Rapport d’activité à quatre ans pour la période 1997-2001

Frédéric Hourdin

25 mai 2001

I. Curriculum Vitae

– 1985-1988 : Ecole Polytechnique

– 1988-1989 : Dea d’astrophysique à Meudon (major, mention TB)

– 1989-1992 : Thèse de l’université Paris-7 (Très honorable avec félicitations). Sujet : Etude et simulation numérique de la circulation générale des atmosphères planétaires. Laboratoire : Laboratoire de Météorologie Dynamique Directeur : Olivier Talagrand

– 1992-1994 : Post-doc CNES au Laboratoire de Météorologie Dynamique

– 1994 : Recrutement en CR2 au CNRS

– 1998 : CR1.

II. Travaux et objectifs

Après des travaux centrés sur l’étude de la circulation générale des atmosphères planétaires, mon travail de recherche s’est concentré ces dernières années sur l’étude et la modélisation numérique du transport atmosphérique d’espèces traces.

Les couplages entre chimie, physique des aérosols et transport atmosphérique occupent une place croissante dans l’étude des atmosphères planétaires. Pour la Terre, il s’agit notamment de développer des modèles de circulation générale prenant en compte de façon interactive la chimie des gaz à effet de serre ou les aérosols. Sur Mars, les poussières soulevées de la surface jouent un rôle déterminant et encore mal compris sur la circulation atmosphérique. Enfin, les couplages complexes entre la photochimie, la microphysique des brumes et la circulation atmosphérique seront bientôt placés sous le l’oeil perçant de la mission Américano-Européenne Cassini-Huygens.

Si les objets étudiés sont différents, de nombreux aspects concernant notamment le transport atmosphérique, sont communs. Les outils pour les aborder peuvent également être similaires.

En 1997, suivant une idée de Sandrine Edouard et Bernard Legras, j’ai adapté au modèle de circulation générale LMD-Z, un schéma de transport en volumes finis. Ce travail a été à l’origine du développement d’une version transport du modèle de circulation générale du LMD. Ce modèle, LMD-ZT, sert à présent d’ossature au modèle couplé chimie-aérosols-climat en cours de développement à l’IPSL. J’ai récemment travaillé également sur la représentation du transport dans la couche limite convective.

En parallèle, à la suite d’une demande du CEA concernant la surveillance des traités d’interdiction totale des essais nucléaires, je me suis intéressé récemment à l’inversion du transport atmosphérique.

Enfin, j’ai continué à m’intéressé aux autre planètes, et notamment à Titan, en coordonnant autour du modèle de circulation du LMD, les travaux menés sur la chimie au CESR à Toulouse et sur la micro-physique des brumes au Service d’Aéronomie à Paris.

Ces différents aspects sont développés ci-dessous.

1 Advection grande échelle des traceurs et le modèle LMD-ZT

1.1 Les schémas de transport en volumes finis

En 1997, en collaboration avec Alexandre Armengaud alors en thèse au LGGE, j’ai adapté au modèle du LMD une série de schémas d’advection en volumes finis. Les schémas en volumes finis sont basés sur une partition du domaine considéré en volumes de contrôle au frontières desquels on évalue les flux entrants ou sortants de traceurs. Nous avons effectué une comparaison systématique d’une série de schémas (Hourdin and Armengaud, 1999) porposés à l’origine par (Van Leer, 1977). Ces schémas conduisent facilement à une mise en oeuvre tri-dimensionnelle et satisfont des propriétés physiques fondamentales du transport : localité, conservation, monotonie, positivité (plus généralement pas de création d’extréma numériques) et invariance par addition d’une constante au champ de traceur.

Van Leer (1977) avait en fait proposé une hierarchie de schémas dont les plus sophistiqués ont été introduit ultérieurement et indépendamment dans la communauté météorologique par Russell and Lerner (1981) (schéma de ”pentes” du GISS) et Prather (1986). Nous avons pu montrer que ces différents schémas étaient en fait assez semblables dès lors qu’on les comparait non pas à résolution spatiale fixée mais à coût numérique équivalent (un schéma plus précis mais

Fig. 1 – Organigramme du modèle LMD-ZT

plus coûteux se comporte comme un schéma moins précis mais utilisé sur une grille plus fine). Nous avons retenu pour le modèle du LMD le schéma le plus simple (le schéma I dans le papier original de Van Leer souvent appelé MUSCL).

1.2 Développement de LMD-ZT

Ce travail sur les schémas d’advection a été à l’origine de la version traceur du modèle de circulation générale LMD-ZT. Ce modèle a été doté de la capacité de transporter un nombre arbitraire d’espèces traces. En pratique, il a fallu d’une part rajouter le schéma de transport grande échelle dans la ”partie dynamique” du modèle de circulation mais également traiter l’effet du mélange turbulent ou de la convection sur la distribution des espèces traces. Cette dernière partie a été effectué par Olivier Boucher et Alexandre Armengaud. Marie-Angèle Filiberti, en CDD a l’IPSL, a contribué à finaliser, sous ma responsabilité, la version distribuée de ce modèle.

LMDZ-ZT a été conçu de façon très modulaire afin de pouvoir y rajouter facilement des codes de chimie ou des modules d’aérosols. En pratique, une interface vers les modules chimiques a été définie dans la ”partie physique” du modèle de circulation. L’organisation de cet outil est résumée sur l’organigrame, �organ.

Ce modèle est destiné avant tout a des études climatiques couplées dans lesquelles les distributions d’espèces chimiques ou d’aérosols rétroagissent sur les variables météorologiques.