Modèle climatique : quatrième génération du modèle couplé climatique

Centre canadien de la modélisation et de l'analyse climatique

La composante atmosphérique du MCGA4/MCCan4 est le Modèle de circulation générale de l'atmosphère de quatrième génération et sa composante océanique est le le modèle de circulation générale des océans de quatrième génération (MCGO4/MOCan4).

Le MCGO4 utilise une coordonnée verticale z avec différences horizontales sur une grille B d'Arakawa. Il a été élaboré à  partir du NCAR CSM Ocean Model (NCOM). Il comporte 40 niveaux verticaux avec des espacements allant de 10 m près de la surface (il y a 16 niveaux dans les 200 m supérieurs) jusqu'à  près de 400 m dans les profondeurs de l'océan. Les coordonnées horizontales sont sphériques avec des mailles d'environ 1,41 degré en longitude et de 0,94 degré en latitude. Les instabilités de calcul dues à  la convergence des méridiens près du pàle Nord sont éliminées par un filtrage de Fourier et il y a une colonne de mailles de suivi spéciales centrée sur le pàle Nord, tel que décrit par Gent et al. (1998).

La grille MCGO4 et ses càtes sont congruentes avec celles du MCGA superposé, six cellules du MCGO (deux en longitude sur trois en latitude) se trouvant sous chacune des cellules du MCGA. Le couplage est effectué une fois par jour bien qu'un cycle diurne simulé dépendant de la position soit utilisé dans le modèle de stress environnemental pour le rayonnement incident de courte longueur d'onde.

Le mélange vertical est effectué au moyen de la paramétrisation de profil K de Large et al. (1994), auquel est ajoutée une diffusivité de suivi vertical avec une intensification au niveau du fond et une contrainte énergétique pour représenter les effets du mélange induit par les marées; ce dernier est calculé selon la méthode de Simmons et al. (2004). Le frottement horizontal est traité selon la paramétrisation de la viscosité anisotrope de Large et al. (2001). Le mélange isoneutre est effectué conformément à  la paramétrisation de Gent et McWilliams décrite dans Gent et al. (1995), les coefficients de diffusion dans la couche pouvant être facultativement déterminés par la méthode de Gnanadesikan et al. (2006). Le modèle utilise l'équation d'état de l'eau de mer de McDougall et al. (2003).

Dans le traitement de la pénétration du rayonnement de courte longueur d'onde, 45 % du rayonnement incident participe à  la photosynthèse (Baker et Frouin, 1987) et pénètre avec un coefficient d'atténuation qui est la somme d'un terme en eau limpide et d'un terme qui varie linéairement avec la concentration de chlorophylle, comme dans le mémoire de Lima et Doney (2004). Les concentrations de chlorophylle dans la version physique du modèle sont obtenues à  partir d'une climatologie saisonnièrement variable construite à  partir des observations du projet SeaWiFS, et sont des variables prévisionnelles dans le modèle de stress environnemental. Le reste (en rouge) du flux incident de courte longueur d'onde est absorbé dans la couche la plus élevée.

On traite le détroit de Gibraltar, le détroit d'Hudson et les voies de passage dans l'archipel canadien qui ne sont pas définies en mélangeant instantanément les propriétés de l'eau entre les cellules océaniques les plus proches des terres avoisinantes. Afin d'empêcher une accumulation excessive d'eau douce près des embouchures des cours d'eau, la moitié du débit de chaque cours d'eau modélisé est distribuée sur l'étendue de la cellule du MCGA (qui couvre six cellules du MCGO) dans laquelle le cours d'eau se déverse, l'autre moitié étant distribuée entre les cellules du MCGA voisines couplées à  l'océan.

Références

Baker, K. S., and R. Frouin, 1987: Relation between photosynthetically available radiation and total insolation at the ocean surface under clear skies. Limnol. Oceanogr., 32, 1370-1377.

Gent, P.R., J. Willebrand, T.J. McDougall, and J.C. McWilliams, 1995: Parameterizing Eddy-Induced Tracer Transports in Ocean Circulation Models. J. Phys. Oceanogr., 25, 463-474.

Gent, P. R., F. O. Bryan, G. Danabasoglu, S. C. Doney, W. R. Holland, W. G. Large, and J. C. McWilliams, 1998: The NCAR Climate System Model global ocean component. J. Climate, 11, 1287-1306.

Gnanadesikan, A., K.W. Dixon, S.M. Griffies, V. Balaji, M. Barreiro, J.A. Beesley, W.F. Cooke, T.L. Delworth, R. Gerdes, M.J. Harrison, I.M. Held, W.J. Hurlin, H.C. Lee, Z. Liang, G. Nong, R.C. Pacanowski, A. Rosati, J. Russell, B.L. Samuels, Q. Song, M.J. Spelman, R.J. Stouffer, C.O. Sweeney, G. Vecchi, M. Winton, A.T. Wittenberg, F. Zeng, R. Zhang, and J.P. Dunne, 2006: GFDL's CM2 Global Coupled Climate Models. Part II: The Baseline Ocean Simulation. J. Climate, 19, 675-697.

Large, W. G., J. C. McWilliams, and S. C. Doney, 1994: Oceanic vertical mixing: a review and a model with a nonlocal boundary layer parameterization. Rev. Geophys., 32, 363-403.

Large, W. G., G. Danabasoglu, J. C. McWilliams, P. R. Gent, and F. O. Bryan, 2001: Equatorial circulation of a global ocean climate model with anisotropic horizontal viscosity. J. Phys. Oceanogr., 31, 518-536.

Lima, I. D., and S. C. Doney, 2004: A three-dimensional, multinutrient, and size-structured ecosystem model for the North Atlantic, Global Biogeochem. Cycles, 18, GB3019, doi:10.1029/2003GB002146.

McDougall, T.J., D.R. Jackett, D.G. Wright, and R. Feistel, 2003: Accurate and Computationally Efficient Algorithms for Potential Temperature and Density of Seawater. J. Atmos. Oceanic Technol., 20, 730-741.

Simmons, H, L. St. Laurent, S. Jayne and A. Weaver, 2004: Tidally driven mixing in a numerical model of the ocean general circulation. Ocean Modelling, doi:10.1016/S1463-5003(03)00011-8.