Paramétrisation de la convection atmosphérique dans les modèles numériques de climat - Pratiques et enjeux épistémologiques

Parameterization of atmospheric convection in numerical climate models - Practices and epistemological challenges

• Auteur / Autrice : Ludovic Touzé-Peiffer
• Direction : Hervé Le Treut, Anouk Barberousse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Soutenance le 22/09/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau, Essonne ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : François Ravetta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alessandra Giannini, Raymond T. Pierrehumbert, Nicolas Rochetin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Lam, David Salas y Mélia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèle (épistémologie)

Philosophie des sciences

Simulation par ordinateur

Convection (météorologie)

Mots clés libres

Épistémologie

Modèles

Climat

Paramétrisations

Tuning

Objets

Epistemology

Model

Climate

Parameterizations

Tuning

Objects

Résumé

Historiquement, les modèles de circulation générale ont joué un rôle crucial pour avertir les décideurs et le grand public des changements climatiques à venir. Pourtant, depuis quelques années, des débats agitent la communauté scientifique sur le paradigme dominant sur lequel ont été développés de tels modèles: en particulier, les paramétrisations, censées représentées l'ensemble des processus pertinents pour le climat qui ne sont pas résolus à l'échelle de la grille des modèles, sont parfois remises en cause. L'objectif de notre travail de thèse est de mener une analyse épistémologique des paramétrisations, en nous centrant tout particulièrement sur les paramétrisations utilisées pour modéliser la convection atmosphérique. Ces dernières reposent parfois sur la distinction entre un environnement et certaines structures atmosphériques cohérentes que nous appellerons “objets”. Nous nous intéressons tout d'abord à l'utilisation de tels objets en sciences de l'atmosphère et à leur rôle dans notre compréhension de la convection. Nous étudions ensuite les paramétrisations en elles-mêmes, et expliquons dans quel contexte elles sont apparues, quelles furent leurs motivations historiques, et comment il est possible de justifier et d'interpréter aujourd'hui leur formalisme. Nous nous interrogeons également sur le statut et le rôle de l'ajustement des paramètres libres contenus dans les paramétrisations. Nous étendons enfin notre réflexion à la comparaison de plusieurs modèles de circulation générale dans le cadre du projet d'intercomparaison de modèles couplés CMIP. Le rôle historique et les effets structurels que CMIP a eu sur les recherches en sciences du climat sont analysés.

Historically, general circulation models have played a crucial role in warning policy makers and the general public of future climate change. However, in recent years, there has been a growing debate in the scientific community about the dominant paradigm on which these models have been developed: in particular, parameterizations, which are supposed to represent climate-relevant processes that are not resolved at the scale of the model grid, are sometimes questioned. The objective of our thesis is to conduct an epistemological analysis of parameterizations, focusing on the parameterizations used to represent atmospheric convection. The latter are sometimes based on the distinction between an environment and certain coherent atmospheric structures that we will call ``objects". We first look at the use of such objects in atmospheric science and at their role in our understanding of convection. We then focus on parametrizations themselves, and explain in which context convective parameterizations emerged, what were their historical motivations and how their formalism can be interpreted and justified today. We also question the status and the role of the tuning of free parameters contained in parameterizations. Finally, we expand our reflection to the comparison of several general circulation models in the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP). The historical role and structural effects CMIP has had on climate research are analyzed.