\documentclass{article}
\begin{document}
\def\citep#1{(citation #1)}
\def\cite#1{(citation #1)}
\section{Positionnement de la thèse}

\def\hmir{HMIR}
\def\htexplo{\texttt{htexplo}}
\def\lmdz{LMDZ}
\def\sirta{Sirta}
\def\orchidee{Orchidee}
\def\ecrad{eCrad}

{\bf Le fait de considérer l'ajustement des modèles de climat comme une science à part entière dans les groupes de modélisations est très récent. }
Cette question a
été clairement explicitée à l'échelle internationale lors du Workshop de
2014 sur le tuning, qui en pave les premières directions de recherche
\citep{hourdin2017}. Dans les deux centres de modélisation français, la
méthode objective d'\hmir~a été choisie pour l'ajustement de leurs modèles
de climat globaux respectifs IPSL-CM et ARPEGE-Climat. L'implémentation de
cette méthode dans l'outil \htexplo, et les premières études qui en ont
découlé, ont eu lieu juste avant le début de cette thèse
\citep{couvreux2021,hourdin2021,villefranque2021}. De nombreuses
perspectives de recherches restent à explorer concernant l'ajustement des
modèles de climat avec des méthodes objectives, et en particulier avec la
méthode d'\hmir. Cette thèse a pour objectif d'explorer les potentialités
de cette méthode pour l'ajustement des modèles de climat, et pour la
modélisation du climat en général, en l'appliquant au GCM atmosphérique
\lmdz.
C'est sans doute une des premières thèses a avoir comme objet d'étude central
l'ajustement d'un GCM, ce qui constitue une étape dans l'élaboration de
cette nouvelle science. 

% d'enrichir la stratégie de tuning du GCM atmosphérique \lmdz~avec \htexplo~et 
%en clarifiant certains
%aspects de ce nouveau domaine de recherche, es nouvelles questions que la
%méthode d'\hmir~permet d'aborder ainsi que les verrous qu'elle permet de
%lever pour l'amélioration et le développement des modèles de climat. 

%et à clarifier certains aspect de ce
%nouveau domaine de recherche. 
%En effet, la méthode d'\hmir~permet non
%seulement une calibration objective des paramètres libres du modèle à un
%coût de calcul accessible, mais également une quantification systématique
%de son erreur paramétrique. L'arrivée de cette méthode lève ainsi un
%certains nombre de verrou, ce qui change la pratique de la modélisation du
%climat et ouvre la voie à de nouvelles questions de recherche. Cette thèse
%est la première a avoir comme object d'étude l'ajustement d'un modèle de
%climat.

%Cette thèse est la première thèse portant intégralement sur la science de
%l'ajustement des modèles de climat. Elle vise de manière générale à
%explorer et à clarifier certains aspect de ce nouveau domaine de recherche. 

%Annoncer un positionnement plus général : explorer les potentiels de
%l'outil, éclairer de nouvelles question face à ça

%% Revisiter ce paragraphe pour arriver
% - à l'importance de garantir une continuité entre l'ajustement au plus
% proche des processus et celui sur les métriques climatiques globales.
% - aux nouvelles questions "abordables" par \hmir et pourquoi


{\bf La méthode d'\hmir~a été choisi pour son potentiel à aborder de nouvelles questions scientifiques.} Elle présente l'avantage de pouvoir combiner des métriques portant sur différentes configurations du même modèle, offrant une gamme de possibilités de métriques très large pour l'ajustement des paramètres du modèle. 

{\bf Actuellement, l'ajustement de \lmdz~se fait d'un côté au plus roche des processus avec des métriques portant sur des cas un-unicolonne de convection peu profonde. Puis dans un second temps, des métriques sont ajoutées sur les flux radiatifs au sommet de l'atmosphère de simulation atmosphérique globales forcées, i.~e. dans lesquelles les températures de surface de l'océan sont imposées. }

Le premier jeu de métriques a
pour but de garantir la bonne simulation des processus, ici de couche
limite convective, et le deuxième de
garantir la bonne simulation du climat. Ces deux jeux de métriques pourraient
être enrichis au sein de cette stratégie en deux partie. Côté simulation du
climat global, on pourrait s'imaginer contraindre une plus grande diversité
de caractéristiques du climat, telles que des caractéristiques du climat à la
surface (température, précipitations, humidité, rayonnnement etc) qui est
très observé et dont l'enjeu sociétal est fort, ou de viser spécifiquement
les caractéristiques de phénomènes grande échelle tels que les moussons ou
ENSO (\textit{El-Ni\~{n}o Southern Oscillation}). On pourrait également enrichir la stratégie avec des métriques visant
à réduire les biais systématiques du modèle atmosphérique, comme par
exemple la simulation d'une double ITCZ, la trop faible variabilité des
précipitations, les trop forte précipitations sur le continent maritime
etc. Côté processus, on pourrait ajouter des métriques sur une plus grande
diversité de cas uni-colonne, et contraindre ainsi une plus grande
diversité de processus atmosphériques ; tel que les cas de couches limites
stables pour la turbulence de petite échelle ou les cas de convection
profonde plus ou moins idéalisés. 

{\bf Combiner des métriques proches des processus avec des métriques orientées climat global est une manière d'éviter les compensations d'erreurs, c'est-à-dire d'éviter que le climat soit bien simulé pour les mauvaises raisons (c'est-à-dire pour les mauvais processus).}

La méthode d'\hmir~a un fort potentiel à la fois pour étudier les compensations d'erreur - auxquelles une
expérience de cette thèse est dédiée - mais aussi pour les éviter lors de
l'ajustement du modèle.
Pour ce dernier point, l'enjeu est à la fois de
se doter de métriques au plus proche des processus, mais également
d'assurer une continuité entre ces métriques et les métriques climatiques
globales dans la stratégie d'ajustement du modèle.
{\bf Cela peut se faire en s'appuyant sur des configurations intermédiaires entre les configurations uni-colonne et la configuration climatique globale du modèle, comme cela est déjà pratiqué pour le développement et l'évaluation de \lmdz. }

Parmi la gamme des configurations intermédiaires possibles, nous proposons
d'étudier le potentiel d'une configuration dite zoomée-guidée, où la
dynamique atmophérique est forcée par une technique de guidage et où la
grille du modèle est affinée sur une région d'intérêt. La technique de
guidage permet d'évaluer les paramétrisations physiques du modèle en imposant une succession de séquences météorologiques (synoptiques) proches des observations, et de séparer ainsi les erreurs
causées par les paramétrisations physiques de celles causées par la
dynamique atmosphérique du modèle.
Cette séparation est moins forte que dans les utilisations uni-colonnes, un certain degré de liberté étant malgré tout laissé aux couplages physique-dynamique rapides, à l'intérieur de la région zoomée. Les simulations explorent en revanche un beaucoup plus grand nombre de situations météorologiques.
L'utilisation de telles configurations pour l'ajustement du modèle pourrait ainsi permettre d'éviter, de contrôler et éventuellement de mieux comprendre les compensations d'erreurs qui peuvent emerger entre les parties dynamiques et physiques du modèle.

{\bf L'utilisation d'une grille zoomée avec guidage}
est fréquente pour simuler le climat d'une région d'intérêt, avec
une grille plus fine sur cette région que la grille standard du modèle tout
en limitant le coût de calcul des simulations.
L'association de ces deux techniques
permet d'imiter le fonctionnement d'un modèle régional à air
limité avec le GCM atmosphérique \lmdz, en forçant la dynamique sur le bord
du domaine du zoom grâce à un guidage fort.
De telles configurations sont
fréquemment
{\bf utilisées pour la comparaison du modèle à des observations atmosphériques in-situ de campagne de mesures ou de site instrumentés. Les perspectives offertes par l'utilisation de ces données in-situ comme référence pour l'ajustement du modèle sont explorées dans cette thèse avec les observations du site instrumenté du \sirta, situé en région parsienne, et une configuration de \lmdz~guidée et zoomée sur ce site instrumenté.}
 Nous abordons également dans ces
chapitres la possibilité de cibler spécifiquement le couplage entre le
modèle d'atmosphère \lmdz~et celui de surface continentales \orchidee, avec
l'objectif d'ajuster conjointement les paramètres libres des deux modèles
(et non plus séparemment comme dans la stratégie de tuning actuel).
%Une partie de la stratégie
%d'ajustement peut également porter spécifiquement sur les couplages
%entre les différents modèles (océan-atmosphère et surfaces
%continentales-atmosphère), avec l'objectif d'ajuster conjointement les
%paramètres libre des différents modèles (et non plus modèle par modèle). 

{\bf L'autre grand aspect que nous abordons dans cette thèse concerne l'ajustement des flux radiatifs.}
L'enjeu de continuité dans l'ajustement du modèle est particulièrement fort
sur le transfert radiatif, qui est de première importance depuis l'échelle des
processus jusqu'à l'échelle plus globale. 
%Le rayonnement est en effet le moteur de la circulation atmosphérique à
%l'échelle globale, ce qui rend la simulation latitudinale du rayonnement
%clé pour la bonne simulation du climat global.  C'est aussi le bilan des
%flux radiatifs au sommet de l'atmosphère qui constitue le bilan
%énergétique du système Terre, qui doit être fermé a une précision de
%quelques dixièmes de W.m\unit{2}. 
Contraindre les flux radiatifs à l'échelle des processus sur des
simulations uni-colonne est aujourd'hui possible grâce aux calculs de
références radiatifs Monte Carlo développés par \cite{villefranque2019a},
qui fournissent des références radiatives associées aux scènes nuageuses
simulées par LES. De plus, l'amélioration de la simulation des nuages bas
dans \lmdz~grâce au développement d'une paramétrisation de la couche limite
convective en flux de masse
\citep{hourdin2002,hourdin2005,jam2013,hourdin2019}, et l'arrivée du
nouveau modèle de transfert radiatif \ecrad proposant notamment différentes
hypothèses de prise en compte des nuages par le modèle de transfert
radiatif, constituent aujourd'hui un contexte très favorable à l'étude des
intéractions entre nuages bas et rayonnement dans \lmdz.
{\bf Nous proposons des les étudier dans la perspective de comprendre les compensations d'erreurs possibles entre les différentes paramétrisations des nuages bas et du transfert radiatif, qui peuvent émerger lors de l'ajustement des flux radiatif du modèle global.}
Ces compensations d'erreurs sont notamment
suspectées d'être à l'origine du biais de nuages bas trop peu couvrant et
trop réfléchissant présent dans de nombreux modèles de climat globaux
\citep{konsta2022,nam2012}. Ces expériences sont également l'occasion de
mettre en pratique une première étude des compensations d'erreurs avec la
méthode d'\hmir. Le travail d'interfaçage du nouveau modèle de transfert
radiatif \ecrad~avec \lmdz~a eu lieu au cours de cette thèse, et cette étude est donc également motivée par le besoin de réajuster (tuner) le modèle après l'introduction de cette nouvelle paramétrisation.

%Elles sont
%étudiées \chap{rayt} avec l'outil de tuning \htexplo, dans la perspective
%de comprendre les compensations d'erreurs possibles entre les différentes
%paramétrisations des nuages bas et du transfert radiatif, qui peuvent
%émerger lors de l'ajustement des flux radiatif du modèle global et dont on
%suspecte d'être à l'origine du biais de nuages bas trop peu couvrant et
%trop réfléchissant présent dans de nombreux modèles de climat globaux
%\citep{konsta2022,nam2012}. Le travail d'interfaçage du nouveau modèle de
%transfert radiatif \ecrad~avec \lmdz~a eu lieu au cours de cette thèse, qui
%présentera une première évaluation de ce nouveau modèle \chap{rayt}.

Cette thèse a été l'occasion de pratiquer la méthode d'\hmir~pour le tuning
de \lmdz, et également d'observer l'appropriation et la pratique de cette
méthode dans le centre de modélisation de l'IPSL.
{\bf Cette thèse  comporte donc une part de réflexivité sur les expériences mises en place spécifiquement à cette occasion mais également concernant des expériences de tuning auxquelles j'ai contribué, de façon plus ou moins significative, pendant cette période.}
Ces expériences couvrent un large spectre,
allant du développement de nouvelles paramétrisations à la mise en place du
modèle couplé pour le prochain exercice d'intercomparaison des modèles de
climat, enrichissant une prise de recul sur notre pratique du tuning et de
la modélisation du climat en général.


\end{document}
