Nos approches méthodologiques
La recherche sur ces thèmes s'appuie sur des approches multiples : les études théoriques, la modélisation numérique et l'observation de l'atmosphère, de l'océan et des surfaces continentales à diverses échelles, du local au global. Les activités d'observation incluent développement instrumental, techniques de traitement du signal et déploiement de systèmes de mesure au sol (contribution au site expérimentale SIRTA de l'IPSL), embarqués sur ballon, sur avion ou sur satellite. Des bases de données sont développées et maintenues.
Études Théoriques
Les études théoriques de la physique et la dynamique de l’atmosphère et de l’océan, des interactions entre eux et avec les autres composantes du système climatique, sont l’une des spécialités du LMD depuis sa fondation.
Nous utilisons différentes approches méthodologiques. Les unes se basent sur des approximations classiques des équations de la dynamique de fluides géophysiques, comme l’approximation ‘shallow water’, ou les approximations semi et quasi géostrophiques, d’autres sur des simplifications de géométrie, comme par exemple la modélisation idéalisée d’une colonne verticale d’atmosphère tropicale, afin d’en étudier les mouvements convectifs.
Ces études ont le but d’informer les activités de modélisations du laboratoire. En complexifiant de plus en plus les approches simplifiées, nous arrivons au niveau de complexité qui peut être introduit dans les composantes du modèle de climat de l’IPSL décrits plus bas.
Un autre approche consiste à utiliser des modèles réalistes dans des configurations expérimentales, afin d’isoler un processus physique spécifique et pouvoir l’analyser aisément. C’est le cas par exemple de l’utilisation d’intégrations ‘LES’ (Large Eddy Simulation) à haute résolution pour étudier le détail de la formation des nuages.
La modélisation idéalisée et les études théoriques de processus se situent en amont du développement du modèle de climat de l’IPSL. Pourtant, des études ultérieures se situent aussi en aval de ceci. En effet les sorties des modèles actuels du climat global sont à tel point complexes qu’il est nécessaire – pour en exploiter entièrement la richesse – d’employer des méthodes d’analyses statistiques et physiques avancées. Le LMD développe aussi des méthodes novateurs en ce sens.
Modélisations
Les activités de modélisation incluent méthodes numériques, développement de paramétrisations physiques et couplage multi-modèles. Les modèles développés au LMD sont LMDZ, composante atmosphérique du modèle de climat de l’IPSL, CHIMERE, le modèle de chimie-transport utilisé dans la plateforme nationale PREVAIR de prévision de qualité de l’air, ainsi que par la plupart des AASQA (Associations Agréées de Surveillance de la Qualité de l’Air) dans les différentes régions françaises (AIRPARIF etc…). Le développement de modèles, c’est également le développement de la partie hydrologie du modèle de surface ORCHIDEE du modèle de climat de l’IPSL, ainsi que la configuration régionale Méditerranée du modèle océanique NEMO de l’IPSL. Ces développements bénéficient d’un consortium de développement qui s’étend au-delà du LMD.
L’ensemble de l’activité de modélisation mobilise une très large part des scientifiques, ingénieures et ingénieurs du LMD, et incluent en amont une exploration libre de méthodes numériques innovantes et en aval les couplages, notamment dynamique/physique, indispensables aux applications terrestres et planétaires et également, mais également couplages entre composantes (océan, atmosphère, surface continentale) et processus (physiques et chimiques). Ce triptyque permet de rendre accessible une palette élargie d’applications climatiques et paléoclimatiques, terrestres et planétaires, en particulier à des échelles non-hydrostatiques.
LMDZ
LMDZ est un modèle de circulation générale atmosphérique développé depuis les années 70 au Laboratoire de Météorologie Dynamique, avec des variations donnant des versions terrestres et planétaires (Mars, Titan, Vénus, planètes géantes, exo-planètes).
Couplé régional
RegIPSL le modèle climatique régional de l'IPSL est un modèle régional du système terrestre couplant les composants suivants : WRF, ORCHIDEE, NEMO et CHIMERE. Le couplage entre ces composants a été réalisé avec le coupleur OASIS3-mct.
CHIMERE
Le modèle multi-échelle CHIMERE est principalement conçu pour produire des prévisions quotidiennes de l'ozone, des aérosols et d'autres polluants et pour effectuer des simulations à long terme (saisons ou années entières) pour des scénarios de contrôle des émissions.
ORCHIDEE
ORCHIDEE (Organising Carbon and Hydrology In Dynamic cosystems) le modèle de surface terrestre du modèle de système terrestre de l'Institut Pierre Simon Laplace (IPSL).
DYNAMICO
Le projet DYNAMICO développe un nouveau noyau dynamique pour LMDZ, le modèle de circulation générale (GCM) atmosphérique faisant partie du modèle du système terrestre IPSL-CM.
Observations
Derrière le nom ‘observations’ se cache un spectre d’activités de recherche très varié visant à obtenir des observations d’un grand nombre de variables atmosphériques climatiques, sur une large gamme de résolution spatio-temporelle (échelle locale à globale), à l’aide de mesures sol, aéroportées ou spatiales, par le déploiement d’instruments réalisés au LMD ou réunis sur le site de l’École polytechnique au sein du SIRTA. Les objectifs poursuivis peuvent être divisés en deux grandes catégories : les études de processus et des tendances climatiques et l’évaluation des modèles atmosphériques globaux et régionaux.
Le LMD développe une vaste gamme d’instruments ayant vocation à être déployés au sol, envoyés sous ballons ou embarqués dans des avions de recherche. Les objectifs recherchés sont : la réalisation de démonstrateurs spatiaux, la réalisation d’études géophysiques ou la participation à des activités de calibration/validation de missions spatiales. Le LMD bénéficie d’un atout important avec le SIRTA sur le campus de l’École polytechnique, qui permet d’envisager le déploiement rapide des instruments réalisés au laboratoire afin de tester le fonctionnement des instruments et d’effectuer des mesures couplées aux nombreux instruments déjà disponibles. Cette approche permet ensuite d’envisager sereinement le déploiement des instruments lors de campagnes de mesures.
Le LMD participe ou coordonne régulièrement des campagnes de terrain nationales ou internationales (BLLAST, HyMeX, EUREC4A, STRATEOLE,…) pour répondre à des questions scientifiques précises ou pour les besoins de calibration/validation de missions spatiales (IASI-NG, Merlin, MicroCarb, ADM-Aeolus, EarthCare, Flex,…).
Le LMD possède une expertise forte dans les différents domaines d’exploitation de différents types d’observation : interprétation des données de niveau 1 (spectres, échantillon d’air, etc) en données de niveau 2 (variable géophysique) ; analyse géophysique des longues séries temporelles de données ; comparaison entre observation et modélisation (pour les niveaux 1 et 2). Dans le domaine des missions spatiales, cette expertise se traduit par le développement de chaines de traitement des missions spatiales dont l’ensemble des étapes est maitrisé (spectroscopie, transfert radiatif direct, méthodes inverses). De nombreux types de missions sont concernées : actives et passives, dans l’infrarouge thermique, le proche infrarouge ou encore les micro-ondes. Cette expertise se traduit également par la capacité à réaliser des simulateurs numériques de nouvelles missions spatiales, qui font du LMD un interlocuteur privilégié du CNES dans le cadre de la préparation de nouvelles missions spatiales.
Observations spatiales
Le LMD non seulement exploite de nombreuses données spatiales et propose des concepts pour de nouvelles missions, mais il poursuit une importante activité dans le développement d’instrumentation servant de prototype à des missions spatiales.
SIRTA
Le SIRTA est un site multi-instrumenté national dédié à l’observation de l’atmosphère, localisé à Palaiseau sur le site de lÉcole polytechnique en région parisienne.
Ballons
Le LMD développe des instruments innovants embarqués sous ballon pour étudier la dynamique de la couche limite (aéroclippers, ballons pressurisés de couche limite) ou de la stratosphère (ballons pressurisés ou ballons stratosphériques ouverts) et pour étudier la composition atmosphérique (sondage AirCore).
Lidar
Le LMD a développé depuis les années 80 une expertise reconnue internationalement sur le sondage atmosphérique par laser.
Bases de données
Le LMD contribue activement à la production de bases de données pour la communauté soit directement soit au travers de pôles thématiques (AERIS) coordonnée au niveau national.
GEISA
La banque de données spectroscopiques GEISA a été lancée en 1975 parce que l’analyse du rayonnement atmosphérique nécessite une description précise des propriétés spectrales des gaz et des particules atmosphériques.
Mars Climate Database
MCD est une base de données du climat martien de référence produite au LMD. Elle est labélisée code communautaire.