Description technique

Le contenu du modèle, les hypothèses, les équations. L'organisation informatique, les choix de programmation.

Généralités

Le modèle (Sadourny and Laval, 1984) est basé sur un noyau dynamique qui intègre sur la sphère et dans le temps les équations primitives de la météorologie (une version simplifiée des équations de Navier Stokes). Les équations sont discrétisées spatialement sur une grille horizontale rectangulaire dans le plan longitude – latitude. La répartition des longitudes et latitudes peut être fixée arbitrairement pour raffiner le maillage sur une région du globe (le Z de LMDZ signifie zoom). La discrétisation horizontale privilégie la conservation de l'enstrophie. Des opérateurs de dissipation sont introduits pour représenter l'interaction entre échelles horizontales explicites et échelles sous-maille, et notamment le pompage d'enstrophie aux petites échelles. La coordonnée verticale hybride épouse la topographie près de la surface et correspond à des niveaux de pression dans la haute atmosphère.

Le modèle est doté de modules permettant de calculer le transport à grande échelle et convectif ou turbulent d'un nombre arbitraire d'espèces traces. Le transport à grande échelle est prédit en utilisant des schémas en volume finis de Van Leer (1977) mis en oeuvre et testés dans LMDZ par Hourdin et Armengaud (1999).

Paramétrisations physiques

Couplé au noyau hydrodynamique, le modèle inclut un jeu de paramétrisations physiques. C'est ce qu'on appelle "la physique" du modèle. Dans la version terrestre, on dispose de deux versions de la physique. La version dite AR4 (Hourdin et al., 2006; Braconnot et al., 2007), utilisée pour effectuer des projections du changement climatique pour le quatrième rapport du GIEC, et une nouvelle physique, en cours de validation.

Physique AR4

Le transfert radiatif est calculé au moyen de modèles à bandes larges dans le visible (Fouquart and Bonnel, 1980) et dans l'infrarouge thermique (Morcrette, 1991). La turbulence dans la couche limite est représentée par une "diffusion turbulente", dont l'intensité est spécifiée en fonction du nombre de Richardson. Deux calculs, dépendant de la force de l'inversion en sommet de couche limite, permettent de simuler les stratocumulus sur les bords Est des océans. Pour les calculs de couche limite, chaque colonne d'atmosphère est divisée en quatre sous-colonnes, couplées respectivement avec les océans, les surfaces continentales, la banquise et les glaciers. La paramétrisation de la convection nuageuse repose sur une approche en flux de masse. On peut activer au choix la paramétrisation de Tiedke (1989) ou celle d'Emanuel (1993). La fraction nuageuse associée à la convection est prédite à partir du contenu en eau des nuages, lui-même prédit par le schéma en flux de masse au travers d'une distribution statistique (Bony and Emanuel, 2001). En plus des nuages convectifs, on prédit des nuages "stratiformes" à partir de l'eau totale dans la maille et de l'humidité à saturation en imposant une distribution statistique avec une largeur imposée arbitrairement. La génération d'ondes de gravités par les montagnes non résolues ainsi que l'effet de freinage ou de détournement du fluide sont décrits par les paramétrisations de Lott et Miller (1997).

Nouvelle physique

Différents développements physiques ont été entrepris depuis une dizaine d'années au LMD portant à la fois sur les paramétrisations pour le bloc couche-limite/convection/nuages et sur l'extension à la stratosphère. La nouvelle physique comprend :

  • Un nouveau schéma de couche limite combinant un modèle en diffusion turbulente avec équation pronostique pour l'énergie cinétique turbulente (Yamada, 1983) et un schéma "en flux de masse" pour représenter les structures cohérentes de la couche limite convective sèche (Hourdin et al., 2002) ou nuageuse (Rio and Hourdin, 2008).
  • Une version modifiée du schéma de convection orageuse d'Emanuel (modification de la prescription des probabilités de mélange avec l'environnement, fermeture et déclenchement basés sur les caractéristiques de la couche limite) (Grandpeix et al., 2004).
  • Prise en compte des poches froides créés par réévaporation des pluies convectives. Ces poches froides sont utilisées en retour pour le déclenchement et la fermeture de la convection.
  • Des paramétrisations spécifiques des ondes pour la représentation de la dynamique stratosphérique (Lott et al., 2005).
  • Le nouveau schéma de rayonnement du Centre Européen (RRTM dans l'infra-rouge thermique et modèle à 6 bandes dans le visible) est également en cours de test.