Ensemble de prédicteurs quotidiens produit à partir des expériences du modèle CanESM2 pour le CMIP5

Sur cette page

• Introduction
• Description des sources de données
  • Modèle climatique mondial CanESM2
  • Réanalyse NCEP/NCAR
• Methodology
  • Variables brutes et dérivées
  • Caractéristiques des répertoires de cellules de grille
  • Structure des fichiers de prédicteurs
• Citations ou référence aux sources de données:
• Références

Introduction

Le principal objectif de ce projet est d’élaborer un ensemble de prédicteurs quotidiens à partir de variables de sortie provenant des expériences du modèle CanESM2 préparées pour la phase 5 du Projet d’intercomparaison de modèles couplés (CMIP5). L’ensemble comprend les 25 prédicteurs de base, auxquels on ajoute la quantité totale des précipitations à l’échelle quotidienne (voir ci-après). Les prédicteurs sont définis sur la grille gaussienne mondiale réduite associée à la troncature spectrale T42, qui consiste en une grille de 128 cellules en longitude sur 64 en latitude. Aux fins de l’étalonnage et de la validation du modèle, les 26 prédicteurs, dont les caractéristiques sont identiques à celles des prédicteurs générés à partir de la sortie du CanESM2, sont produits à partir de la réanalyse des NCEP et du NCAR.

Un objectif secondaire est de concevoir une approche rapide et peu coûteuse permettant de produire les prédicteurs à partir de séries chronologiques de données mondiales conservées en format NetCDF. Une brève description des sources de données est présentée à la section 1, alors que la méthodologie et la structure des fichiers de prédicteurs sont décrites à la section 2.

1. Description des sources de données

1.1 Modèle climatique mondial CanESM2

Le modèle du système terrestre de deuxième génération CanESM2 (von Salzen et coll., 2005^{Footnote 6}; Li et Barker., 2005^{Footnote 3}; Barker et coll., 2005^{Footnote 1}) est la quatrième génération du modèle couplé climatique global (MCCG4), élaboré par le Centre canadien de la modélisation et de l’analyse climatique (CCmaC) d’Environment et Changement climatique Canada. Le CanESM2 représente aussi une part de la contribution de la communauté canadienne d’experts en modélisation au cinquième rapport d’évaluation du GIEC (RE5). Les principales composantes de ce système terrestre sont les suivantes : (i) le modèle de circulation générale de l’atmosphère (MCGA4) avec troncature triangulaire T63 dont le domaine vertical hybride compte 35 couches; (ii) le modèle de circulation générale océanique GCM4, mis au point à partir du modèle océanique CSM du NCAR, avec une résolution horizontale de 256 x 192 et 40 couches verticales; (iii) le modèle de glace de mer CanSim1; (iv) le schéma canadien de paramétrisation de la surface terrestre (CLASS2.7) et le CTEM1 pour les processus terrestres. Pour de plus amples renseignements concernant le CanESM2 et ses composantes, ainsi que pour des références et des liens importants, visitez le site Web du CCmaC.

Aux fins de la production de l’ensemble de prédicteurs suggéré, les variables atmosphériques (voir section 2.1) générées par la passe du premier membre (r1i1p1) ont été sélectionnées. Les conditions climatiques antérieures, au cours de la période 1961-2005, sont représentées par la simulation « historique ». En ce qui concerne la projection des changements climatiques futurs pour la période 2006-2100, de nouveaux scénarios élaborés pour le RE5 du GIEC ont été introduits. Les projections des changements aux émissions, aux concentrations et à la couverture terrestre sont décrites au moyen de scénarios basés sur les profils représentatifs d’évolution de concentration (RCP) à savoir le RCP2.6, le RCP4.5 et le RCP8.5 (Moss et coll., 2010^{Footnote 5}; Meinshausen et coll., 2011; RCP database, 2009^{Footnote 4}).

Puisque le modèle CanESM2 fait partie du projet CMIP5, les variables atmosphériques générées par les passes mentionnées précédemment et accessibles sur le portail de données du CCmaC* sont présentées sur une grille de projection T42 (voir figure 1) au lieu d’une grille de projection T63. Une interpolation spatiale permettant de convertir les données T63 en T42 a été réalisée et rendue accessible en ligne par l’équipe du CCmaC. Comme la production des prédicteurs requiert des données de MCG quotidiennes, les champs en altitude ont fait l’objet de moyennes quotidiennes sur quatre pas de temps. Les champs près de la surface étaient déjà définis comme variables quotidiennes. Pour accéder aux champs de données atmosphériques simulés par le MCGA4 du CanESM2, visitez le site Web du CCmaC.

1.2 Réanalyse NCEP/NCAR 1

Le projet de réanalyse NCEP/NCAR 1 (Kalnay et coll., 1996^{Footnote 2}) est le fruit d’une collaboration entre les NCEP «(National Centers for Environmental Prediction)» et le NCAR «(National Center for Atmospheric Research)». Ces ensembles de données atmosphériques mondiales réanalysées s’appuient sur des systèmes d’assimilation et de prévision à partir d’observations historiques de haute densité (de 1948 à aujourd’hui) de pointe.

Pour assurer la cohérence avec les variables atmosphériques brutes de la sortie du CanESM2, les mêmes variables ont été sélectionnées du projet NCEP/NCAR. La période historique de référence s’étend de 1961 à 2005. Les variables définies aux niveaux de pression, ainsi que la pression au niveau moyen de la mer, existaient déjà sur la grille latitude-longitude régulière mondiale de 2,5 degrés. Par contre, la température de l’air à deux mètres du sol et la quantité totale des précipitations avaient une résolution spatiale plus fine, soit une grille gaussienne T62 (94 latitudes sur 192 longitudes) dont les latitudes avaient été définies en ordre inverse, c’est-à-dire du nord au sud, par rapport à la grille de sortie du CanESM2.

Visitez ici pour accéder aux résultats et aux variables du projet de réanalyse NCEP/NCAR 1.

2. Méthodologie

2.1 Variables brutes et dérivées

Des séries chronologiques quotidiennes mondiales pour les variables décrites comme brutes au tableau 1 sont fournies pour les deux sources de données (c.-à-d. le CanESM2 et le projet NCEP/NCAR) en format NetCDF. Elles n’ont subi, au préalable, qu’un prétraitement minimal afin d’assurer la cohérence dans la structure des fichiers sources lors de la procédure de normalisation et d’extraction en cellules de grille. Un ensemble de codes créé pour le traitement de données et la sélection des prédicteurs est exécuté sur un système Linux dans un environnement bash «(Bourne-Again Shell)». L’interpolation des données et la sélection des prédicteurs s’appuient sur la version 6.1.2 du langage de commande du NCAR (NCL) (une version exécutable est accessible gratuitement). Le NCL est un langage interprété conçu par le NCAR spécialement pour l’analyse et la visualisation de données scientifiques.

Les variables brutes provenant de la réanalyse par les NCEP/NCAR étaient aussi accessibles en format NetCDF. Le prétraitement de ces données brutes comprend, après la sélection des niveaux pour les variables en altitude, l’interpolation spatiale vers la grille gaussienne mondiale T42 du CanESM2. À cette fin, la fonction intégrée au NCL « f2gsh_Wrap » a été exécutée. Cette fonction s’appuie sur des harmoniques sphériques et procède à l’interpolation d’un champ scalaire d’une grille fixe (p. ex., une grille régulière en longitude et en latitude) à une grille gaussienne. La couverture spatiale des données des NCEP/NCAR est réputée correspondre à une grille fixe (ou régulière) parce que la distance entre deux points consécutifs sur cette grille est la même en latitude et en longitude.

Par conséquent, la deuxième étape de la production des prédicteurs est le calcul des variables de circulation d’air à partir des composantes zonale et méridienne des vents définies sur la grille gaussienne T42. Ce calcul s’appuie sur les fonctions intégrées au NCL présentées au tableau 1. La divergence et le tourbillon relatif sont basés, ici, sur le vent réel puisque cette variable est présente dans les deux sources de données. Les annexes A et B renferment de plus amples renseignements concernant ces deux variables dérivées, de même que des cartes de moyennes climatiques (calculées sur la période de référence 1971-2000).

¹Dérivée avec fonction NCL. ²La direction du vent (calculée à partir des composantes U et V) en degrés correspond à : 0° vers le nord, 90° vers l’est, 180° vers le sud et 270° vers l’ouest.

2.2 Caractéristiques des répertoires de cellules de grille

Les 26 variables sont d’abord normalisées par rapport à la période historique de référence correspondante (pour chaque source de données, c.-à-d. sur la période de référence du CanEsM2 pour les prédicteurs du CanESM2 et sur la période de référence des NCEP/NCAR pour les prédicteurs des NCEP/NCAR), puis classées par cellule de grille en fichiers texte à une colonne (un fichier par variable et par source de données). Dans le cas présent, la normalisation des séries chronologiques quotidiennes mondiales est basée sur la moyenne climatique à long terme et son écart-type au cours de la période de référence 1971-2000. À l’exception de la direction du vent, toutes les valeurs des prédicteurs (x), tant pour la période historique que pour les périodes futures, ont été normalisées (n) with respect to the means (µ) and standard deviations ($\sigma$) of the 1971-2000 reference period using the following expression:

$n_i=\frac{(x_i-{\mu }_{1971-2000})}{{\sigma }_{1971-2000}}$

Le nom des cinq répertoires contenant les données de chacune des cellules de grille pour la période de référence et les périodes futures, tant pour le CanESM2 que les NCEP/NCAR sont présentés au tableau 2. Il est à noter que, pour chaque simulation par le CanESM2, le scénario RCP apparaît avant la période dans le nom du répertoire (c.-à-d. rcp26 pour le scénario RCP2.6, rcp45 pour le RCP4.5 et rcp85 pour le RCP8.5; voir tableau 2).

2.2.1 Structure des fichiers de prédicteurs

Les séries chronologiques à long terme de valeurs quotidiennes normalisées, ainsi que la direction du vent, sont extraites pour générer un fichier texte à une colonne pour chaque cellule. La grille de 128 cellules sur 64 couvre le domaine mondial suivant la grille gaussienne T42. Cette grille est uniforme en longitude, avec une résolution horizontale de 2,8125° et quasi uniforme en latitude, avec une résolution approximative de 2,8125° (voir tableau 3). Les prédicteurs associés à chaque cellule sont contenus dans un répertoire nommé « BOX_iiiX_jjY », où « iii » est l’index longitudinal (de 1 à 128) et « jj », l’index latitudinal (de 1 à 64). La structure de ces répertoires est décrite au tableau 2. Les prédicteurs organisés de cette façon sont prêts à être utilisés comme entrée dans les modèles de réduction d’échelle statistique, tels que ASD ou SDSM.

Chacun des sous-répertoires contient les 26 fichiers de prédicteurs. Un nom de fichier compte 10 caractères, suivi de l’extension « .dat ». La liste des noms de fichiers est présentée au tableau 4; le « P* » correspond au préfixe à quatre caractères donné au tableau 2, les caractères 5 à 8 donnent le nom du prédicteur, et, enfin, « gl » signifie qu’il s’agit d’une grille mondiale.

Citations ou référence aux sources de données :

• Données générées par le CanESM2 fournies par le CCmaC, Victoria (Colombie-Britannique), Canada, accessibles en ligne au : http://modelisation-climatique.canada.ca/donneesmodeleclimatique/data.shtml
• Données de la réanalyse des NCEP fournies par la NOAA/OAR/ESRL PSD, Boulder, Colorado, États-Unis