Modèle de circulation générale de l'atmosphère de première génération

Centre canadien de la modélisation et de l'analyse climatique

Le CCmaC n'utilise plus le modèle de circulation générale de première génération (MCGA1). Les renseignements ci-dessous sont présentés uniquement à titre d'information, et pour aider le lecteur à comprendre comment nos divers modèles évoluent d'une génération à l'autre.

1. Caractéristiques du modèle

Le modèle de circulation générale de première génération était le fruit d'une version antérieure à cinq niveaux, décrite par Boer et McFarlane (1979). Les équations spectrales dans le MCG canadien consistent en un développement en harmoniques sphériques tronqué à partir d'un certain nombre d'onde et qui représente les variables du modèle à l'horizontale.

Ce modèle emploie également des pas de temps semi-implicites (Robert et al., 1972), avec un filtre temporel faible (Asselin, 1972). La structure de base du modèle est similaire à celle du modèle de prévisions spectrales de Daley et al. (1976), bien que l'on ait amélioré quelque peu la procédure de mise en oeuvre des algorithmes spectraux dans laquelle on a évidemment inclus des mécanismes physiques additionnels importants.

L'équation régissant le mouvement horizontal est écrite par rapport au tourbillon et à la divergence de la composante horizontale du vent. Les autres équations pronostiques de base comprennent l'équation thermodynamique formulée en fonction de la hauteur géopotentielle, l'équation d'humidité formulée en terme de dépression du point de rosée et l'équation de pression à la surface. La température est déterminée par des méthodes diagnostiques à partir du géopotentiel, par l'intermédiaire de l'équation hydrostatique. La variable de mouvement vertical est déterminée à partir de l'équation de continuité de masse, au moyen de l'équation hydrostatique également; enfin, la variable de mouvement vertical est déterminée à partir de l'équation de continuité de masse.

Les processus physiques qui régissent le cycle hydrologique comprennent les équations pronostiques pour l'humidité du sol et l'accumulation de neige.

Les flux horizontaux dus aux mouvements non résolus sont paramétrisés selon la suggestion de Leith (1971), laquelle convient particulièrement bien aux modèles spectraux à troncature triangulaire.

Une caractéristique nouvelle dans le modèle MCGA1 est la paramétrisation du transport et du dépôt de la quantité de mouvement (résistances dues aux ondes de gravité), induits par des ondes de gravité se propageant à la verticale et d'origine topographique.

2. Conditions aux limites

Bien que les conditions initiales ne soient pas importantes pour les modèles de circulation générale, les conditions aux limites influent grandement sur les climats simulés. On intègre l'effet de la topographie à grande échelle sur le climat simulé aux équations de mouvement, en spécifiant la hauteur géopotentielle à la surface. On obtient les valeurs utilisées dans le modèle en tronquant à 20 nombres d'ondes (troncature triangulaire) le développement en harmoniques sphériques qui représente la hauteur topographique.

Les températures à la surface sont calculées au-dessus des zones terrestres et des banquises de glace océaniques, par résolution de l'équation du bilan énergétique de la surface. Les températures à la surface des océans sont tirées des températures climatologiques moyennes à la surface de la mer fournies par le Service des données sur le milieu marin (ministère des Pêches et des Océans).

Afin de paramétriser les flux de surface au-dessus des zones terrestres, il faut spécifier les coefficients de transfert global pour une stabilité neutre. À cette fin, on utilise le champ des coefficients de résistance, suivant en cela la suggestion de Cressman (1960).

L'albédo de surface au-dessus des zones terrestres est une composante pronostique qui dépend de la couverture de neige. On utilise dans le modèle les valeurs de l'albédo de fond au-dessus des zones terrestres, de l'océan et des banquises fournies par Posey et Clapp (1964).

3. Mécanismes de transfert radiatif

Le rayonnement solaire et terrestre constitue à la fois la principale source et le principal puits d'énergie pour le système climatique. Dans le modèle de circulation générale que nous décrivons ici, la spécification des températures à la surface de l'océan signifie que les flux de chaleur et d'humidité provenant des océans ne dépendent pas directement du bilan radiatif de la surface des océans. Par conséquent, le modèle n'est pas sensible aux calculs radiatifs, comme il le serait s'il comportait des paramètres océaniques interactifs.

Les mécanismes radiatifs inclus dans le modèle donnent lieu au réchauffement ou au refroidissement de chaque couche atmosphérique et à la surface, à savoir des zones terrestres ou des banquises. Les calculs radiatifs sont effectués pour deux grandes régions spectrales, celles du rayonnement solaire et du rayonnement thermique.

4. Mécanismes de transfert horizontal

Les vastes transferts horizontaux dans l'atmosphère se font par circulation à l'échelle synoptique, laquelle est explicitement calculée dans le modèle. Néanmoins, si l'on veut que les résultats soient réalistes, on doit inclure dans les équations l'effet que les échelles horizontales de mouvement non résolues ont sur les échelles qui sont explicitement résolues dans le modèle.

Bien que l'on puisse s'attendre à ce qu'un système physique complexe comme l'atmosphère ne présente pas un comportement turbulent simple, la correspondance approximative obtenue permet de croire qu'en l'absence d'une théorie et de connaissances complètes sur le comportement de l'atmosphère, les notions de turbulence sont néanmoins utiles pour paramétriser les effets que les processus se déroulant à des échelles inférieures aux mailles de la grille ont sur les échelles explicitement résolues par le modèle.

C'est l'approche que l'on avait adoptée pour le MCGA1. En particulier, la diffusion horizontale introduite dans le modèle est basée sur les travaux de Leith (1971), qui présentent une équation de dissipation basée sur l'hypothèse que le nombre d'onde auquel on tronque le développement en série, dans le modèle, se trouve en-deçà du sous-domaine inertiel de redistribution de l'enstrophie.

5. Précipitation et dégagement de la chaleur latente

Dans le modèle, il y a des précipitations et un dégagement de chaleur latente lorsque l'humidité relative locale devient suffisamment importante pour qu'il se produise de la sursaturation dans une colonne atmosphérique donnée. Le dégagement de chaleur latente peut être associé à la convection d'humidité lorsque l'atmosphère est localement instable, sous certaines conditions. La condensation et la convection sont toutes deux traitées par un schéma d'ajustement convectif, appliqué à chaque colonne atmosphérique. Toute l'eau liquide condensée tombe à la surface sous forme de précipitations.

6. Bilan énergétique de la surface et hydrologie

Dans le modèle, la surface de la Terre peut être un sol nu ou enneigé, de la glace, de la glace de mer, ou l'océan libre de glace. Les températures à la surface sont spécifiées en fonction du temps au-dessus de l'océan libre de glace. Dans tous les autres cas, les températures à la surface sont déterminées afin de répondre aux exigences du bilan thermique à la surface.

On considère que le sol est complètement recouvert de neige lorsque la masse de neige par unité de surface dépasse une certaine valeur. Dans le modèle, l'albédo de surface peut dépendre de la couverture de neige. En outre, l'humidité du sol et la masse de neige sont des variables pronostiques dans le modèle.

Sur la banquise, la neige s'évapore en premier, mais par la suite, la banquise agit comme réservoir infini d'eau congelée pouvant s'évaporer. Les banquises glaciaires, comme celles que l'on retrouve au Groenland et dans le sous-continent antarctique, sont supposées être d'épaisses couches de neige, pour le calcul de l'hydrologie de surface. Par ailleurs, puisque le forçage solaire pour la simulation comprend les variations annuelles et diurnes, ces couches ne fondent jamais complètement.

Le ruissellement n'est pas explicitement calculé. Lorsque l'humidité totale du sol atteint une valeur dépassant la capacité de rétention, on suppose que la valeur excédentaire s'écoule sous forme de ruissellement; l'humidité du sol est alors ramenée à l'unité. Lorsqu'il pleut sur la banquise, on suppose que l'eau s'écoule immédiatement.

Références:

Asselin, R., 1972: Frequency filter for time integrations.Mon. Weather Rev., 100, 487-490.

Boer, G. J., N. A. McFarlane, R. Laprise, J. D. Henderson, and J.-P. Blanchet, 1984: The Canadian Climate Centre Spectral Atmospheric General Circulation Model, Atmos.-Ocean, 22(4), 397-429.

Boer, G. J., and N. A. McFarlane, 1979: The AES atmospheric general circulation model. Report of the JOC Study Conference on Climate Models: Performance, Intercomparison and Sensitivity Studies, Vol. I, GARP Publ. Ser. No. 22, pp. 409-460.

Cressman, G. P., 1960: Improved terrain effects in barotropic forecasts, Mon. Wea. Rev., 88, 327-342.

Daley, R., C. Girad, J. Henderson, and I. Simmonds, 1976: Short term forecasting with a muti-level spectral primitive equation model. Part I - Model formulation. Atmosphere, 14, 98-116.

Leith, C. E., 1971: Atmospheric predicability and two dimensional turbulence. J. Atmos. Sci., 28, 145-161.

Possey, J. W., and D. F. Clapp, 1964: Global distribution of normal surface albedo. Geofis. Int., 4, 33-48.

Robert, A. J., J. Henderson, and C. Turnbull, 1972: An implicit time integration scheme for baroclinic models of the atmosphere. Mon. Wea. Rev., 100, 329-335.