Evaluating the Canadian regional climate model through process tendencies and data assimilation

Field: Earth and Planetary Sciences (Physical Sciences)

L'objectif de cette thèse était d'utiliser une nouvelle approche basée sur celle proposée par Rodwell and Palmer (2007) (désignée dorénavant par RP07) pour valider le Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC5). Cette approche utilise les tendances temporelles initiales des processus physiques du modèle pour évaluer l'équilibre dynamique résultant de l'utilisation de différentes conditions initiales fournies soit par des réanalyses ou des simulations globales du climat. Ceci apporte des informations détaillées sur les interactions entre ces différents processus et complète les outils classiques de validation des modèles régionaux de climat. Pour un modèle de climat global, l'impact des conditions initiales s'estompe en cours d'intégration et n'a donc pas d'influence directe sur une simulation climatique. Par contre, un modèle régional de climat est constamment forcé à ses frontières soit par des réanalyses globales ou le résultat d'une simulation globale du climat produite à l'aide d'un modèle ayant des caractéristiques différentes. Cette thèse propose d'étudier en premier lieu la sensibilité d'un modèle régional du climat aux conditions initiales et aux frontières telle qu'évaluée par les diagnostiques sur les tendances initiales. Le MRCC5 (CRCM5 en anglais) est une version à aire limitée du modèle global GEM (Global Environmental Multi-échelle) d'Environnement Canada. Les tendances initiales ont d'abord été calculées pour la configuration globale de ce modèle pour un ensemble de courtes intégrations démarrées d'analyses issues d'un système d'assimilation utilisant le même modèle pour produire des analyses 3D-Var et 4D-Var d'Environnement Canada (EC). Le modèle est généralement bien équilibré mais une dégradation est notée au niveau de la zone de convergence inter-tropicale (ZCIT) pour le 4D-Var. Lorsque le modèle démarre d'une analyse produite par un autre modèle, dans notre cas les réanalyses ERA-Interim du Centre Européen de prévision météorologique à moyen terme (CEPMMT, ECMWF en anglais) à basse et haute résolution, une quasi-absence de la convection est notée dans les premiers instants de l'intégration lorsque les réanalyses à basse résolution sont utilisées. L'équilibre est meilleur avec les réanalyses à haute résolution. Il est également noté qu'une dégradation de la résolution verticale est plus dommageable que celle de la résolution horizontale. Pour le MRCC5, les conditions aux frontières utilisées pour le pilotage ont été, d'une part des analyses 4D-Var d'EC et d'autre part des réanalyses ERA-Interim à basse et haute résolution. Les diagnostics des tendances montrent un déséquilibre persistant au-delà de 15 jours dans le cas des réanalyses à faible résolution. Dans le cas des réanalyses ERA-Interim à haute résolution et les analyses 4D-Var d'Environnement Canada, le modèle affiche un bon équilibre initial mais une dégradation commence à apparaître après 5 jours environ en se propageant graduellement vers l'intérieur du domaine. Dans la deuxième partie, l'effet du pilotage sur le MRCC5 est évalué par sa réponse à différents types de conditions aux frontières produites par le modèle Canadien du climat (CanESM2), le modèle de l'Institut Max-Planck (MPI-ESM) ainsi que les réanalyses ERA-Interim. Les diagnostics des tendances montrent un réchauffement excessif du modèle dans les basses couches et un refroidissement plus haut et ceci pour les différentes données de pilotage. Évaluées et moyennées sur une saison, les tendances de température ont révélé un refroidissement dans les basses couches lorsque le modèle est piloté par CanESM2 et un réchauffement lorsqu'il est forcé par MPI-ESM. Les tendances de l'humidité spécifique montrent également des effets différents selon le type de données de pilotage. Dans RP07, les tendances initiales sont obtenues dans le cadre d'un cycle d'assimilation de données dans lequel le modèle évalué est celui utilisé pour faire l'assimilation. La troisième partie de cette thèse présente l'évaluation d'un système régional d'assimilation de données basé sur le MRCC5 sur la région de l'Amérique du Nord. Le système d'assimilation variationnel d'Environnement Canada a été adapté pour produire des analyses aux 6-h pour les mois de Janvier et Juillet 2011. Bien que celles-ci concordent assez bien avec celles d'autres sources, les incréments d'analyse moyens, les écarts aux observations moyens (monitoring) et les tendances initiales ont révélé des anomalies près de la frontière nord du MRCC5, indiquant un problème avec le couplage aux frontières en présence de rapides variations dans la circulation transversale. La possibilité de faire de l'assimilation avec le MRCC5 ouvre la possibilité d'étudier différentes approches permettant d'aborder cette question et les diagnostics sur les tendances constituent un atout important pour élucider cette question. \n______________________________________________________________________________ \nMOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Assimilation de données, équilibre dynamique, modélisation régionale du climat, processus physiques, modèles à aire limitée.