Groupe de Recherche DEPHY
Développement et Évaluation des paramétrisations PHYsiques des modèles atmosphériques
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Qu'est-ce que le GDR Dephy ?
Le GdR Dephy regroupe les communautés de l'observation, de la modélisation haute résolution, de la prévision du temps et du climat autour de recherches sur les paramétrisations physiques pour la modélisation de l'atmosphère. Il réunit des communautés d'étude des processus, d'observations et des modélisateurs autour d'un même objectif : le développement et l'amélioration du contenu physique des modèles utilisés pour l'étude du climat et les prévisions numériques du temps. Le projet implique les différents modèles français : le modèle de recherche Méso-NH (utilisé des résolutions métriques aux résolutions d'une dizaine de kilomètres, ∆x 1m-10km), le modèle régional MAR (∆x 10km), les deux modèles de prévision numérique du temps : le modèle à aire limitée AROME (∆x 1km) et le modèle global ARPEGE (∆x 10km) et les deux modèles de climat français ARPEGE-Climat et LMDZ (∆x 100km). Ce GDR regroupe environ 60 personnes de 11 laboratoires de recherche différents (CNRM, IGE, LA, LaMP, LAPLACE, LMD, LOA, LOPS, LSCE, Metis, IPSL) et permet de pérenniser et renforcer des collaborations qui ont été initiées depuis plus de 20 ans dans le cadre du projet « physique commune » puis des projets LEFE DEPHY et DEPHY2. En 2019, Dephy est devenu un GdR. En 2024, après l'abandon de ces structures par le CNRS, Dephy est devenu Groupe de Recherche (conservant volontairement l'acronyme) de l'infra-structure nationale de recherche Climeri. La structuration thématique de Dephy évolue dans le temps pour couvrir les domaines émergents de la recherche en physique de l'atmosphère. Depuis 2019, il est structuré autour de trois axes de recherche se focalisant sur i/ la turbulence et les couplages avec la surface, ii/ le transport et iii/ les interactions nuages-rayonnement, et d'un axe transverse visant à intégrer les développements réalisés afin d'aboutir à la réduction des erreurs systématiques des modèles. L'animation scientifique à l'échelle du GdR se fait essentiellement en deux rendez-vous annuels : aux Ateliers de Modélisation de l'Atmosphère en hiver à Toulouse, et aux Ateliers Dephy au printemps (une semaine en résidence dans un CAES ou un VVF constituée uniquement de séances de travail collectif). Le GDR reçoit un soutien récurrent et pérenne de la part du CNRS/INSU via Climeri-France, de Météo-France et de l'IPSL.
Contexte & positionnement
Le développement des paramétrisations pour la modélisation du climat
L'importance des paramétrisations de la couche limite, de la convection et des
nuages est reconnue depuis longtemps comme cruciale pour la modélisation du
climat. De nombreux projets d'observation spatiale, de campagnes de terrain,
d'intercomparaison de simulations numériques, etc., ont pour but affiché
d'évaluer et améliorer le fonctionnement climatique des modèles (présent,
passé, futur), motivant leurs propositions par l'incertitude inhérente aux
paramétrisations. Cependant, peu s'attaquent directement au développement et à
l'amélioration des paramétrisations. Ce travail, au cœur de DEPHY, est une
discipline en tant que telle, qui demande des méthodologies ciblées pour
pouvoir faire le lien entre études de processus et paramétrisations d'un côté,
compréhension du comportement des modèles et paramétrisations de l'autre. En
impliquant les personnels clés du développement des modèles de climat Français,
DEPHY porte le développement de ces paramétrisations jusqu'à leur mise en œuvre
effective dans les deux modèles de climat français.
Le lien entre prévision numérique du temps et climat
Un aspect fort de la communauté DEPHY est de faire le lien entre les
communautés de la prévision numérique du temps et de l ' étude des changements
climatiques. Si les objectifs et métriques d'évaluation des modèles de
prévision et de climat sont différents, les paramétrisations utilisées dans ces
deux types de modèles sont souvent les mêmes et reposent sur les mêmes
hypothèses. Le développement d'outils en commun permet de croiser les regards
et expertises sur ces deux types de modèles, exercice enrichissant pour chacune
des deux communautés.
Des développements basés sur l'étude des processus, leur observation et leur simulation
Une des spécificités de la communauté DEPHY est de baser le développement des
paramétrisations sur l'étude fine des processus impliqués. Cette étude repose
crucialement sur l'utilisation d'observations et de simulations explicites à
haute résolution (i.e. Large-Eddy Simulations). Cette approche a été portée au
niveau international dans le cadre du projet GCSS au début des années 2000
(GCSS est devenu GASS depuis). Dans cette approche, le lien entre les modèles
simulant l'atmosphère à différentes échelles (GCM, CRM et LES) mais aussi entre
les modèles et les observations sur sites (e.g., SIRTA, P2OA, Météopole- Flux)
et spatiales (e.g., TOSCA, EECLAT) est central. DEPHY a à cœur de faire le lien
entre ces différentes communautés.
Une réflexion sur les manières de travailler ensemble
Au fil de la longue histoire de DEPHY, les liens entre chercheur.e.s et
ingénieur.e.s des laboratoires français réunis dans DEPHY se sont renforcés, et
de nombreuses collaborations ont émergé, régulièrement sous la forme de projets
ANR ou de contributions à des projets internationaux. Une des originalités des
dernières années a été de s'interroger sur la meilleure façon de travailler et
progresser ensemble, de partager des idées, de les implémenter et de les
tester. Les semaines d'ateliers Dephy qui ont lieu depuis 2023, inspirées des
résidences annuelles du collectif EDStar en sciences pour l'ingénieur, sont une
proposition effective pour réinventer les modalités du travail collectif.
L'idée est de remplacer une partie des réunions, présentations et discussions
au profit d'ateliers de travail en groupes, au tableau ou sur nos machines, qui
peuvent prendre différentes formes (cours, tutoriel, brainstorming, écriture
d'un modèle physique pour un processus en particulier, analyse de données,
codage d'une nouvelle paramétrisation…). L'idée fondamentale étant d'oser se
mettre en déséquilibre ensemble, avec la conviction que c'est cela qui favorise
et fait vivre la recherche. Ces ateliers participent aussi à la formation de
tous et au transfert de connaissances entre différentes communautés, comme une
nouvelle forme d’école d’été pour les jeunes et les moins jeunes où l’on se
forme ensemble sur les paramétrisations. La première demi journée est dédiée à
un brainstorming visant à faire émerger des idées d’ateliers pour la semaine et
à ébaucher un programme, qui est réajusté en début de chaque journée.
Objectifs & Enjeux
Le groupement de recherche DEPHY a pour vocation de structurer la communauté française travaillant sur la compréhension des processus atmosphériques et le développement des paramétrisations physiques autour d'un objectif commun : l'amélioration constante des prévisions météorologiques et des projections climatiques réalisées par les modèles français. A travers ce GDR, il s'agit aussi de faciliter la mutualisation des codes, des outils et des méthodologies au sein de la communauté française de développement des modèles.
La modélisation est centrale tant pour la prévision du temps à courte (quelques jours) et moyenne échéance (quelques semaines à quelques mois) que pour l'anticipation de l'évolution du climat en réponse aux forçages naturels et anthropiques. Les modèles d'atmosphère permettent également de mieux comprendre les phénomènes physiques atmosphériques par leur intégration de la complexité du système climatique et des échelles spatiales et temporelles impliquées. Or, ces modèles sont encore entachés d'erreurs importantes, comme en témoignent les analyses des exercices d'intercomparaison des modèles climatiques (CMIP) ou les différents scores de prévisions des modèles opérationnels. Quelle que soit leur échelle, ces modèles reposent sur un découpage entre une échelle explicitement résolue par un code dynamique basé sur des équations classiques de la mécanique des fluides d'une part, et sur des paramétrisations physiques d'autre part, systèmes d'équations rendant compte de façon plus ou moins approximative de l'impact moyen de processus sous-maille sur les champs résolus par le modèle. Les processus à paramétrer dépendent de la résolution spatiale du modèle : turbulence, microphysique nuageuse, rayonnement, couplages à la surface dans les modèles à haute résolution de type LES (Large Eddy Simulation, pour les applications courantes avec des mailles de quelques mètres à quelques centaines de mètres), auxquels viennent s'ajouter la convection sèche et peu profonde dans les modèles à échelle kilométrique, et la convection profonde dans les modèles de plus grande échelle. Les simulations avec convection paramétrée (peu profonde ou profonde) resteront encore incontournables pour un certain temps pour les simulations globales de prévision à moyenne échéance ou climatiques, vue la longueur des simulations requises et la nécessité de réaliser des ensembles de simulations pour l'ajustement de paramètres et l'exploration de la variabilité interne du système. L'accroissement de la résolution des modèles n'élimine pas le besoin en paramétrisations physiques réalistes mais fait au contraire émerger de nouvelles questions comme la compétition entre convection paramétrée et explicite aux échelles intermédiaires (zone grise). La complexification croissante des modèles et les couplages avec la chimie, avec des modèles de canopée ou de végétation dynamique sur continents ou avec les vagues sur océans renforcent sans cesse les exigences sur les paramétrisations atmosphériques. Là encore, la montée en résolution nécessite de revisiter fondamentalement certaines paramétrisations souvent transposées en aveugle des modèles grande échelle vers les modèles explicites : utilisation de modèles radiatifs plan parallèle ne pouvant pas prendre en compte la complexité d'une scène nuageuse de LES, utilisation des formules « bulk » pour les couplages à la surface sur océans, freinage ramené à la surface au travers de ces mêmes formules « bulk » pour des obstacles plus grands que la première couche du modèle sur continents, y compris dans les modèles globaux, etc. Plus fondamentalement enfin, les paramétrisations physiques sont le reflet de notre compréhension des processus physiques de l'atmosphère et de la manière dont ceux-ci pilotent en partie les interactions d'échelles au sein du système climatique. Aussi l'amélioration de la performance des modèles atmosphériques va de pair avec une amélioration de la compréhension des processus physiques sous-maille sous-jacents.
Organisation & Rendez-vous annuels
Les 4 axes scientifiques de Dephy :
Le rattachement à Climeri :
Depuis 2024, Dephy est un Groupe de Recherche de l'Infrastructure de Recherche
CNRS Climeri-France, qui coordonne à
l'échelle nationale les activités de modélisation du système climatique de la
Terre. Elle organise les rendez-vous annuels de la communauté, relaie
l'activité du PEPR TRACCS, et développe et maintient une plateforme d'analyse
multi-modèles permettant d'accéder à l'ensemble des données issues des
simulations climatiques globales et régionales de référence qui alimentent les
exercices d'intercomparaison comme CMIP et CORDEX.
Deux comités pilotent le GdR Dephy :
En pratique, le GdR Dephy c’est aussi deux grands rendez-vous annuels :
Ressources & Outils
Canaux de discussions du réseau Dephy :
Projets développés par Dephy :