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

Nuages.

Ajustements stratosphérique et troposphérique, Résultats.

TOA

Trop

Albédo de surface.

Ajustements stratosphérique et troposphérique, Résultats.

TOA

Trop

Ozone

contrôle

AB4CO2

TOA

Trop Ozo

ne

(Dbs

)

Ozone (Dbs)

Ajustements stratosphérique et troposphérique, Résultats.

TOA

Trop

Vapeur d’eau

TOA

Trop

Ajustements stratosphérique et troposphérique, Résultats.

TOA

Trop

TOATrop CO2 et Température