Modèles du futur, futur des modèles

1. Modèles du futur, futur des modèles Pratiques, débats et stratégies en modélisation du climat Hélène Guillemot (Centre Alexandre Koyré) Projet ANR ClimaConf Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1er avril 2014

2. Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1er avril 2014

3. plan • Introduction • 1- Les modèles de climat • 2- Pratiques de modélisation • Analyses de simulations • Développement de paramétrisations • 3- Débat sur l’évolution des modèles • 4- Différences de « styles de vie épistémiques » • Typologies existantes • Holisme et découpages • Paramétrisation, pis aller ou outil heuristique • 5- Pratiques, cultures et institutions Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1er avril 2014

4. 1- Les modèles de climat LMDZ, le modèle de circulation atmosphérique du LMD Le modèle couplé climat de l’IPSL Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1er avril 2014

5. 2- Pratiques de modélisationAnalyses de simulations Identifier et hiérarchiser les rétroactions Changement de température pour un doublement du CO2 (= sensibilité) multi-modèle contributions des différentes rétroactions b) dispersion (=différence entre les modèles) pour chaque forçage et rétroaction J-L Dufresne and S. Bony, 2005 Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1er avril 2014

6. 2- Pratiques de modélisationAnalyses de simulations Une stratégie qui se réclame du rapport Charney de 1979 Jule Charney (1917-1981) «What made the Charney Report so prescient? The emphasis on the importance of physicalunderstandinggainedthroughtheory and simple models, both for itsownsake, to facilitate the distillation of scientificknowledge, and to help interpret and check the results of GCMs, provedhighly productive » Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1er avril 2014

7. 2- Pratiques de modélisationAnalyses de simulations Recours à un spectre de modèles de différentes complexités Aqua-planète Etude des rétroactions nuageuses de versions « aqua-planète » de différents modèles Stevens & Bony 2013 Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1er avril 2014

8. 2- Pratiques de modélisationDéveloppement de paramétrisations La nouvelle physique du modèle LMDZ Convection profonde turbulence panaches thermiques poches froides d’après J.-Y. Grandpeix Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1er avril 2014

9. 2- Pratiques de modélisationDéveloppement de paramétrisations Validation d’une paramétrisation par simulation « explicite » Version « uni-colonne » du GCM Observations par une campagne de terrain simulation « explicite » par un modèle à haute résolution Shéma idéalisé de la paramétrisation  Même forçage grande échelle Validation: comparaison de l’évolution des nuages simulée : humidité - par une simulation explicite avec un modèle à haute résolutiond’après F. Hourdin - par un GCM avec la nouvelle paramétrisation 9 Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1er avril 2014

10. 3- Débat sur l’évolution des modèles Holisme et compréhension …selon des épistémologues : • « ln many computer simulations, the dynamicrelationshipbetween the initial and final states of the core simulation isepistemically opaque becausemoststeps in the process are not open to direct inspection and verification. This opacitycanresult in a loss of understanding( ... )» Humphreys, P. 2004. Extending Ourselves. Computational Sciences, Empiricism, and Scientific Method. Oxford: Oxford University Press. • « Global models of climateface a form of confirmation holism. This holismmakesanalyticunderstandingof complexmodels of climateeitherextremelydifficult or evenimpossible » • «Climate models are analytically impenetrable in the sense that itis impossible to tell, by anymethod, where to locate the sources of the failures of ourmodels to match knowndata » Lenhard, J. & E. Winsberg, 2010. « Holism and Entrenchment and the future of climate model pluralism », Studies in History and Philosophy of Modern Physics, vol. 41, issue 3 Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1er avril 2014

11. 3- Débat sur l’évolution des modèles Earth System Models IGBP

12. 4- Différences de « styles de vie épistémiques » Compréhension, modèles simples et prévision • « In order to assess the climaticeffects of increasedatmospheric concentrations of CO2, weconsider first the primaryphysicalprocessesthat influence the climatic system as a whole. Theseprocesses are best studied in simple modelswhosephysicalcharacteristicsmayreadilybecomprehended.» « Charney Report », 1979 • « A prediction of future climatewichis not basedupon a satisfactoryunderstanding of model behaviourisindistinguishablefrom the prediction of a future teller » Correspondance entre deux modélisateurs américains en 1993, Shackley 2001 • « For sufficientlycomplexsystems, weneed a model hierarchy on which to base ourunderstanding, describing how the dynamics change as key sources of complexity are added or subtracted. Our understandingbenefitsfromappreciation of the interrelationshipsamong all elements of the hierarchy. » Held I., « The Gap between Simulation and Understanding in ClimateModeling », Bull. Amer. Meteor. Soc., 86, 2005 • « An important concept in climate system modellingisthat of a spectrum of models of differinglevels of complexity, eachbeing optimum for answeringspecific questions. » 4th IPCC Assessment Report (AR4), chap. 8 (Climatemodelsevaluation), 2007 • «The reliability of ourmodelswillremaindifficult to establish and the confidence in ourpredictionswillremaindisproportionatelydependent on the development of understanding ». Bony, S., et al.. « CarbonDioxide and Climate: Perspectives on a ScientificAssessment », 2013 Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1er avril 2014

13. 4- différences de « style de vie épistémiques » « L’impasse des paramétrisations » « Note the ironyhere: Eventhoughthe basic physicalequations in whichwe have the most confidence describesmall-scaleprocesses, in practice itis the effects of thosesmall-scaleprocessesthat are incorporatedintoourmodelsthrough the use of uncertainclosureassumptions. It isironicthatwecannotrepresent the effects of the small-scaleprocesses by making direct use of the well-knownequationsthatgovernthem. » « Cloud parameterizationdevelopers (a small group, evenworldwide) are struggling to identify the most important processes on the basis of woefullyincomplete observations. At the same time, they are trying to compute the statistics of theseprocessesthatmatter for the large-scale circulation and climate, withoutdirectlyrepresenting the cloudprocessesattheir “native” space and time scales. » « Future parameterizationsshouldrepresent PBL processes and moist convective processes in a unifiedframework » « (…) the large-scaleeffects of microphysics, turbulence, and radiation shouldbeparameterized as closelycoupledprocesses acting in concert, ratherthan as “separate” processes » Randall et al. 2003, BAMS Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1er avril 2014

14. « Paradigme dynamique », ambitions et frustrations • « The first greatstep in the development of anyphysical science is to substitute for the indescribablycomplex reality of nature an ideal system thatis an effective equivalent for the purpose of theoreticalcomputation » N. Shaw (1854-1945) , Directeur du Meteorological Office de Grande-Bretagne, 1926 (cité par Nebeker) • Napier Shaw thoughtthatitwaspremature to attempt to calculate the motion of the atmosphere on the basis of the knownlaws of physics, and that the proper course was first to discover a representation of the actual motions of the atmosphere and thenfromthisinfer the underlyinglaws. Thushethoughtthatmeteorologyneeded, above all, a Kepler, someone to discern a pattern in the data. F. Nebeker, Calculating the Weather, 1995, p. 29 • « Becauseof the impracticality (if not impossibility!) of calculating the fluxes of mass and energyinvolved in the long-term changes to the accuracyrequired by the geologicevidence, a more central needis to formulate, phenomenologically, the structure of the slow-responsesystem ». B. Salzmann, Dynamicalpaleoclimatology : GeneralizedTheory of Global Climate Change (2001) « Si vous prenez un modèle de 2 Km de résolution, vous avez des résultats superbes, qui reprennent les observations (…). Mais c’est frustrant : si on est obligé de le résoudre explicitement par les computers, ça veut dire qu’on n’a pas compris la physique qu’il y a derrière (…) On sait que l’activité de sous-maille est importante pour contrôler la circulation générale, mais on ne sait pas écrire de loi de transformation … » (Chercheuse de Météo-France – à propos d’un modèle d’océan) « On a des équations, malheureusement quand on regarde les équations, elles ne nous disent rien. Pendant un siècle ou plus, des gens ont essayé de simplifier au maximum ces équations, pour essayer de comprendre comment se faisait la cellule de Hadley, des choses comme ça. Et puis à partir du moment où les moyens de calcul ont existé, dans les années 70, on s’est dit : bon, et bien tant pis, on va faire l’impasse, on va rentrer ces équations dans une boîte noire et on va demander au modèle de faire les raisonnements pour nous, parce que nous, on n’est pas capable de les faire (...) On ne peut pas remonter aux mécanismes fondamentaux, les mécanismes fondamentaux, ce sont les équations. Et les équations, on ne sait pas les résoudre. Donc… on demande au modèle de nous les résoudre » (Chercheur de Météo-France)

15. Le monde des modèles de climat Bony et al. 2012 Séminaire « Changement climatique et biosphère », Centre A. Koyré, Paris – 1er avril 2014

16. Merci ! Programme « Balsamine » sur l’analyse de la mousson indienne. Participation du LMD à l’expérience GARP, 1979