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Modèle de circulation générale de l'atmosphère de troisième génération

Centre canadien de la modélisation et de l'analyse climatique

Le modèle de circulation générale de troisième génération (McFarlane et al. 2005, Scinocca et al. 2008) partage de nombreuses caractéristiques de base avec le modèle de deuxième génération (Modèle de circulation générale de l'atmosphère de deuxième génération ), décrit par McFarlane et al. (1992). Tout comme dans le MCGA2, on utilise la méthode des transformées spectrales afin de représenter les structures spatiales horizontales des principales variables pronostiques, alors que la représentation verticale se fait en termes d'éléments finis rectangulaires définis pour un système de coordonnées verticales hybrides, décrit par Laprise et Girard (1990).

La représentation spectrale couramment utilisée dans le MCGA3 correspond à une résolution horizontale supérieure à ce qui est utilisé dans le MCGA2 et comprend un développement en harmoniques sphériques avec troncature triangulaire au nombre d'onde 47 (T47). Dans le MCGA3, le domaine vertical est plus profond que dans le MCGA2, et la résolution verticale est également plus grande. Le domaine du modèle de troisième génération s'étend de la surface de la Terre jusqu'à la région de la stratopause (1 hPa, soit environ 50 km au-dessus de la surface). Cette région est scindée en 32 niveaux. Le point médian du niveau le plus bas est à environ 50 mètres au-dessus de la surface au niveau de la mer. L'épaisseur des niveaux augmente de façon monotone avec l'altitude, passant d'environ 100 mètres à la surface à 3 km dans la basse stratosphère.

Dans le modèle de troisième génération, le traitement de nombreux processus physiques paramétrisés est, du point de vue qualitatif, similaire à ce que l'on retrouve dans le MCGA2. Toutefois, certaines caractéristiques importantes sont nouvelles dans le modèle de troisième génération. Mentionnons l'introduction du module CLASS, un nouveau module qui permet de traiter les processus à la surface terrestre (Verseghy et al., 1992). Ce nouveau schéma de paramétrisation de la surface terrestre est beaucoup plus exhaustif que le mécanisme simple à couche de sol unique utilisé dans le MCGA2. En effet, ce nouveau schéma comporte 3 couches de sol et une couche de neige là où il y a lieu, et il peut traiter la couverture végétale. En outre, les formes liquide et gelée de l'eau du sol sont considérées comme des variables pronostiques. Les propriétés de la surface de la surface, notamment les hauteurs caractéristiques de la rugosité du sol pour la chaleur et la quantité de mouvement (qui diffèrent l'une de l'autre en général), ainsi que les albédos de surface dépendent des types de sol et de végétation et des conditions d'humidité du sol, dans un même volume de grille.

Dans le MCGA3, les équations décrivant les échanges d'humidité d'origine thermique et de quantité de mouvement sont formulées selon les indications d'Abdella et McFarlane(1996). La transmission de la turbulence au travers de la couche limite planétaire est traitée de manière similaire, dans sa forme, à ce que l'on retrouve dans le MCGA2, sauf que l'on tien compte en plus, maintenant, du mélange non local direct de la chaleur et de l'humidité, lorsque le flux de poussée à la surface est ascendant. Dans ces cas, on suppose que la couche limite aura tendance à bien se mélanger jusqu'à une profondeur qui est déterminée de telle façon que la température potentielle virtuelle de la couche mélangée ne dépasse pas celle de la couche qui se trouve directement au-dessus. Dans la pratique, cette couche mélangée est toujours composée de la couche la plus basse dans le modèle et d'un nombre entier de couches adjacentes, jamais plus d'un ou deux.

L'algorithme d'ajustement de la convection humide qui était utilisé dans le MCGA2 a été remplacé dans le MCGA3 par la paramétrisation des cumulus, formulée par Zhang et McFarlane (1995). Cette paramétrisation consiste en un schéma de flux massique qui comprend une représentation des courants ascendants et descendants à l'échelle convective, et vise à tenir compte des effets de la convection pénétrante d'une manière physiquement plus réaliste que ce que permet le processus d'ajustement de la convection humide.

Le réchauffement radiatif solaire dans le MCGA3 est calculé au moyen d'une version améliorée du processus utilisé dans le MCGA2. Cette nouvelle version utilise quatre bandes dans le visible et le proche infrarouge. La nébulosité est spécifiée en fonction de l'humidité relative locale, et l'on considère que la teneur en eau liquide des nuages est proportionnelle à la valeur adiabatique obtenue par l'ascension d'une particule sur un intervalle de hauteur donné, tout comme dans le MCGA2. Les propriétés optiques des nuages sont paramétrisées en fonction de la teneur en eau liquide/glace. Enfin, le traitement du rayonnement terrestre est similaire à ce que l'on utilise dans le MCGA2, mais on a amélioré le traitement de l'émissivité sur large bande et du continuum de la vapeur d'eau.

Ce qui démarque beaucoup les deux modèles (deuxième et troisième générations), c'est le traitement du transport de la vapeur d'eau. Si on conserve dans la troisième version l'algorithme de transport spectral, la quantité transportée est toutefois la variable d'humidité hybride proposée par Boer (1995). L'utilisation de cette variable annule dans une grande mesure les effets indésirables des valeurs négatives n'ayant aucune signification physique, et que l'on obtient lorsque l'on calcule le transport spectral de l'humidité spécifique. Le MCGA3 offre également un algorithme de transport semi-lagrangien comme option pour calculer le transport de l'humidité et des autres constituants trace.

Comme la version actuelle du CMAM ne comporte pas de source chimique active de vapeur d'eau, l'humidité (en termes de variable hybride) n'est pas évaluée de manière pronostique au-delà du niveau de 25 hPa. Enfin, pour évaluer les taux de réchauffement radiatif dans la région du modèle au-dessus de ce niveau, on précise la teneur en vapeur d'eau.

Références

Abdella, K. , and N.McFarlane, 1996, Parameterization of the Surface-Layer Exchange Coefficients for Atmospheric Models., B. Layer Met., 80, 223-248.

Boer, G.J., 1995: A hybrid moisture variable suitable for spectral GCMs. Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling. Report No. 21, WMO/TD-No. 665, World Meteorological Organization, Geneva.

Laprise, R. and C. Girard, 1990: A spectral general circulation model using a piecewise-constant finite element representation on a hybrid vertical coordinate system. J. Climate, 3, 32-52

McFarlane, N.A., G.J. Boer, J.-P. Blanchet, and M. Lazare, 1992: The Canadian Climate Centre second-generation general circulation model and its equilibrium climate. J. Climate, 5, 1013-1044.

McFarlane, N.A., J. F. Scinocca, M. Lazare, R. Harvey, D. Verseghy, and J. Li, 2005: The CCCma third generation atmospheric general circulation model. CCCma Internal Rep., 25 pp.

Scinocca, J. F., N. A. McFarlane, M. Lazare, J. Li, and D. Plummer, 2008: The CCCma third generation AGCM and its extension into the middle atmosphere. Atmos. Chem. and Phys., 8, 7055-7074.

Verseghy, D.L., N.A. McFarlane, and M. Lazare, 1993: A Canadian Land Surface Scheme for GCMs:II. Vegetation model and coupled runs. Int. J. Climatol., 13, 347-370.

Zhang, G.J. and N. A. McFarlane, 1995: Sensitivity of climate simulations to the parameterization of cumulus convection in the CCC GCM. Atmos.-Ocean, 3, 407-446.