En 1988 : Création du GIEC : Groupe d’experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat Publication de rapports d’évaluation des connaissances tous les 5-6 ans : 1990, 1995, 2001, 2007, ... 2013 Conférences internationales : Doha ces jours-ci, Suite du protocole de Kyoto au delà de 2012

Niveau Européen ENES Nombreux projets scientifiques FP7 European Network for Earth System modeling isENES1 (2007-2013) , isENES2(2013-2017) Rapport de prospective Voir exposé S Joussaume SuperComputing 2012 Nombreux projets scientifiques FP7 Prace : soutien mutuel, participation au Scientific Use Cases

Niveau Français Institut National des Sciences de l’Univers (INSU) : coordination inter-organismes CNRS, CEA, Météo France , Universités, … MissTerre : coordination IPSL, CERFACS, M France Conférence de presse février 2012 : Voir :https://www.ipsl.fr/Actualites/Actualites-scientifiques/Changement-climatique-les-nouvelles-simulations-francaises-pour-le-prochain-rapport-du-GIEC Nombreux projets ANR

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Institut Pierre Simon Laplace Fédération de 6 laboratoires, liée à 3 Observatoires des Sciences de l’Univers : Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS) , Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques (LISA) , Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) , Laboratoire d’Océanographie et du Climat : Expérimentation et Approches Numériques (LOCEAN), Laboratoire de Physique Moléculaire pour l'Atmosphère et l'Astrophysique (LPMAA), Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE) 10 tutelles Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS : INSU et INEE), Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 Université Versailles Saint-Quentin en Yvelines Commissariat à l’Energie Atomique (CEA) Institut de Recherche et Développement (IRD) Ecole Normale Supérieure Ecole Polytechnique Centre National d’Etudes Spatiales (CNES). Université Denis Diderot – Paris 7 Université Paris 12 Val de Marne

Les laboratoires et les tutelles

THEMES SCIENTIFIQUES ET APPROCHES ENVIRONNEMENT GLOBAL DE LA TERRE ET ENVIRONNEMENTS PLANETAIRES (passé, présent et évolution future aux échelles locales, régionales et globales) climat composition chimique (phénomènes naturels et anthropiques) interactions ionosphère-magnétosphère planétologie EXPERIENCE, THEORIE, MODELISATION expériences (sol, avions, ballons, bateaux, satellites) observatoires permanents modélisation (processus, simulation numérique)

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Le pôle de modélisation du climat 80 personnes, coordinateur Jean-Louis Dufresne, dir adj IPSL Missions : Fédérer les études multidisciplinaires (scientifiques ou techniques) faisant intervenir les composantes du modèle de l'IPSL Identifier et coordonner les simulations de référence Fédérer et rationaliser les moyens, les développements techniques Animation scientifique Modèle climat : Atmosphère Océan et glace de mer Surfaces continentales Cycle du carbone Chimie IPSLCM5 Earth System Model Le modèle climat IPSL 26

Organisation Comité de pilotage Resp: J-L Dufresne; Bureau: L. Bopp, MA Foujols, J. Mignot Comité de pilotage Modeling platform (IPSL-ESM) Arnaud Caubel (LSCE) - Marie-Alice Foujols (IPSL) Data Archive and Access Requirements Sébastien Denvil (IPSL) - Karim Ramage (IPSL) Atmospheric and surface physics and dynamics (LMDZ) Frédéric Hourdin (LMD) - Laurent Fairhead (LMD) Ocean and sea ice physics and dynamics (NEMO, LIM) C Ethé (IPSL) - Claire Lévy - Gurvan Madec (LOCEAN) Atmosphere and ocean interactions (IPSL-CM, different resolutions) Sébastien Masson (LOCEAN) - Olivier Marti (LSCE) Biogeochemical cycles (PISCES) Laurent Bopp (LSCE) - Patricia Cadule (IPSL) Current and future climate changes Jean-Louis Dufresne(LMD) - Olivier Boucher (LMD) Paleoclimate and last millennium Pascale Braconnot - Masa Kageyama (LSCE) “Near-term” prediction (seasonal to decadal) Eric Guilyardi (LOCEAN) - Juliette Mignot (LOCEAN) Evaluation of the models, present-day and future climate change analysis Sandrine Bony (LMD) - Patricia Cadule (IPSL) - Marion Marchand (LATMOS) - Juliette Mignot (LOCEAN) Regional climates Robert Vautard (LSCE), Laurent Li (LMD) Atmospheric chemistry and aerosols (INCA, INCA_aer, Reprobus) Anne Cozic (LSCE) - M. Marchand (LATMOS) Continental processes (ORCHIDEE) Philippe Peylin (LSCE) - Josefine Ghattas (IPSL)

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Le modèle climat de l’IPSL : IPSLCM5

Les grilles horizontales Atmosphère et surf. continentale (LMDZ - ORCHIDEE) 19 vert. levels coupleur (OASIS) Résolutions: Atm: 3.75°x2.5° (~350 km) Oce: 2°x2° reserré à l’équateur Océan et glace de mer (ORCA-LIM)

Simulations centennales proposées par CMIP5 pour la préparation du 5e rapport du GIEC Évolution du climat au 20e siècle Évolution du climat au 21e siècle Thématiques d'intérêt pour l'IPSL Paléo-climats Climat-carbone ( C4MIP, P. Friedlingstein) Nuages (CFMIP, S. Bony) Paléoclimat (PMIP P. Braconnot) Aérosols (AEROCOM, M. Schultz) Emissions (GEIA, C. Granier) Ozone (CCMVal, S. Bekki) Estimation des forçages radiatifs Sensibilité climatique et rétroactions des nuages Chimie et aérosols Couplage climat-carbone

Modèles de l'IPSL pour CMIP5 LMDZ-ORCHIDEE-ORCA-LIM-PISCES-INCA-REPROBUS-OASIS IPSL-CM5A Modèle intégré du système Terre (ESM) IPSL-CM5B Idem IPSL-CM5A, avec modèle atmosphérique LMDZ5B IPSL-CM5A-LR Basse résolution atm: 3.75°x2°L39 oce: 2° L31 IPSL-CM5A-MR Moyenne résolution atm: 2.5°x1.25°L39 oce: 2° L31 IPSL-CM5B-LR Basse résolution atm: 3.75°x2°L39 oce: 2° L31

Mois simulés Arrivée SX9 réglage État initial CMIP5 Chimie-aérosls Changement stockage TGCC Date limite publications articles GIEC Publication sur ESG Arrivée SX9

Evolutions : Physique : nouvelle physique LMDZ Plus de résolutions, Pulsation et S Masson Des ensembles, S Denvil tests actuels Des simulations plus longues, P Braconnot Des modèles plus complexes à bon escient: ajout de la chimie A Cozic Plus grand nombre de processeurs : cœur dynamique de LMDZ sur grille icosaédrique, Y Meurdesoif Optimisations des IO, XIOS, Y Meurdesoif Optimisation de l'ensemble de la chaine: modipsl/libIGCM, ...  Contraintes ressources calcul, données, réseau

Quelques Enjeux pour les simulations climatiques Des questions de plus en plus précises impliquant : de nombreuses échelles de temps et d’espace (global au local, quelques années à quelques décennies) Evolution des caractéristiques de la météorologies et de la variabilité climatique (heure à décennale) Couplages entre le climat et les cycles biogéochimiques (gaz à effet de serre, aérosols, cycle du carbone, utilisation des terres,…) GIEC (simulations coordonnées) : Ensembles de projections climatiques suivant différents scénarios socioéconomiques À 3° de résolution : 380 cœurs pendant 2 ans (exercice actuel) À 2° de résolution : 840 cœurs pendant 2 ans (exercice en cours) À 1/3° de résolution : 500000 cœurs pendant 2 ans (à venir?) Calcul effectué pour machine type titane (correspond à nombre cœurs nécessaires à plein temps sur 2 ans CMIP5 LR : 380 cœurs pendant 2 ans. Atm : 96x96x39 – océan 182x149x31 – 32 cœurs CMIP5 MR : 840 cœurs pendant 2 ans Atm : 144x142x39 – océan 182x149x31 – 64 cœurs. CMIP5 GD : 500 000 cœurs pendant 2 ans. Atm : 768x768x39 – océan 1440x1200x40 – 2191 cœurs. Et plus en augmentant les ensembles, la complexité … Ensembles Résolution Complexité

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Merci pour votre attention!

Prise de conscience du changement climatique IPSL, 2005

Le GIEC (IPCC) Groupe d’experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat Mis en place en 1988 par : l'Organisation Météorologique Mondiale le Programme pour l'Environnement des Nations Unies Le rôle du GIEC est d’évaluer de façon impartiale les informations internationales scientifiques, techniques et socio-économiques sur l’évolution du climat. Représentants des gouvernements et scientifiques Adoption de certains documents en session plénière (1 pays, 1 voix) Publication de rapports d’évaluation tous les 5-6 ans : 1990, 1995, 2001, 2007, ... 2013

Les activités humaines ont-elles déjà influencé le climat ? GIEC 1990 : On ne sait pas GIEC 1995 : Peut-être GIEC 2001 : Probablement (+ 2/3) GIEC 2007 : Très probablement (+ 9/10) L’essentiel de l’accroissement observé sur la température moyenne globale depuis le milieu du 20e siècle est très vraisemblablement dû à l’augmentation observée des gaz à effet de serre anthropiques Prochain rapport en 2013, septembre, Stockholm, draft en cours de revue Jouzel 2007