Méthodes mathématiquement et physiquement consistantes pour le couplage océan-atmosphère – COCOA

Dans le contexte actuel de changement climatique global, les modèles numériques sont essentiels pour explorer les caractéristiques du système climatique et anticiper son évolution. Bien que ces modèles soient de plus en plus complexes, un point clé reste cependant la représentation des échanges océan-atmosphère (OA). Ceci recouvre de nombreux aspects : paramétrisation des couches limites océanique et atmosphérique, estimation des flux échangés, schémas numériques espace-temps, raccordement des différentes grilles de calcul à l’interface, algorithmes de couplage…
Démarré dans les années 90, l’effort de couplage a beaucoup porté sur la modularité des interfaces des modèles, et sur la conservation de l’énergie et de l’eau. Si de nombreux travaux ont depuis permis des améliorations, ils ont été toutefois le plus souvent ponctuels et ont traité différents aspects de manière indépendante. Dans ce contexte, notre projet vise à réexaminer globalement la représentation du couplage OA dans les modèles de climat, en intégrant de façon cohérente les points de vue physique, mathématique, numérique et algorithmique. A cette fin, il rassemble des spécialistes des diverses disciplines considérées.
Les flux turbulents air-mer traduisent une large part du couplage OA. Ils sont estimés dans les modèles à partir des valeurs de quantités physiques (vent et courant, température, humidité) au voisinage de l’interface air-mer, et sont largement dépendants des paramétrisations choisies pour les couches limites atmosphérique et océanique et pour les calculs de flux. Dans ce projet, nous voulons d’une part améliorer la cohérence de cet ensemble de paramétrisations (choisies en général indépendamment), la caractériser par des critères objectifs et étudier son influence sur les résultats des modèles. D’autre part nous enrichirons ces paramétrisations en y incluant la représentation de phénomènes à fort impact (rafales de vent, couches chaudes océaniques diurnes, effets sous maille des fronts de SST), tout en déterminant le bon niveau de complexité à introduire dans les modèles du climat global. L’apport de ces nouveaux aspects sera évalué selon des critères déterministes (e.g. suivi d’évènements particuliers) et statistiques (e.g. variabilité intra-saisonnière et interannuelle), en nous focalisant sur les régions tropicales.
Pour bénéficier de l'amélioration de la représentation physique du couplage dans les runs climatiques, il est nécessaire d'améliorer la cohérence mathématique et algorithmique du couplage. La discrétisation espace-temps des algorithmes usuels de couplage OA présente des incohérences. Ainsi la synchronisation entre modèles d’océan et d’atmosphère n’est que partielle, induisant un déphasage entre leurs cycles diurnes et de potentiels biais dans l’estimation des maxima journaliers et empêchant une représentation correcte des couches chaudes diurnes. Nous proposons de corriger cette incohérence par une méthode itérative (algorithme de Schwarz) dont le surcoût pourra être limité via l’utilisation locale de modèles réduits. De même, dans les calculs de flux de surface, nous réduirons les incohérences physiques dues aux différences de résolution entre les maillages océan et atmosphère par l’utilisation de grilles d’échange intermédiaires.
Toutes ces améliorations seront mises au point et testées dans des cas 1D, pour lesquels un modèle couplé 1D OA sera développé spécifiquement et des solutions de référence seront calculées par simulation grande échelle (LES). Le transfert vers les modèles de climat et l’évaluation de l’impact sera ensuite assuré par des simulations 3D avec les deux modèles français de climat IPSL-CM et CNRM-CM.
Beaucoup d’apports de ce projet seront génériques et applicables à tout modèle couplé OA. Une attention particulière sera portée à la mise à disposition des nouveaux outils développés (modèle 1D couplé OA, simulations LES couplées, bibliothèque de cas-tests et critères d’évaluation) pour la communauté scientifique.