Aller au contenu principal

Projet H2020 PRIMAVERA : Simulation climatique basée sur les processus : avancées en matière de modélisation haute résolution et d'évaluation des risques climatiques en Europe

  • Taper Projet
  • Statut Rempli
  • Exécution 2015 -2020
  • Budget alloué 14.967.969,5 €
  • Portée Europeo
  • Communauté autonome Cantabria; Cataluña
  • Principale source de financement Horizon 2020
  • Site Web du projet https://www.primavera-h2020.eu/
Description

Dans le cadre de l'exercice CMIP6, PRIMAVERA a fait progresser l'état de l'art en matière de modélisation climatique mondiale en réduisant l'espacement de la grille des simulations mondiales à l'échelle du siècle de 100 km à 25 km ; en développant et en appliquant de nouvelles paramétrisations physiques adaptées à une résolution plus élevée ; et en coordonnant l'exploitation de sept modèles de 25 km, exécutés dans différents centres, mais tous téléchargeant leurs données sur une plateforme d'analyse commune. Nombre de ces développements sont déjà utilisés dans d'autres projets, nouveaux ou existants. PRIMAVERA a poursuivi le développement de modèles de nouvelle génération dans la gamme inférieure à 10 km, tant dans l'atmosphère que dans l'océan. Quatre groupes ont réalisé des simulations avec un océan riche en tourbillons, dont les premiers résultats suggèrent un potentiel de changements significatifs du risque climatique futur en Europe par rapport à une résolution plus faible, grâce à une meilleure représentation du Gulf Stream. Deux groupes ont également créé des versions de 10 km et 5 km de leur modèle atmosphérique, qui peuvent être exécutées avec ou sans paramétrisation de la convection.

Ces données ont été intégrées au projet DYAMOND, qui comprend sept autres modèles internationaux d'une résolution inférieure à 5 km, et se révèlent prometteuses pour la première fois dans le domaine de l'intensité et de l'intensification réalistes des cyclones tropicaux. La possibilité de produire des simulations mondiales à l'échelle du siècle, à des résolutions auparavant uniquement possibles par une réduction d'échelle régionale, a permis à notre communauté d'impliquer des acteurs locaux et mondiaux. Les données ont été utilisées pour l'analyse de l'énergie éolienne sur un vaste territoire européen, des inondations dues à des précipitations extrêmes dans plusieurs bassins européens, et également pour permettre la réalisation des mêmes études dans d'autres régions, pour des entreprises ayant des intérêts à l'étranger.

Un ensemble de données sur les tempêtes de vent pour les risques de réassurance et de cyclones tropicaux dans les Caraïbes et le golfe du Mexique a également été rendu possible grâce à l'échantillon exceptionnellement large fourni par l'ensemble PRIMAVERA, ainsi qu'à sa capacité à reproduire, par exemple, la variabilité interannuelle des cyclones tropicaux et la localisation des trajectoires. Les processus émergents dans les modèles PRIMAVERA ont déjà commencé à prendre en compte les comportements « hors trajectoire », c'est-à-dire les risques climatiques qui ne sont pas représentés dans les modèles de type CMIP en raison de biais.

Les cyclones post-tropicaux, d'intenses tempêtes d'origine tropicale se produisant aux latitudes moyennes, en sont un exemple frappant. Ils peuvent impacter les côtes de ces latitudes et entraîner des conséquences importantes. La promesse d'une capacité prédictive améliorée grâce à une simulation améliorée de l'interaction tourbillon-flux moyen dans la nouvelle génération de modèles globaux, probablement jusqu'à 10 km, signifie que les investissements que nous avons réalisés dans l'amélioration des modèles et des analyses constituent une base solide pour les progrès futurs.

Description des activités

PRIMAVERA a produit un nouveau modèle de simulation CMIP6, HighResMIP, partagé nos données et notre code pour une analyse conjointe sur une plateforme commune (JASMIN) et publié les données dans l'archive CMIP ESGF pour un usage communautaire (environ 12 000 années de simulation, 1,7 Po, comparable à l'ensemble de l'archive CMIP5). De nouvelles fonctions (14) ont été développées et intégrées au progiciel d'analyse communautaire ESMValTool. Nous avons développé de nouveaux composants de modèle adaptés à une résolution plus élevée qui deviendront la norme dans la prochaine génération de modèles climatiques : microphysique des aérosols, mélange océanique, bassins de fonte de la glace de mer, physique de la surface terrestre, schémas de physique stochastique. Nous avons développé une nouvelle génération de modèles, utilisant l'océan riche en tourbillons et l'atmosphère inférieure à 10 km (et au-delà dans DYAMOND, à une résolution de 5 km), ainsi qu'un modèle de glace de mer et d'océan à maillage non structuré FESOM. À ce jour, nous avons publié plus de 91 articles évalués par des pairs, dont plus de 54 soumis ou en préparation.

Nous avons constaté des changements importants dans l'ensemble multimodèle pour plusieurs processus climatiques importants, plusieurs chaînes mécanistiques étant mieux représentées à des résolutions plus élevées (par exemple, un Gulf Stream renforcé influençant le courant-jet, les trajectoires des tempêtes et le blocage). Pour notre gamme de résolutions, l'océan a eu l'impact le plus important, et nous avons montré que certains changements liés à la résolution du modèle pourraient avoir des conséquences sur le changement climatique futur en Europe. Cela suggère que les simulations sans tourbillons, telles que celles utilisées uniformément dans CMIP6, omettent des processus clés, susceptibles d'avoir un impact significatif sur les projections climatiques et les évaluations des risques qui en résultent.

Outre les articles évalués par les pairs produits pour nos collègues scientifiques, nous avons contribué et été largement cités dans le projet de rapport AR6 du GIEC, où CMIP6 HighResMIP est l'une des nouvelles sources d'information prometteuses également utilisées dans les évaluations nationales du changement climatique. Nous avons utilisé notre site web, notre plateforme d'interface utilisateur et la visionneuse de données associée, nos fiches d'information, nos webinaires et nos cartes narratives pour dialoguer avec nos utilisateurs finaux et d'autres acteurs. Nous avons collaboré activement avec d'autres projets européens, partageant données, analyses et perspectives, et plusieurs nouveaux projets s'appuient sur nos données, notre code ou les modèles que nous avons développés.

Nous avons établi des liens solides avec de nombreuses communautés internationales (par exemple, CLIVAR) et menons des analyses collaboratives continues avec de nombreux autres groupes (20 à 30 scientifiques ont accès à JASMIN) couvrant des aspects tels que les extrêmes climatiques, les tempêtes et la modélisation des ondes de tempête. Nous organisons des sessions, des réunions publiques et des événements parallèles lors de grandes conférences. Durant PRIMAVERA, de nombreuses études de master, de doctorat et de postdoctorat ont été initiées, qui se poursuivront au-delà du projet. Le projet laissera un héritage précieux grâce au nombre de jeunes chercheurs qui y ont participé et dont les trajectoires de recherche seront influencées par celui-ci. Par exemple, une école d'été sur la modélisation climatique a été organisée en 2019.

Description contextuelle

L'objectif général de PRIMAVERA était de développer une nouvelle génération de modèles climatiques mondiaux haute résolution, avancés et bien évalués. Les expériences et les livrables de PRIMAVERA, dont CMIP6 HighResMIP, ont été conçus pour répondre à certaines des questions les plus urgentes concernant le changement climatique régional, afin de fournir aux gouvernements, aux entreprises et à la société des informations fiables sur les risques météorologiques et climatiques pour les décennies à venir.

Notre hypothèse était que de nombreuses erreurs et biais persistants dans les modèles actuels pourraient être réduits en utilisant des résolutions de modèles beaucoup plus élevées (grilles plus fines), de manière à mieux représenter les processus climatiques clés et à accroître la fiabilité des projections. PRIMAVERA a pleinement atteint ses objectifs de développement et de simulation de modèles haute fidélité. Les sept groupes de modélisation ont utilisé notre protocole expérimental commun, HighResMIP, afin que nos simulations soient comparables et puissent être diffusées à l'ensemble de la communauté climatique.

Par conséquent, nous pouvons désormais affirmer avec certitude qu'une résolution accrue améliore la simulation climatique. Nos analyses et publications ont clairement transmis ce message dans le projet de rapport AR6 du GIEC. Les avancées de nos travaux sur les « Frontiers of Climate Modeling », jusqu'à des échelles encore plus fines, ouvrent la voie à de futurs projets. Les premiers résultats indiquent également que les projections du changement climatique européen pourraient avoir été sous-estimées dans les modèles actuels.

PRIMAVERA a également été conçu pour améliorer la communication entre les climatologues et la société (des particuliers et des entreprises aux conseillers politiques). Nous avons conçu certains aspects du projet en collaboration avec les utilisateurs finaux (par exemple, les sociétés d'énergie renouvelable et de réassurance) et leur avons fourni de nouveaux types d'informations et de produits pertinents (11 entreprises sont intéressées par notre ensemble de données sur les tempêtes, et la plateforme d'interface utilisateur héberge des visualisations accessibles et d'autres produits depuis notre site web).

Objectifs

L'objectif de PRIMAVERA est de fournir des modèles climatiques globaux (MCG) haute résolution, innovants, avancés et bien évalués, capables de simuler et de prédire le climat régional avec une fidélité sans précédent jusqu'en 2050. Cette capacité permettra de développer une science climatique innovante et une nouvelle génération de modèles avancés du système terrestre. Les utilisateurs finaux de chaque secteur, tant politique qu'économique, seront identifiés et impliqués individuellement, avec un retour d'information itératif, afin de garantir que les nouvelles informations climatiques soient adaptées, pratiques et renforcent les décisions de gestion des risques sociétaux. Ces objectifs seront atteints grâce au développement de MCG couplés issus de sept clusters européens, avec une résolution suffisante pour reproduire des caractéristiques météorologiques et climatiques réalistes (taille de maille d'environ 25 km), ainsi qu'à une meilleure paramétrisation des processus. Une évaluation complète utilisera des mesures innovantes basées sur les processus et les jeux de données d'observation et de réanalyse les plus récents.

Ce protocole expérimental dédié réduira la dispersion inter-modèles et produira des projections robustes. Il constitue la contribution européenne au projet d'intercomparaison de modèles à haute résolution (CMIP6) mené par PRIMAVERA. C'est la première fois que des modèles de circulation générale couplés à haute résolution seront utilisés dans le cadre d'un protocole expérimental unique. La coordination et la compréhension des processus sous-jacents renforceront considérablement la robustesse de nos résultats. Nos nouvelles capacités serviront à améliorer notre compréhension des facteurs de variabilité et de changement climatiques en Europe, y compris les extrêmes, car ces changements régionaux restent caractérisés par une forte incertitude. Nous explorerons également les frontières de la modélisation climatique et du calcul haute performance afin de produire des simulations moins dépendantes des paramétrisations physiques. Celles-ci résoudront explicitement des processus clés tels que les tourbillons océaniques et incluront de nouvelles paramétrisations stochastiques pour représenter les processus à l'échelle sous-maille. Ces simulations « frontières » approfondiront notre compréhension de la robustesse des projections climatiques.

Résultats

Le climat est fondamental pour nos vies, de l'alimentation à l'eau, en passant par la santé, les transports et l'économie. Face à la réalité du changement climatique, il est essentiel de mieux comprendre les processus climatiques mondiaux et leur impact sur la météo et le climat, passés et futurs. Le projet PRIMAVERA, financé par l'UE, a développé des modèles climatiques mondiaux de pointe qui, associés à des analyses avancées, nous en disent plus sur les processus à l'origine des changements météorologiques et climatiques des dernières décennies et sur leur évolution potentielle. Une résolution plus élevée optimise la gestion des risques. « Nos sept groupes de modélisation ont développé de nouveaux modèles mondiaux à plus haute résolution (imaginez la taille d'un pixel d'appareil photo ; nos nouveaux modèles ont des pixels de 25 km de large, tandis que les modèles standard ont des pixels de plus de 100 km) qui pourraient nous fournir plus de détails, nous permettant ainsi de mieux représenter la météo et le climat en Europe et dans le monde », explique Malcolm Roberts, coordinateur du projet PRIMAVERA.

En modélisant mieux les grandes échelles, comme le courant-jet aux latitudes moyennes, et les plus petites, comme les cyclones tropicaux et les tempêtes extrêmes, il est possible de mieux quantifier les risques climatiques futurs pour les populations et les infrastructures. Outre la modélisation, l'équipe a développé de nouveaux outils pour analyser les énormes volumes de données produites. Cela leur a permis d'observer des caractéristiques météorologiques et climatiques spécifiques (par exemple, le blocage, lorsqu'une haute pression reste au même endroit et peut provoquer des vagues de chaleur en été ou des vagues de froid en hiver) et de déterminer si celles-ci pourraient évoluer à l'avenir. Ces nouveaux outils contribuent à optimiser la prise de décision des secteurs public et privé et à renforcer la capacité de gestion des risques climatiques. L'outil de visualisation Data Viewer de PRIMAVERA illustre parfaitement les résultats possibles lorsque la résolution des modèles est augmentée. De nouvelles simulations climatiques améliorent l'information. Les rapports d'évaluation septennaux du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) fournissent des informations climatiques provenant de plus de 40 groupes internationaux de modélisation climatique.

Cependant, en raison de la complexité et du coût de l'exécution de ces modèles sur de grands supercalculateurs, le détail spatial (résolution) est loin d'être idéal, ce qui peut signifier qu'ils ne parviennent pas à représenter correctement certains phénomènes météorologiques et climatiques importants. PRIMAVERA a résolu ce problème en développant de nouvelles expériences de simulation climatique, réalisables avec ses modèles nettement plus coûteux, et qui fournissent des informations sur les lacunes potentielles des modèles standards. « Nous avons ainsi réussi à relever le niveau de qualité des informations climatiques et à produire des conseils utiles tant en termes de politiques que pour certains secteurs industriels, tels que les énergies renouvelables, les assurances et les réseaux énergétiques », explique Roberts. Les bénéfices pour le secteur de la réassurance Les simulations offrent de nouvelles perspectives pour améliorer les modèles climatiques afin de produire des projections plus fiables des changements futurs. Les ensembles de données du projet (environ 1,5 Po de données, soit l'équivalent d'environ 250 000 films haute définition) sont utilisés par l'ensemble de la communauté scientifique du climat pour la recherche. L'équipe du projet a élaboré un catalogue d'événements de tempêtes de vent basé sur des modèles que le secteur de la réassurance utilisera pour évaluer les risques liés aux dommages causés par les tempêtes.

Coordonnateurs
  • MET OFFICE
Collaborateurs
  • THE UNIVERSITY OF READING
  • ADMINISTRATIA NATIONALA DE METEOROLOGIE R.A.
  • UNIVERSITE CATHOLIQUE DE LOUVAIN
  • DEUTSCHES KLIMARECHENZENTRUM GMBH
  • UNIVERSITY OF LEEDS
  • SVERIGES METEOROLOGISKA OCH HYDROLOGISKA INSTITUT
  • ALFRED-WEGENER-INSTITUT HELMHOLTZ-ZENTRUM FUR POLAR- UND MEERESFORSCHUNG
  • CENTRE EUROPEEN DE RECHERCHE ET DEFORMATION AVANCEE EN CALCUL SCIENTIFIQUE
  • PREDICTIA INTELLIGENT DATA SOLUTIONS SL
  • UNITED KINGDOM RESEARCH AND INNOVATION
  • CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE
  • KONINKLIJK NEDERLANDS METEOROLOGISCH INSTITUUT-KNMI
  • EUROPEAN CENTRE FOR MEDIUM-RANGE WEATHER FORECASTS
  • THE CHANCELLOR, MASTERS AND SCHOLARS OF THE UNIVERSITY OF OXFORD
  • NATIONAL OCEANOGRAPHY CENTRE
  • MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG DER WISSENSCHAFTEN EV
  • FONDAZIONE CENTRO EURO-MEDITERRANEOSUI CAMBIAMENTI CLIMATICI
  • BARCELONA SUPERCOMPUTING CENTER CENTRO NACIONAL DE SUPERCOMPUTACION
  • STOCKHOLMS UNIVERSITET