Quelles sont les méthodes d’évaluation et de validation des modèles climatiques ?

Les exigences sur la qualité des simulations climatiques ne cessent de croître. De nombreuses observations, tests théoriques et prévisions rétrospectives permettent de vérifier si les grandes caractéristiques climatiques, ainsi que les mécanismes et processus mis en jeu, sont bien représentés.

L’évaluation de la capacité des modèles à représenter les différentes caractéristiques du climat consiste à confronter les résultats d’une simulation aux différentes observations disponibles. Les méthodes utilisées vont de simples comparaisons de cartes de moyenne et de variabilité (température, pluies…) à des estimations plus sophistiquées de l’accord modèles-données, faisant appel à des méthodes statistiques complexes. Ces méthodes plus avancées permettent de donner une mesure objective, en tenant compte notamment des incertitudes à la fois sur les observations et sur les simulations, en particulier celles liées à un échantillonnage temporel limité.

Chaque composante d’un modèle de climat (océan, atmosphère, glace de mer, végétation…) est d’abord validée séparément avant d’être intégrée au système complet. Cette première étape permet de juger des performances intrinsèques de chaque élément. Le système complet, ou couplé, est ensuite évalué sur divers aspects : représentation du climat moyen (répartition des nuages, principaux vents, température…), capacité à reproduire les caractéristiques saisonnières du climat dans chaque région (aptitude à simuler les moussons tropicales, l’englacement de l’Arctique en hiver…), mais aussi capacité à simuler la variabilité interannuelle à décennale observée dans l’océan, l’atmosphère. Pour illustration, les modèles actuels sont ainsi capables de simuler et même de prévoir, jusqu’à 6 mois à l’avance, l’émergence de températures de surface de la mer anormalement chaudes dans le Pacifique, phénomène connu et observé sous le nom d’El Niño. En revanche, les modèles de climat ont en général beaucoup de difficulté à représenter de façon satisfaisante les nuages dans l’atmosphère, et en particulier les nuages bas qui ont une extension verticale faible. Or, il est bien établi maintenant que les incertitudes sur l’évolution du climat au XXIe siècle sont principalement liées à la représentation même des processus nuageux et que l’effort doit être porté, entre autres, sur ce sujet. La communauté française a beaucoup œuvré ces dernières années pour améliorer la représentation des nuages. Par ailleurs, de nouvelles techniques de validation utilisant les données satellites, essentielles aux études climatiques, commencent à être utilisées afin d’échantillonner les caractéristiques des nuages simulés dans un modèle de manière correcte.

Les capacités des modèles à représenter les tendances récentes du climat observé (réchauffement global au XXe siècle de 0.74°C, hausse du niveau des mers de 17 cm) font aussi partie des critères de validation. Les simulations paléo-climatiques sont également appelées à la rescousse pour vérifier que l’on peut avoir confiance dans la capacité des modèles à reproduire les changements de climat importants déduits des enregistrements climatiques (carottes de glace, sédimentaire…) et résultant de forçages externes connus.

Les modèles français (IPSL

Institut Pierre-Simon Laplace (CNRS / UPMC / UPEC / Ecole Polytechnique/ CNES / IRD / ENS / Université Paris Diderot / UVSQ / CEA)

et CNRM

Centre national de recherches météorologiques (Météo France / CNRS)

-Cerfacs

Centre européen de recherche et de formation avancée en calcul scientifique (CNRS / CERFACS / Total SA / Safran / EDF/ EADS France SAS / CNES / Météo-France / ONERA)

) qui ont participé au dernier exercice international de comparaison de simulations de climat actuels, passés et futurs (CMIP5

CMIP5 : Coupled Model Intercomparison Project, Phase 5 : projet international proposant un protocole commun pour réaliser des simulations climatiques et mettre à disposition les résultats

) ont été évalués intensivement par les équipes françaises pendant environ 2 années. Ces modèles ont ensuite été examinés de façon indépendante par des équipes du monde entier qui analysent l’ensemble des simulations CMIP5 disponibles. Chacune de ces études se focalise sur un aspect particulier du système climatique et permet de brosser une évaluation objective et multifacette des modèles.