Rétroactions radiatives dans CNRM.CM5.1
Olivier Geoffroy, Aurore Voldoire, David Saint-Martin,
David Salas Y Mélia,
Stéphane Sénési, Antoinette Alias, Sophie Tytéca
AMA 2012+ -
Plan
I) Concept de forçage radiatif, rétroactions radiatives et sensibilité climatique
II) Méthode des perturbations radiatives partielles
III) Résultats
IV) Effet de l’ajustement troposphérique
Concept de forçage radiatif, rétroactions radiatives, et sensibilité climatique
(Knutti and Hegerl, 2008)Perturbation radiative
Nouvel état d’équilibre
∆N=F- λ∆T
Ajustement stratosphérique Ajustement troposphérique
∆N=F- λ∆T ∆N=0
Fi Fa F
Forçage instantané(Gregory and Webb, 2008)
Concept de forçage radiatif, rétroactions radiatives et sensibilité climatique Modèle de bilan énergétique (EBM).
Serie de Taylor:
)( 2TTT
Np
p
NN Ο+∆
∂∂+∆
∂∂=∆
Variation du flux nettropopause
= F forçage
Variation due au changement de TVariation due à une
perturbation externe
(Hansen et al.,1984; Schlesinger, 1988 )
Concept de forçage radiatif, rétroactions radiatives et sensibilité climatique Modèle de bilan énergétique (EBM).
Sans rétroaction:
TFN p∆+=∆ λ34 Tεσ−≈
Serie de Taylor:
)( 2TTT
Np
p
NN Ο+∆
∂∂+∆
∂∂=∆
Variation du flux nettropopause
= F forçage
Variation due à une perturbation externe
Variation due au changement de T
pp
FT
λ−=∆
Paramètre de rétroaction de Planck
Réponsede Planck
Equilibre (∆N=0) :
(Hansen et al.,1984; Schlesinger, 1988 )
Concept de forçage radiatif, rétroactions radiatives et sensibilité climatique Modèle de bilan énergétique (EBM).
Sans rétroaction:
pp
FT
λ−=∆
Paramètre de rétroaction de Planck
Réponsede Planck
F ∆TG0=-1/λp+
-
TFN p∆+=∆ λ
Equilibre (∆N=0) :
34 Tεσ−≈
FGTp 0=∆
Gain en boucle ouverte
Schéma-bloc.
Serie de Taylor:
)( 2TTT
Np
p
NN Ο+∆
∂∂+∆
∂∂=∆
Variation du flux nettropopause
= F forçage
Variation due à une perturbation externe
Variation due au changement de T
(Hansen et al.,1984; Schlesinger, 1988 )
Concept de forçage radiatif, rétroactions radiatives et sensibilité climatique Modèle de bilan énergétique (EBM).
∆N = F + λ∆T
Sans rétroaction:
Avec rétroaction:
pp
FT
λ−=∆
Paramètre de rétroaction de Planck
Réponsede Planck
F ∆TG0=-1/λp+
-
f/G0
( ) TT
x
x
N
T
T
T
NFN
CAWLPT
i
i
i
∆∂∂
∂∂+
∂∂
∂∂+=∆
+++=
∑ 43421321
λλλλλλ
TFN p∆+=∆ λ
Equilibre (∆N=0) :
Paramètre de rétroaction (<0)
34 Tεσ−≈
Température Autres rétroactions
FGTp 0=∆
Gain en boucle ouverte
Schéma-bloc.
(dépendant du type de forçage)
Serie de Taylor:
)( 2TTT
Np
p
NN Ο+∆
∂∂+∆
∂∂=∆
Variation du flux nettropopause
= F forçage
Variation due à une perturbation externe
Variation due au changement de T
(Hansen et al.,1984; Schlesinger, 1988 )
Concept de forçage radiatif, rétroactions radiatives et sensibilité climatique Modèle de bilan énergétique (EBM).
∆N = F + λ∆T
Sans rétroaction:
Avec rétroaction:
pp
FT
λ−=∆
Paramètre de rétroaction de Planck
Réponsede Planck
F ∆TG0=-1/λp+
-
f/G0
( ) TT
x
x
N
T
T
T
NFN
CAWLPT
i
i
i
∆∂∂
∂∂+
∂∂
∂∂+=∆
+++=
∑ 43421321
λλλλλλ
∑≠
+−
=∆
pipi
peq
FT
λλλ/1
/peq T
fF
f
GT ∆
−=
−=∆
1
1
10
Facteur de rétroaction (Bode, 1975 )
Sensibilité climatiqueà l’équilibre (ECS)
TFN p∆+=∆ λ
Equilibre (∆N=0) :
Paramètre de rétroaction (<0)
34 Tεσ−≈
λ−=∆ ×
×22
22CO
COeq
FT
Température Autres rétroactions
FGTp 0=∆
Gain en boucle ouverte
Gain en boucle fermée
=
Schéma-bloc.
f<0 � atténuation0<f<1 � amplification
(dépendant du type de forçage)
Serie de Taylor:
)( 2TTT
Np
p
NN Ο+∆
∂∂+∆
∂∂=∆
Variation du flux nettropopause
= F forçage
Variation due à une perturbation externe
Variation due au changement de T
(Hansen et al.,1984; Schlesinger, 1988 )
Sensibilité Climatique à l’Equilibre (ECS) Réponse Climatique Transitoire (TCR)
TCR = T(70 ans) simulation 1% CO2
� Run de plus de 1000 ans. Inconvénient: long. Non demandé dans CMIP5� Run long avec un AGCM-Mixed Layer Ocean. Inconvénient: � Sensibilité climatique effective (Murphy, 1995)
Inconvénient: F =?, non constant pour certains modèles.� Régression N=f(T) pour AB4CO2
(Gregory et al., 2004)Inconvénient: non linéaire pour certains modèles.
)()( AOGCMECSMLAGCMECS ≠−
ECS
TCR=2.1K
TCR=1.6K
CNRM-CM5CNRM-CM3
CNRM-CM5CNRM-CM3
Méthodes d’estimation:
λ/)( NFECS −=
F4xCO2
KECS CO 5.624 ≈×
λ: pente∆
∆
∆N=f(∆T)
Rétroactions radiatives
- Gradient de température (T=P+L)
- Vapeur d’eau (W) (effet de serre)
- Albedo de surface (A) (banquise, neige: fort albédo)
- Nuages (C)(effet de serre + effet parasol)
z
T
Planck (P)
Lapse rate (L)
Méthode des Perturbations Radiatives Partielles (PRP)
Simulation ContrôleTempérature Tsurf , TVapeur d’eau q, qsatAlbédo de surface a
Nuages Fcld, ql, qi
Transfert radiatif� N (T, q, a, C)
N (T’, q’, a, C’)- N(T, q, a, C)λA=
Simulation perturbéeTempérature T’surf , T’Vapeur d’eau q’, qsat’Albédo de surface aNuages F’cld, ql’, qi’
∆T
Transfert radiatif� N (T’, q’, a, C’)
= F+ (λT+ λW+λA+λC) ∆T
=λP+ λL
Forward
( ) TT
x
x
N
T
T
T
NFN
CAWLPT
i
i
i
∆∂∂
∂∂+
∂∂
∂∂+=∆
+++=
∑ 43421321
λλλλλλ
(Wetherald and Manabe, 1988 )
Méthode des Perturbations Radiatives Partielles (PRP)
Simulation ContrôleTempérature Tsurf , TVapeur d’eau q, qsatAlbédo de surface a’
Nuages Fcld, ql, qi
Transfert radiatif� N (T, q, a’, C)
N(T, q, a’, C)- N (T’, q’, a’, C’)λA=
Simulation perturbéeTempérature T’surf , T’Vapeur d’eau q’, qsat’Albédo de surface a’Nuages F’cld, ql’, qi’
∆T
Transfert radiatif� N (T’, q’, a’, C’)
= F+ (λT+ λW+λA+λC) ∆T
=λP+ λL
Forward
Reverse
( ) TT
x
x
N
T
T
T
NFN
CAWLPT
i
i
i
∆∂∂
∂∂+
∂∂
∂∂+=∆
+++=
∑ 43421321
λλλλλλ
(Wetherald and Manabe, 1988 )
Méthode des Perturbations Radiatives Partielles (PRP)
(Wetherald and Manabe, 1988 )
- Simulations: AB4CO2 et contrôle- Période de temps: max 10 ans. - 3H (tests de sensibilité). - Moyenne Forward et Reverse: élimine biais dû à la décorrélation des champs
(Colman et al., 2003)
- Tropopause(même définition que Soden and Held, 2004):
30S 30N 90N90S
100mb
300mbTropopause
P
Lat
Résultats PRP (TOA). Comparaison AR4 des λi en W m-2 K-1.
1.67
CNRM-CM5.1
0.280.40
-0.47
1.20
1.88
(Fig. 8.14 de l’AR4)
Résultats consistants avec les études multimodèles.
Résultats PRP - sensibilité
- Pas ou peu de sensibilité au temps de simulation, à la fréquence temporelle, au type de simulation
- λA, λC identiques au TOA et à la tropopause.
- λW et λL différents au TOA et à la tropopause. Stratosphère non équilibrée radiativement.
Lapse rate SurfaceAlbedo
CloudWater vapor
Paramètres de rétroaction λ en W m-2 K-1.
Résultats PRP(Tropopause)
- Forte rétroaction de l’albédo de surface.- Rétroaction positive des nuages due à la composante LW.- Forte différences "Forward" et "Reverse" (effet de la décorrélation des champs)- Valeurs biaiséespar les ajustements stratosphérique et troposphérique.
4
34
T
N
T
LW
p
σε
εσλ
=
−=� λp = -3. 14 Wm-2K-1
Plank Lapse rate SurfaceAlbedo
CloudWater vapor
Paramètres de rétroaction λ en W m-2 K-1.
TOTAL
Ajustements stratosphérique et troposphérique.
Forçage et paramètre de rétroaction effectifs (Grégory et al., 2004):∆N=f(∆T)
-1.10 -0.91W m-2 K-1
� Effet des ajustements ≠
Suivant Colman and Mc Avaney (2011),PRP en transitoire + régréssion linéaire pour obtenir Fi et λi.
- Période: 15 ans (début) + 10 ans (fin)
15+10 ans, Tropopause
F4xCO2=7.4 W m-2
λ=-1.10 W m-2 K-1
Ajustements stratosphérique et troposphérique.
Forçage et paramètre de rétroaction effectifs (Grégory et al., 2004):∆N=f(∆T)
F4xCO2=7.4 W m-2
λ=-1.10 W m-2 K-1
-1.10 -0.91W m-2 K-1
� Effet des ajustements ≠
Suivant Colman and Mc Avaney (2011),PRP en transitoire + régréssion linéaire pour obtenir Fi et λi.
- Période: 15 ans (début) + 10 ans (fin)
∆T
contrôle
Abrupt4xCO2
∆T
15+10 ans, Tropopause
temps
∆T
(Gregory and Webb, 2008)
Ajustements stratosphérique et troposphérique.
F4xCO2=7.3 W m-2
λ=-1.11 W m-2 K-1
Forçage et paramètre de rétroaction effectifs (Grégory et al., 2004):
∆
∆
150 ans, TOA
15+10 ans, TOA
F4xCO2=7.3 W m-2
λ=-1.06 W m-2 K-1
∆N=f(∆T)
15+10 ans, Tropopause
Faible sensibilité au nombre d’années utilisées (150 ans vs 15+10 ans)..
F4xCO2=7.4 W m-2
λ=-1.10 W m-2 K-1
Ajustements stratosphérique et troposphérique, Résultats.
TOA
Trop
Nuages.
- Contribution au forçage dans le SW: ajustement troposphérique- Rétroaction positive dans le LWRétroaction négativedans le SW
FCLW=-0.14 W m-2
FCSW=0.70 W m-2
λCSW= -0.13 W m-2 K-1
λ CLW=0.34W m-2 K-1
Ajustements stratosphérique et troposphérique, Résultats.
TOA
Trop
Comparaison avec la PRP classique:
Trop
TOA
Conclusion et perspectives
- Quantification des rétroactions radiatives dans CNRM.CM5.1 au sommet du modèle et à la tropopause � peut servir de comparaison pour les études multimodèles.
- Tests de sensibilité à la fréquence à la laquelle on change les champ et à la période de simulation. 3 ans et 6H suffisent à avoir une estimation.
- Pour un modèle vérifiant la linéarité entre N et T, on peut calculer la contribution de chaque composant au forçage et au paramètre de rétroaction effectif par la méthode de Colman and McAvaney (2011).� Rétroaction négative des nuages dans le SW non mis en évidence par la PRP classique. � A priori rétroaction de l’albédo et de la vapeur d’eau plus importantes. � A priori rétroaction de la température (donc du gradient de température) plus importantes.
- Méthode des kernels (non montré). Bon résultats sauf pour la vapeur d’eau au TOA (biais de l’ordre de 0.5 W m-2).
- Remplacer les champ de la troposphère et de la stratosphère séparément afin d’étudier l’effet de l’ajustement stratosphérique et expliquer les différences obtenues au TOA et à la tropopause.
Interactions entre rétroactions, effet de la décorrélation des champs
PRP contrôle 1850-1860 (1) vs contrôle 1990-2000 (2):
Terme du 2e ordre (Stein and Alpert, 1997):
Variation du flux net TOA (W m-2)
0322323
0311313
0211212
)(
)(
)(
NNNNN
NNNNN
NNNNN
++−=
++−=
++−=
)
)
)
Exemple: NWC = N (T, q’, a, C’) – (N (T, q’, a, C) + N (T, q, a’, C))
)( 3
,
TONTFNii
iji
i ++∆+=∆ ∑∑)
λ ∑∑ ∆+
∆−∆=⇒
ii
ij
ii T
N
T
FN
,
)
λ
Interactions entre rétroactions, effet décorrélationdes champs
Stein and Alpert (1993):
Calcul des termes du 2e ordre.
)()( 32
,2
2
TOTT
xx
xx
NT
T
x
x
NFN
ii
ji
jii
i
i
+∆∂
∂∂∂∂
∂+∆∂∂
∂∂+=∆ ∑∑
...),(ˆ)(ˆˆ),...(,,
,01 +++= ∑∑≠ jiii
jijii
iin xxfxffxxf
00̂ ff =
033
022
011
ˆ
ˆ
ˆ
fff
fff
fff
−=
−=
−=
0322323
0311313
0211212
)(ˆ
)(ˆ
)(ˆ
fffff
fffff
fffff
++−=
++−=
++−=
0=∆Ni=-λi ∆ T =∆Nij=- λii ∆ T2
)( 32
,
TOTTFNii
iji
i +∆−∆−=∆ ∑∑ λλ
Effet physique + effet décorrélation des champs(biais méthodologique)
Ajustements stratosphérique et troposphérique, Résultats.
TOA
Trop
Ozone
contrôle
AB4CO2
TOA
Trop Ozo
ne
(Dbs
)
Ozone (Dbs)