Modèle de glace de mer

 Description

Le modèle numérique GELATO (Global Experimental Leads and ice for ATmosphere and Ocean) décrit l’évolution dynamique et thermodynamique de la glace de mer en Arctique et en Antarctique. L’utilisation d’un tel modèle permet par exemple d’étudier la variabilité de la glace de mer en Arctique, ou de mieux comprendre sa régression très rapide, que l’on peut observer depuis les années 1990. Notamment, septembre 2007 a marqué un record absolu de faible englacement de l’Arctique, avec un peu plus de 4 millions de km$^2$ de glace, à comparer avec 7-8 dans les années 1980.

Concentration de la glace de mer simulée par le modèle NEMO-Gelato forcé par des observations atmosphériques : mars 2007 (figure de gauche) et septembre 2007 (à droite). Une valeur de 0 correspond à une absence de glace, et une valeur de 1 indique que localement la surface marine est totalement englacée. La limite des glaces observées par satellite (NSIDC, Boulder, Colorado) est marquée par les traits forts en noir.

Historiquement il a été créé en 1996 à partir d’un modèle thermodynamique simple de banquise développé au NERSC (Bergen, Norvège). Il portait alors le nom du projet européen ICESTATE.

Codé en Fortran90, il comprend dès l’origine une représentation sous-maille de plusieurs catégories de plaques de glace distinguées par épaisseurs, ainsi qu’une représentation de la neige s’accumulant sur la glace, selon Douville (1995a,1995b).

Il a d’abord été utilisé en tant que modèle régional sans dynamique. En 1997, une dynamique simple de type free-drift (ne prenant pas en compte les efforts internes à la glace) a été couplée à ICESTATE pour donner GELATO.

Depuis 2000, GELATO comprend la dynamique Elastique-Visco-Plastique (EVP), développée par Hunke et Dukowicz (1997), beaucoup plus sophistiquée.

L’advection semi-lagrangienne utilisée par le modèle est décrite par Hunke et Lipscomb (2002). L’article de référence présentant GELATO est Salas-Mélia (2002).

Plus récemment, de nouveaux processus physiques ont été pris en compte dans la version 5 de GELATO : la salinité de la glace de mer évolue en effet au cours du temps, et la chaleur spécifique de la glace est une fonction de la température et de la salinité. Des travaux sont en cours afin de mieux modéliser les mares de fonte qui se forment l’été sur la glace de mer. Cela permettra d’affiner les estimations de la fonte de la glace qui se produit actuellement, particulièrement en Arctique.

Epaisseur de la glace de mer simulée par le modèle NEMO-Gelato forcé par des observations atmosphériques : mars 2007 (figure de gauche) et septembre 2007 (à droite).

 Applications

Directement installé dans le code du modèle de circulation générale océanique NEMO3.2, GELATO5 est actuellement la composante glace de mer du modèle climatique couplé global du CNRM, CNRM-CM5, pour les applications suivantes :

– simulations climatiques des climats passés et présents (dernier maximum glaciaire, holocène moyen, préindustriel, climat depuis 1850

– simulations de changement climatique selon divers scénarios de concentration de gaz à effet de serre et d’aérosols atmosphériques. GELATO est également couplé à un modèle 1 couche d’océan superficiel (slab model), avec dynamique complète et possibilité de le contraindre par un rappel en température de surface et/ou épaisseur de glace.

– prévision saisonnière et décennale de glace de mer (en mode recherche actuellement)

Surface de glace arctique modélisée en septembre de 1850 à 2009 (10 réalisations, courbes en couleur) par GELATO au sein du modèle couplé CNRM-CM5, en millions de km$^2$. Les observations par satellite du NSIDC (Boulder, Colorado) pour la période 1979-2007 sont représentées en noir.

Très portable, ce modèle fonctionne sur PC Linux, VPP Fujitsu, NEC SX et IBM regatta.

 Collaborations

GELATO est né au Nansen Environmental and Remote Sensing Center (NERSC, Norvège) en 1996 sous le nom d’ICESTATE, puis a été largement développé au CNRM-GAME. Depuis l’an 2000, GELATO partage avec le modèle de glace CICE la dynamique EVP et l’advection semi-lagrangienne développées au laboratoire de Los Alamos (U.S.A.)

 Publications associées à ce modèle

Douville, H., Royer, J.-F. and Mahfouf, J.-F. (1995a) : A new snow parametrization for the Météo-France climate model. Part I : Validation in stand-alone experiments, Clim. Dyn. 12, 21-35
Douville, H., Royer, J.-F. and Mahfouf, J.-F. (1995b) : A new snow parametrization for the Météo-France climate model. Part II : Validation in a 3-D GCM experiments, Clim. Dyn. 12, 37-52
Guemas, V. and D. Salas y Melia, 2008 : Simulation of the Atlantic Meridional Overturning Circulation in an Atmosphere-Ocean Global Coupled Model, Part I : A Mechanism Governing the Variability of Ocean Convection in a Preindustrial Experiment. Climate Dyn. 31(1), 29-48. doi : 10.1007/s00382-007-0336-8
Guemas, V. and D. Salas y Melia, 2008 : Simulation of the Atlantic Meridional Overturning Circulation in an Atmosphere-Ocean Global Coupled Model, Part II : Weakening in a Climate Change Experiment : a Feedback Mechanism. Climate Dyn. 30(7-8), 831-844. doi : 10.1007/s00382-007-0328-8
Hunke, E.C. and Dukowicz, J.K. (1997) : An elastic-viscous-plastic model for sea ice dynamics. J. Phys. Oceanogr., 27, 1849-1867.
Hunke, E.C. and Lipscomb, W.-H. (2002) : CICE : the Los Alamos sea ice model, documentation and software User’s Manual. T-3 Fluid Dynamics Group, Los Alamos National Laboratory, Tech. Rep. LACC-98-16 v.3.
Salas-Mélia, D. (2000) : Développement et validation d’un modèle couplé océan-glace de mer pour l’étude du climat des hautes latitudes. Thèse de doctorat de l’Univ. P. Sabatier, Toulouse III.
Salas-Mélia, D. (2002) : A global coupled sea ice-ocean model. Ocean Modelling 4, 137-172.
Salas-Mélia, D., F. Chauvin, M. Déqué, H. Douville, J.-F. Gueremy, F. Chauvin, S. Planton, J.-F. Royer and S. Tyteca (2005) : Description and validation of the CNRM-CM3 global coupled model, CNRM Tech. Rep. 103.