Modèles et Observations pour les Interactions entre la Surface et l'Atmopshère – MOSAI

Les phénomènes météorologiques tirent leur énergie de la surface terrestre et dissipent la majeure partie de leur énergie près de la surface. La surface continentale, par sa topographie, son humidité, sa température ou l'activité de la végétation, a un impact sur l'atmosphère de l'échelle journalière à l’échelle saisonnière. Les interactions entre la surface et l’atmosphère se sont révélés influents sur les événements extrêmes, tels que la sécheresse ou les vagues de chaleur. La surface continentale peut avoir par conséquent un impact sur les trajectoires climatiques. Une évaluation précise des échanges Surface-Atmosphère (S-A) et leur représentation correcte sont donc essentielles pour les prévisions du temps et du climat.

Les programmes GEWEX et WCRP ont souligné l'importance du couplage S-A pour les modèles météorologiques et climatiques. L'enquête du Groupe de travail sur l'expérimentation numérique (WGNE) sur les erreurs systématiques a établi en 2019 que les erreurs de simulation des flux de surface de chaleur et d'humidité sont le deuxième problème le plus important. Les modèles du système terrestre (ESM) et de prévision numérique du temps (NWP) ont souvent des biais importants sur les flux de surface quand ils sont comparés aux observations. La quantification détaillée et la réduction de ces biais sont toujours en cours dans de nombreux centres de modélisation. Le projet MOSAI vise à contribuer à cet effort.

La première étape pour atteindre cet objectif est de mener une évaluation juste et correcte des interactions S-A simulées par les ESM et NWP. Celle-ci doit être basée sur (1) des références fiables utilisées pour évaluer les échanges S-A simulés, et, (2) des méthodes de comparaison pertinentes capables de mettre en évidence les faiblesses des ESM et NWP. Ces points définissent les deux premiers objectifs scientifiques du projet MOSAI.

Le premier objectif scientifique (O1) est d'étudier et de déterminer l'incertitude et la représentativité des échanges de S-A mesurés sur des paysages hétérogènes. Le projet MOSAI bénéficiera des mesures long-terme acquises sur les sites instrumentés ACTRIS et ICOS et estimera systématiquement les erreurs de mesure, la non-fermeture du bilan d'énergie en surface et la représentativité des mesures locales dans le paysage hétérogène, à l'échelle de la maille. Il s'agit d'une étape nécessaire vers une évaluation juste des modèles.

Le deuxième objectif scientifique (O2) est de proposer et tester deux méthodes pour évaluer les échanges S-A dans les ESM à l'aide de mesures long-terme. Elles permettront d’identifier les faiblesses des ESM et des NWP en fonction des conditions météorologiques et de surface. La première approche est basée sur des études de sensibilité réalisées avec des modèles 3D ou avec leur version à colonne unique correspondante, forcées par des observations à long terme ou couplées à leur LSM, et pour lesquelles un forçage atmosphérique sera dérivé d'analyses opérationnelles. La deuxième méthode est basée sur une approche d'apprentissage par modèle statistique.

La deuxième étape du projet concerne l'amélioration des échanges S-A simulés par les ESM et les NWP. Le couplage entre les modèles de surface (LSM) et les modèles atmosphériques est basé sur plusieurs approximations qui diffèrent selon le modèle. Parmi celles-ci: 1 / la prise en compte de l'hétérogénéité de surface comme une somme de différentes surfaces sans tenir compte de l'échelle des hétérogénéités et de la distribution spatiale de celles-ci, 2 / une atmosphère unique pour toutes les surfaces contenues dans la maille du modèle, 3 / un flux de surface agrégé unique comme conditions limites inférieures au modèle atmosphérique empêchant la formation de circulation secondaire. Le troisième objectif scientifique (O3) aborde certaines de ces simplifications dans le couplage entre les LSM et les modèles atmosphériques, et leurs impacts sur les échanges S-A simulés.