TP découverte du climat
Niveau 3ème collège
Dans ce TP, nous allons explorer le climat de la Terre par le biais d'un modèle de circulation générale de l'atmosphère couplé à un modèle de circulation de l'océan. On nomme le plus souvent ces modèles AOGCM pour Atmosphere-Ocean coupled General Circulation Model. Nous analyserons les caractéristiques climatiques de notre planète, c'est-à-dire l'état des variables du système en moyenne, sur des échelles courtes (la journée) puis longues, typiquement plusieurs mois.
Nous analyserons pour cela les résultats des simulations réalisées avec l'AOGCM de l'Institut Pierre Simon Laplace (IPSL), institut localisé en partie sur le campus de Sorbonne Université. Ce modèle, appelé IPSL-CM (IPSL Climate Model), est utilisé notamment pour les simulations de changement climatique du GIEC (Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat).
La simulation climatique étudiée ici représente l'état moyen typique de la Terre dans sa configuration actuelle (distance au Soleil, paramètres orbitaux, quantité de gaz à effet de serre, propriétés de la surface dont la végétation, calottes glaciaires, etc.). La simulation a une résolution de 144 points selon la longitude et 143 points selon la latitude, avec 79 points selon l'altitude. Cela correspond typiquement à des mailles de 200 km en longitude sur 100 km en latitude. Sur la verticale, les niveaux sont espacés de quelques dizaines de mètres proche de la surface puis s'espacent de plus en plus en montant dans la troposphère. L'image ci-dessus donne une représentation artistique de la grille du modèle atmosphérique ainsi que de la grille du modèle de circulation de l'océan auquel il est couplé.
Les résultats de ces simulations (les champs 3D et 2D du vent, de la température de surface, etc.) sont écrits dans des fichiers netCDF (Network Common Data Form), dont l'extension est nc. Ce format est partagé par tous les météorologues et climatologues du monde. Pour visualiser ces fichiers, nous utiliserons des petits scripts Python. Nous utiliserons le logiciel Panoply pour visualiser avec une interface graphique ces fichiers.
Nous allons aborder dans ce TP deux grands thèmes : d'abord le rayonnement, puis la dynamique atmosphérique globale, qui va avoir pour objectif de redistribuer les excès d'énergie provenant du rayonnement. Nous allons ouvrir pour cela deux fichiers ./climat_un-jour.nc et ./climat_moyenne.nc. Ces fichiers contiennent les valeurs d'un ensemble de variables en moyenne mensuelle, pour une année typique du climat actuel. Les variables contenues dans ce fichier sont décrites dans le tableau ci-dessous :
| Nom | Description | Unité |
|---|---|---|
| alb1 | Albédo de la surface | |
| cldq | Masse d'eau nuageuse totale de la colonne | kg m-2 |
| lat | Latitude | Degrés |
| lon | Longitude | Degrés |
| nettop | Bilan radiatif au sommet de l'atmosphère | W m-2 |
| phis | Géopotentiel en surface gz | m2 s-2 |
| presnivs | Niveaux de pression verticaux | Pa |
| prw | Masse d'eau précipitable (l+s) totale | kg m-2 |
| psol | Pression à la surface | Pa |
| q500 | Humidité spécifique sur la surface isobare à 500 hPa | kg kg-1 |
| slp | Pression au niveau de la mer | Pa |
| SWdnTOA | Eclairement solaire incident au sommet | W m-2 |
| SWupTOA | Eclairement solaire réfléchi au sommet | W m-2 |
| t500 | Température sur la surface isobare à 500 hPa | K |
| time_counter | Axe temporel | Secondes |
| topl | Emittance infrarouge sortante au sommet | W m-2 |
| tops | Eclairement solaire entrant au sommet | W m-2 |
| u10m | Vent zonal (positif vers l'est) à 10 m | m s-1 |
| u500 | Vent zonal (positif vers l'est) à 500 hPa | m s-1 |
| v10m | Vent méridien (position vers le nord) à 10 m | m s-1 |
| v500 | Vent méridien (position vers le nord) à 500 hPa | m s-1 |
| z500 | Altitude de l'isobare à 500 hPa | m |
A) Le rayonnement solaire et infrarouge
Le climat reçoit son énergie, à 99,9%, du Soleil. On s'intéresse ici à l'insolation, la lumière reçue du Soleil, qui va contrôler les vents sur notre planète. Petit rappel des saisons :
- Ouvrir le fichier climat_un-jour.nc avec Panoply et faire une carte de la variable SWdnTOA.
- On regarde à présent l'éclairement solaire réfléchi vers l'espace. Tracer une carte de la variable SWupTOA. Quels sont les éléments qui peuvent réfléchir la lumière sur Soleil vers l'espace ?
- On s'intéresse enfin à l'émittance infrarouge au sommet de l'atmosphère, c'est-à-dire à la densité d'énergie rayonnée par la Terre vers l'espace dans l'infrarouge. Tracer donc une carte de la variable topl. Pourquoi utilise-t-on des lunettes infrarouge pour voir la nuit ? Que voit-on sur cette carte ?
- Regardons maintenant la lumière du Soleil réfléchie non plus un jour donné mais en moyenne sur une année. Ouvrons pour cela le fichier climat_moyenne.nc, et traçons de nouveau une carte de la variable SWupTOA. Expliquer cette carte, en comparant notamment à la carte de la variable alb1, qui donne le pouvoir réfléchissant de la surface.
- Regarder également l'émission infrarouge de la planète topl dans ce même fichier, climat_moyenne.nc, en moyenne donc. Quelles grandes structures reconnaît-on ?
B) La pression et les vents
- Regarder la pression "météo" en établissant maintenant une carte de la variable slp. Comment nomme-t-on les structures de forte pression et de basse pression ? Où sont-elles principalement localisées ?
- Représenter maintenant une carte des vents à 10 mètres au-dessus de la surface en associant les champs u10m et v10m. Localiser les vents d'ouest ainsi que les alizés.
C) La température
- Regarder enfin la température à 2 mètres au-dessus du sol, donnée par la variable t2m. Comparer à la carte du rayonnement solaire reçu, qu'on a regardé plus haut.
- Regarder également la colonne de vapeur d'eau prw ainsi que la précipitation precip. Reconnaître alors les principaux climats donnés sur la carte ci-dessous.
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