Cours STA-9850 : Concept
de systÈme en sciences de
Département des Sciences de
Université du Québec à
Montréal
Observation et modÉlisation du systÈme Terre:
application À la prÉvision environnementale
Professeurs: Pierre Gauthier et Laxmi Sushama
Date: 18 novembre 2008
La prévision numérique du temps est utilisée de manière opérationnelle depuis plus de quarante ans pour fournir des prévisions des éléments du temps comme la température, les précipitations, les vents et les nuages. Ces systèmes de prévision s’appuient sur des modèles de prévision numérique qui représentent les lois physiques gouvernant l’évolution de l’atmosphère. Avec l’augmentation de la puissance de calcul et des progrès scientifiques réalisés dans ce domaine, ces simulations sont maintenant en mesure de prendre en compte des mécanismes de plus en plus complexes qui peuvent influencer l’évolution du comportement de l’atmosphère.
La prévision numérique du temps requiert une connaissance aussi précise que possible des conditions météorologiques actuelles qui servent de ‘conditions initiales’ pour démarrer l’intégration du modèle de prévision. L’information qui permet de déterminer ces conditions initiales provient du réseau global d’observations prises par une variété d’instruments comme les radiosondages, les stations au sol, les bouées marines en plus d’un nombre sans cesse croissant d’instruments aéroportés ou embarqués sur des plateformes satellitales. L’assimilation de données réfère au processus par lequel on corrige une prévision numérique de courte échéance pour la faire concorder au mieux avec les observations tout en respectant certaines contraintes dynamiques reliées aux lois d’évolution de l’atmosphère. Cette approche est donc une méthode d’inversion puisqu’on cherche à reconstruire l’état complet de l’atmosphère à partir d’observations qui ne fournissent qu’une couverture incomplète du globe. En plus de fournir les conditions initiales au modèle de prévision, l’assimilation est un élément crucial de la validation des processus physiques inclus dans le modèle.
Au cours des dernières années, la prévision numérique du temps a été étendue à d’autres applications pour lesquelles il était nécessaire de coupler un modèle atmosphérique à d’autres composantes du système Terre. Par exemple, l’interaction entre l’atmosphère et les océans est un mécanisme important pour les études de simulation du climat qui doivent également prendre en compte la couverture des glaces qui est elle-même influencée par l’évolution du climat. On s’intéresse également de plus en plus à mieux connaître la distribution et l’évolution des constituants chimiques de l’atmosphère ainsi que des aérosols (particules fines en suspension dans l’air). En couplant les modèles atmosphériques à des modèles hydrologiques, on est en mesure de mieux prévoir le débit des cours d’eau et les risques d’inondation qui peuvent en résulter. Ceci fait intervenir l’interaction entre le sol et l’atmosphère via les échanges thermiques, les flux d’humidité et l’effet de friction, des effets qui dépendent tous de la nature du sol et de son interaction avec l’atmosphère.
Le couplage de systèmes développés séparément n’est pas immédiat et il soulève de nouveaux problèmes qui doivent être adressés pour valider les prévisions environnementales qui en résultent.
Ce cours vise à effectuer un survol de la modélisation environnementale en présentant en premier la méthodologie employée pour valider les systèmes de prévision numérique du temps et d’assimilation de données. A titre d’exemple, on examinera ensuite le couplage de la chimie atmosphérique à un modèle de circulation générale de l’atmosphère. Cet exemple se base sur des expériences récentes réalisées à Environnement Canada en collaboration avec l’Institut d’aéronomie spatiale de Belgique et l’Institut für Meteorologie und Klimaforschung (Allemagne). Le couplage entre l’atmosphère est établi par l’influence qu’exercent les composants chimiques, l’ozone en particulier, sur les processus radiatifs. D’autre part, la température et l’humidité peuvent influencer les réactions chimiques. Finalement, l’observation de l’évolution des constituants chimiques contient implicitement de l’information sur les vents et cette information peut être extraite par les méthodes d’assimilation dites quadri-dimensionnelles. D’autres exemples seront présentés pour illustrer les différentes formes d’interaction qui sont introduites entre l’atmosphère, avec les océans ou les modèles de surface.
Chaque composante de ces modèles couplés est extrêmement complexe et un traitement détaillé dépasse les objectifs de ce cours qui se concentrera sur les mécanismes d’interaction entre les composantes. Ce cours étant du niveau de doctorat, il vise à introduire le sujet pour permettre à l’étudiant de situer sa recherche scientifique dans un cadre plus large. L’évaluation pour cette partie du cours consistera à choisir un exemple d’interaction entre une ou des composantes et de faire un travail de recherche qui résume en une dizaine de pages la problématique qui se pose. Voici quelques exemples de sujets possibles :
·Influence des éruptions volcaniques sur l’atmosphère;
·Information sur le climat obtenue de l’examen des sédiments géologiques;
·Rôle et importance des aérosols atmosphérique dans le budget énergétique global de l’atmosphère;
·Interaction entre l’atmosphère et les océans pour la prévision de marées anormalement élevées;
·Importance des caractéristiques du sol pour l’émissivité de surface et l’assimilation des données de radiance satellitales.
Tout autre sujet pertinent au thème du cours devra être proposé au plus tard le 3 décembre et remis lors du dernier cours (17 décembre). Chaque étudiant fera une présentation de quinze minutes pour présenter son travail à tous. L’évaluation pour cette partie du cours sera basée sur la présentation et le rapport.
Peu de références existent pour le moment sur le sujet. Par contre, un certain nombre d’ateliers et de conférences ont traité du sujet. Les références ci-dessous incluent certains de ces sites sur lesquels on peut trouver des copies des présentations faites lors de la tenue de ces évènements :
Swinbank, R. V. Shutyaev et W.A. Lahoz, 2003 : Data assimilation for the Earth System. NATO Science Series IV: Earth and Environmental Sciences, vol. 26, Kluwer Academic Publishers, 377 pages.
3rd ENVISAT Summer School on Earth System Monitoring and Modelling, 2006 : 31 juillet au 11 août 2006, Frascati, Italie. Site Web: http://envisat.esa.int/envschool_2006/..
2nd ENVISAT Summer School on Earth System Monitoring and Modelling, 2004 : 16 au 26 août 2004, Frascati, Italie. Site Web: http://envisat.esa.int/envschool_2004/programme.html.
Les présentations aux Ecoles d’été de 2004 et 2006 donnent plusieurs exemples d’interaction qui pourraient servir de sujet pour le travail et l’exposé.
Mon bureau est au local PK-2520 et mon courriel est : pierre.gauthier@uqam.ca.
Le cours se tiendra au PK-6265.
Dates des
cours : Mardi 25 novembre 9 :30-12 :00,
Mercredi 3
décembre 9 :30-12 :00 (Laxmi Sushama)
Lundi 8 décembre 9 :30-12 :00
Lundi 15
décembre et Mardi 16 décembre 9 :30-12 :00
-
Présentations
orales des travaux.