\def\local{conclusion} \chapter{Conclusions et perspectives} Chaque chapitre étant doté de sa petite conclusion particulière, il s'agit avant tout ici d'essayer de tirer des enseignements et des lignes de convergence des différentes études d'une part et d'autre part de mentionner quelques-uns des sujets qui pourraient être développés à partir de là. \section{Quelques enseignements} \subsection{Décomposition et paramétrisation du transport} Une grande partie des résultats et développements présentés dans ce document s'appuie sur l'équation d'advection des traceurs et sa mise en {\oe}uvre dans des modèles numériques. Dans ces modèles numériques, seule une partie de l'écoulement atmosphérique est représentée explicitement. C'est le cas de la ``grande échelle" des modèles de climat, de la circulation méridienne moyenne dans le modèle bidimensionnel latitude-altitude de Titan ou des structures méso-échelles de la couche limite convective pour les simulations des grands tourbillons. Les autres composantes, à savoir le transport turbulent ou convectif dans les modèles de climat, le transport latitudinal par les ondes dans le modèle axi-symétrique de Titan ou le mélange sous-maille dans les simulations des grands tourbillons doivent être paramétrisés. Pour la modélisation numérique du transport par la composante résolue de l'écoulement, j'ai souligné qu'il était important d'utiliser des schémas numériques dont les comportements physiques respectent certaines propriétés importantes comme la conservation de la quantité totale de traceur, une faible diffusivité, la positivité ou plus fondamentalement la non création d'extrema locaux et la non amplification des extrema existants. Ces propriétés sont importantes à la fois pour le bon comportement numérique des schémas, pour le couplage avec d'autres composantes du système (il est par exemple difficile de calculer le transfert radiatif au travers d'un constituant de concentration négative) et pour l'interprétation que l'on peut faire des résultats des simulations numériques. Dans le cadre de la modélisation du climat, où l'on essaie de comprendre les phénomènes en jeu et de prédire leur réalisation sur d'autres planètes ou dans le cadre d'un possible changement du climat, il est important que les paramétrisations développées pour représenter les mouvements non résolus reposent sur des images physiques, comme la diffusion par des petits mouvements aléatoires ou le transport par une cellule ou par un spectre d'ascendances pour les modèles en flux de masse. Les paramétrisations développées doivent ensuite être validées et éventuellement ajustées à partir d'observations. Une approche traditionnelle pour les modèles de circulation générale atmosphérique consistait à modifier une paramétrisation et à tester l'impact sur des simulations climatiques longues, en termes statistiques. La limitation principale de cette approche tient dans le fait que le climat simulé par le modèle relève d'un jeu subtile entre différentes paramétrisations. Dans un modèle climatique ``bien réglé", l'introduction d'une nouvelle paramétrisation commence souvent par dégrader les résultats en rompant cette harmonie. De plus, en cas de désaccord entre modèle et observation, il est souvent difficile d'attribuer la responsabilité du désaccord à telle ou telle partie du modèle. Il est donc important de trouver un moyen de valider les dites paramétrisations de façon isolée. Une approche, largement développée au cours des dix dernières années dans la communauté dans le cadre de grands projets comme EUROCS, consiste à réaliser des simulations de ``cas tests" avec des modèles numériques résolvant explicitement les écoulements qu'on cherche à paramétriser. On peut alors, pour tester la paramétrisation, utiliser le forçage exact utilisé pour le modèle explicite. Cette approche a souvent été utilisée à partir de campagnes de terrain pour lesquelles on effectuait une simulations a méso-échelle aussi proche que possible des données observées ce qui rajoutait au système des contraintes observationnelles. On peut aussi effectuer des simulations explicites de cas plus ``académiques" ce qui permet de faire varier à loisir les valeurs des paramètres de forçage. On a illustré ici cette approche dans deux cas. C'est d'abord le modèle du thermique qui a été validé par rapport à une batterie de simulations des grands tourbillons effectuées pour toute une gamme de forçages thermiques et mécaniques de la turbulence. La bonne réponse aux variations des paramètres du forçage est sûrement un des arguments positifs les plus importants en faveur de cette nouvelle paramétrisation. C'est d'autre part la paramétrisation des ondes planétaires sur Titan pour lesquelles David Luz a effectué une batterie de simulations de référence avec un modèle des équations en eau peu profonde, forcé par un rappel vers un profil de vent. On met en avant ici une approche intermédiaire et complémentaire des deux autres~: l'utilisation d'un modèle régionalisé et guidé en combinaison avec des mesures continues. Cette approche légère permet de valider le comportement du modèle complet de façon relativement fine et en isolant des cas pour lesquels telle ou telle paramétrisation va être davantage impliquée. Cet outil est de plus en plus utilisé pour le développement et la validation des paramétrisations du modèle LMDZ, notamment autour du site d'observation de l'IPSL, le SIRTA. La mise en {\oe}uvre des simulations est automatique.\footnote{ Une chaîne opérationnelle utilisant la grille zoomée présentée dans la \sec{esquif} tourne en fait depuis 6 mois. Pour ces simulations, on rapatrie automatiquement tous les matins les dernières analyses et prévisions du centre de prévision américain (NCEP) et on effectue des simulations guidées pour les jours J, J+1 et J+2.} L'analyse peut en revanche s'avérer plus subtile car les différences entre modèle et observations peuvent à nouveau venir de toutes les paramétrisations du modèle de climat ainsi que d'erreurs dans les analyses. Il faudra donc, suivant les cas, développer des outils pour sélectionner des cas pertinents pour le problème étudié. Le fait de décomposer le transport entre différentes composantes est bien sûr une facilité pratique pour la simulation numérique. C'est aussi une façon de découper le problème physique en sous composantes interagissant entre elles ce qui permet d'accéder à une compréhension des processus contrôlant par exemple la distribution des constituants atmosphériques. L'analyse des simulations de Titan concernant la composition chimique de la stratosphère a été grandement facilitée par la décomposition de la modélisation entre circulation méridienne et transport latitudinal par les ondes. Ce découpage a facilité la quantification de l'importance relative de ces différentes composantes dans le contrôle notamment de l'enrichissement polaire. \subsection{Des traceurs du transport atmosphérique} L'introduction des traceurs dans les modèles de circulation est souvent motivée par l'étude de la composition de l'atmosphère, et, en particulier dans les modèles de circulation générale atmosphérique, par l'étude des couplages entre cette composition et le climat. En retour, on apprend beaucoup sur l'écoulement à partir de l'analyse de ces traceurs qui peuvent être utilisés pour affiner notre compréhension des processus atmosphériques et valider les algorithmes de transport ou la représentation de la circulation atmosphérique. C'est particulièrement clair dans l'étude sur Titan où les contrastes latitudinaux de composition apparaissent finalement comme les meilleurs indicateurs de l'existence des grandes cellules de Hadley équateur pôle. Dans le même ordre d'idées, le rétro-transport est aussi un outil qui peut s'avérer extrêmement utile pour l'analyse des processus physiques de l'atmosphère. Pour la validation des paramétrisations du transport turbulent ou convectif, on tombe malheureusement sur certains écueils. Comme on l'a vu ici les données sont souvent insuffisantes pour arbitrer entre deux paramétrisations, même quand les concentrations sont très sensibles à la paramétrisation du transport, comme dans les cas montrés sur la \fig{rnconv} pour la convection profonde ou la \fig{RNz} pour la couche limite. Même avec des mesures suffisantes, reste le problème du jeu entre différentes paramétrisations ajustées entre elles ainsi que les incertitudes sur les sources et les processus physico-chimiques spécifiques de chaque espèce. Même dans le cas a priori particulièrement simple du radon, certaines incertitudes sur la répartition géographique des sources (on pense qu'elles peuvent varier d'un tiers environ régionalement) ou leur sensibilité au contenu en eau du sol sont une limitation. Une condition minimum pour une exploitation réelle des mesures de concentration semble être de disposer simultanément de mesures météorologiques. Il faudrait sans doute aussi systématiser l'inclusion de traceurs avec des protocoles bien établis dans les simulations des grands tourbillons utilisées pour valider les paramétrisations des modèles de climat. C'est ce qu'avait commencé à faire \cite{Ayot:96} dans leurs simulations de convection de couche limite. C'est une approche que nous comptons également promouvoir avec Jean-Yves Grandpeix et des collègues toulousains dans le cadre du volet modélisation du programme AMMA d'étude de la mousson africaine. \section{Et après} \subsection{Couplage couche limite, convection, nuages} Les modèles de circulation générale atmosphérique ont été développés dans les années 70, principalement pour les besoins de la prévision météorologique. Depuis lors, ils se sont enrichis petit à petit pour devenir au cours des années 90 des outils essentiels de l'étude du système climatique. Les "modèles intégrés du climat" , incluant océan, biosphère et parfois chimie, sont utilisés en particulier pour étudier les évolutions futures du climat sous l'effet des perturbations induites par l'activité de l'homme. Le modèle de circulation du LMD, LMDZ, est par exemple la composante atmosphérique du modèle intégré de l'IPSL utilisé actuellement pour réaliser des simulations de la période 1850-2100 pour le prochain rapport du GIEC. Le fait que ces modèles soient utilisés pour prédire des modifications du climat implique que les paramétrisations soient le plus possible basées sur une approche physique plutôt que sur des lois empiriques ajustées sur des observations actuelles. En outre, l'inclusion de nouvelles composantes fait peser un poids important sur le degré de réalisme du modèle atmosphérique. Le couplage avec l'océan nécessite par exemple d'avoir, en plus d'une bonne représentation de l'état de l'atmosphère, une représentation correcte des flux radiatifs (donc des nuages) et turbulents en surface. Le couplage avec la chimie nécessite qu'on soit capable de représenter correctement le transport vertical dans les colonnes convectives par exemple, etc ... Dans la plupart des cas, les paramétrisations des processus turbulents, convectifs et nuageux sont les points cruciaux. En même temps, la mise en {\oe}uvre systématique d'instruments de télédétection passive et active (Radar et Lidar), sur des sites d'observation comme le SIRTA ou dans l'espace, vient fournir une description de plus en plus fine des processus dynamiques et microphysiques de la couche limite atmosphérique et des nuages. Ce double contexte a donné un nouvel élan au développement des paramétrisations au LMD. Pour la représentation de la convection nuageuse, c'est d'une part le schéma en flux de masse de Kerry Emanuel qui a été adopté pour la convection profonde. Cette paramétrisation a connu différentes améliorations significatives au LMD, concernant par exemple la description du mélange entre colonne convective et environnement \cite[]{Gran:04}. Plus récemment, Jean-Yves Grandpeix et Jean-Philippe Lafore (CNRM) ont développé une paramétrisation des poches froides créées sous les descentes précipitantes orageuses, et qui jouent un rôle moteur dans l'organisation et la propagation des orages. En parallèle, nous avons développé, pour la couche limite, le modèle du thermique présenté dans le \ch{therm}. L'enjeu pour les prochaines années est de développer un nouveau bloc de paramétrisations couche-limite/convection/nuages pour le modèle de climat du LMD. Avec ce nouveau modèle, on espère s'attaquer en particulier à l'épineuse question de la représentation du cycle diurne dans les modèles de climat. De nombreux systèmes nuageux présentent en effet des cycle diurnes marqués, souvent mal représentés dans les modèles de climat. C'est le cas par exemple de la dissipation des brumes matinales -- sous l'effet du brassage vertical de l'air humide de la couche limite nocturne par les panaches thermiques de la couche limite convective -- ou de l'apparition de cumulus de couche limite l'après-midi après une matinée bien ensoleillée. \begin{figure} \centerline{\includegraphics[width=16cm]{\local/FIGURES/guichard2.eps}} \caption{ Simulation d'un cas de fort cycle diurne de la convection observé au site ARM, dans les grandes plaines de l'Oklaoma \cite[d'après ][]{Guic:04}. Les courbes montrent l'évolution simulée de la précipitation, en haut avec des modèles méso-échelle et en dessous avec des modèles de climat unicolonnes. Les schémas du bas illustrent le développement typique des nuages convectifs dans les deux types de modèles. Source : Françoise Guichard. \label{fg:guicharddiurne}} \end{figure} Avec Jean-Yves Grandpeix, nous pensons également pouvoir nous attaquer à la représentation du cycle diurne de la convection précipitante sur les continents. Alors que les orages ont leur maximum généralement en soirée ou en début de nuit sur les continents, les modèles tendent systématiquement à les prédire en phase avec le cycle diurne, en tout début d'après-midi. C'est ce qui est illustré sur la \fig{guicharddiurne}. Les courbes sur cette figures représentent la précipitation obtenue lors de simulations d'un cas de cycle diurne de la convection autour du site d'observation ARM dans les grandes plaines américaines. Dans les simulations à méso-échelle (les modèles utilisent ici des résolutions kilométriques et résolvent donc uniquement les nuages convectifs mais pas les structures de la couche limite) en accord avec les observations, le maximum du cycle diurne a lieu dans la soirée. Les versions unicolonnes des modèles de circulation générale, forcés avec les même champs que les modèles méso-échelles, produisent un cycle diurne en phase avec l'ensoleillement. Les schémas du bas présentent l'évolution des nuages associés au cours de la journée. On espère, avec le modèle du thermique, pouvoir simuler la phase de petits cumulus en début de journée et pouvoir prédire le déclenchement de la convection profonde plus tard dans la journée. La prise en compte de l'auto-entretien de la convection par les poches froides devrait permettre de retarder l'arrêt de la convection en fin de journée. Le site instrumenté de l'IPSL (SIRTA) pour les moyennes latitudes et la campagne AMMA d'étude Multi-échelle de la mousson en Afrique de l'Ouest pour les tropiques devraient fournir des cadres particulièrement pertinents pour ce travail sur le cycle diurne des nuages continentaux. La paramétrisation nuageuse, pour être adoptée dans le modèle de climat, devra également être capable de traiter des nuages très différents, comme les strato-cumulus des régions de subsidence sur les bords Est des océans tropicaux. La transition entre strato-cumulus et cumulus d'alizés pourrait nécessiter de sophistiquer d'avantage le schéma, en introduisant par exemple un compartiment supplémentaire de descente dans le modèle du thermique pour rendre compte de la possible importance dans l'organisation nuageuse des subsidences associées à l'instabilité d'entraînement en sommet de nuages. \begin{figure} \includegraphics[width=17cm]{\local/FIGURES/guichard.eps} \caption{Poussière soulevée par un front de rafales sous une ligne de grains au Mali. source : Françoise Guichard et Laurent Kergoat. \label{fg:guichard1}} \end{figure} \begin{figure} \includegraphics[width=17cm]{\local/FIGURES/mars1.eps} \caption{Photo d'une tempête régionale de poussière sur Mars.\label{fg:mars1}} \end{figure} Le nouveau jeu de paramétrisation, incluant un calcul pronostic de l'énergie turbulente de petite échelle, une représentation explicite des structures méso-échelles de la couche limite ainsi qu'une représentation des fronts de rafales sous les systèmes convectifs devrait également permettre de proposer des paramétrisations plus physiques, à la fois des flux thermodynamiques et des tensions de vents sur les océans \cite[cf e.~g.][]{Rede:00} et du soulèvement des poussières sur les déserts terrestres ou martiens. Là encore, AMMA devrait être un cadre privilégié d'étude. On montre pour illustration sur la \fig{guichard1} une photo très spectaculaire d'un matelas de poussière soulevé par un front de rafales sous une ligne de grains (photo prise au Mali par Françoise Guichard et Laurent Kergoat) et, sur la \fig{mars1}, une tempête de poussière régionale sur Mars. \subsection{Planètes et climats} Beaucoup d'études vont encore être menées dans le futur avec le modèle climatique de Titan~; certaines pour répondre à des questions en suspend (cf. la conclusion du \ch{titan}) et d'autres pour répondre à des questions que ne manqueront pas de soulever les résultats de la mission Cassini-Huygens. En parallèle, un modèle est en cours de développement pour Vénus, en lien avec la mission Venus-Express qui devrait partir prochainement. La problématique que nous comptons aborder sur Vénus a beaucoup en commun avec celle développée sur Titan ces dernières années. D'abord, une des motivations sera de documenter et d'étudier dans le détail la superrotation atmosphérique. Venus-Express étant en orbite autour de la planète, on peut espérer obtenir plus d'information sur la structure thermique et dynamique de cette atmosphère que sur Titan (où l'on espère disposer quand même de quelques dizaines de survols par Cassini et des résultats de la descente de Huygens). Avec ses 90 bars de CO2, son effet de serre exceptionnel, ses nuages d'acide sulfurique, son atmosphère en superrotation (l'atmosphère, au niveau du sommet des nuages vers 70 km, tourne 50 à 60 fois plus vite que la surface), Vénus est un objet particulièrement captivant pour qui s'intéresse à la dynamique et à la physique des atmosphères. Après une période d'exploration intensive dans les années 70 notamment, Vénus est un peu tombée dans l'oubli, cédant le pas à Mars et laissant un grand nombre de questions en suspend. Or, à la fin des années 80, après les dernières missions dédiées à son atmosphère, les chercheurs se sont aperçus qu'on pouvait sonder du côté nuit l'atmosphère profonde de Vénus, sous le voile de nuages, à travers des fenêtres de transparence dans le proche infrarouge (une histoire qui rappelle là aussi Titan). Le survol par les missions Galileo et Cassini a permis pour la première fois de cartographier à haute résolution spatiale cette émission du côté nuit avec les spectro-imageurs NIMS et VIMS. Cette émission est en fait très variable spatialement, les régions sombres étant associées à des régions plus nuageuses. Rien que pendant ces survols, les observations successives ont permis de déduire des vents à partir du suivi des structures nuageuses. Ces observations semblent également indiquer une variation latitudinale de la quantité de monoxyde de carbone vers 30 km d'altitude. Venus-Express, en mettant en orbite un spectromètre (PFS) et un spectro imageur (VIRTIS) capables de cartographier l'émission dans ces fenêtres spectrales, offre donc une occasion unique de contraindre la dynamique atmosphérique et d'apporter en particulier des éléments clefs pour notre compréhension du phénomène de superrotation atmosphérique. Comme pour Titan, aucun élément tangible ne permet en effet d'affirmer que le mécanisme de Gierasch, responsable de la superrotation dans le modèle, est bien à l'{\oe}uvre dans l'atmosphère de Vénus. L'atmosphère de Vénus est-elle dominée par de grandes cellules de Hadley ? Les ondes planétaires transportent-elles le moment cinétique vers l'équateur ? Quelle est l'importance des mélanges verticaux turbulents ou convectifs ? Autant de questions auxquelles la mission Venus-Express devrait permettre de nous apporter des éléments de réponse tout à fait nouveaux. Surtout, la plupart des observations disponibles jusque-là concernait la couche externe des nuages, très particulière parce que c'est celle qui bloque l'essentiel du rayonnement solaire. Grâce à Venus-Express, nous aurons donc accès à des données déterminantes pour la circulation, en dessous de cette couche ``superficielle". Le suivi des nuages du côté nuit devrait permettre de contraindre le vent zonal moyen et sa variabilité, la circulation méridienne, et, on espère aussi les ondes transitoires. Les observations de la composition vers 30 km (CO, OCS, H2O, D/H, SO2), si elles font apparaître des variations latitudinales des constituants, devraient également pouvoir être interprétées, comme pour Titan, en termes de circulation méridienne moyenne, sous réserve que soient développés des modèles de chimie transport appropriés. J'espère aussi pouvoir revenir dans les années qui viennent sur une version du modèle développée lors de ma thèse et rapidement évoquée dans le chapitre sur Titan~: le modèle à 19 paramètres. Ce modèle était d'ailleurs au c{\oe}ur de mon projet de recherche pour le CNRS, avant que je me laisse avaler par la modélisation terrestre et le transport des espèces traces. Si je n'ai pas réalisé ce programme, c'est avant tout histoire de temps et d'arbitrage. Mais il est vrai aussi que l'utilisation sur des planètes sans eau de paramétrisations de la couche limite aussi peu physiques que celles dont nous disposions à l'époque (sur une planète sans eau, les ajustement convectifs et autres termes de contre-gradients jouent à plein) me posait problème. Le modèle du thermique vient donc compléter ce modèle en un modèle cohérent et physique d'une atmosphère planétaire sans changement de phase. Je suis convaincu qu'un tel modèle peut s'avérer extrêmement utile, y compris dans le cadre de l'étude du changement climatique sur Terre. Il est important en effet, en parallèle de la modélisation lourde (dite intégrée) du climat terrestre -- sur laquelle nous continuerons à travailler à l'IPSL -- de développer des approches simplifiées qui permettent de décortiquer les mécanismes en jeu et d'avancer dans notre compréhension du système climatique. La modélisation idéalisée à 19 paramètres ainsi peut-être que la modélisation bidimensionnelle du climat (comme on l'a menée sur Titan et comme certains la développent actuellement au CNRM où à l'université de Chicago) sont des voix que je compte également explorer dans cette perspective. \complement{aller chercher http://cmex-www.arc.nasa.gov/VOViews/Atmosph/GlobDust.htm}