1968-2018 : 50 ans de sciences du climat au Laboratoire de Météorologie Dynamique

27 juin 2018


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Lâcher de ballons-sondes en 1974. LMD, CC BY-NC-ND

Philippe Drobinski, École Polytechnique – Université Paris-Saclay; Fabio D’Andrea, École normale supérieure (ENS); François Forget, Sorbonne Université et Riwal Plougonven, École Polytechnique – Université Paris-Saclay
 

1968, année de toutes les révolutions… pour les sciences du climat y compris ! C’est en 68 en effet que naît le Laboratoire de météorologie dynamique, le LMD, qui fête cette année son cinquantenaire ; ce laboratoire résulte de la fusion du Laboratoire de physique de la basse atmosphère, dirigé par Paul Queney, et d’un groupe constitué par Pierre Morel, à l’époque jeune professeur physicien théoricien qui ne connaît que peu la physique de l’atmosphère.

C’est un véritable changement de paradigme scientifique qui s’opère avec cette création : la météorologie fait sa transition de science naturelle, descriptive, à science « dure », basée sur la physique et les mathématiques.

La météorologie dynamique, c’est la science de l’atmosphère en mouvement. Et cette science repose sur trois piliers qui constituent l’ADN du LMD depuis sa création : mesure des mouvements atmosphériques, simulation numérique des écoulements planétaires, analyse de données.

Informer le changement climatique

En juillet 1968, le physicien Yves Rocard attribue au LMD des locaux au sein de l’École normale supérieure que le laboratoire intégrera en 1970. En 1974, le LMD s’installe également à l’École polytechnique qui vient de s’établir à Palaiseau puis, en 1991, sur le campus de Jussieu (Université Pierre et Marie Curie). Dès son installation à Palaiseau, le LMD se dote d’un bureau d’études, d’un atelier mécanique et de moyens de développement, de test et d’étalonnage qui vont lui permettre de se positionner comme un laboratoire majeur dans le domaine du développement instrumental et de la météorologie expérimentale.

Au milieu des années 1970, la communauté scientifique tire le signal l’alarme à propos du changement climatique et de son origine humaine. Pour répondre aux questions toujours plus précises sur l’évolution alarmante du climat, Robert Sadourny, qui a succédé en 1985 à André Berroir à la tête du laboratoire, participe alors à la création de l’Institut Pierre Simon Laplace qui verra le jour en 1994 sous l’impulsion de Gérard Mégie.

Le LMD constitue l’un des laboratoires fondateurs de cet institut qui vise à fédérer les ressources et expertises de laboratoires franciliens autour du climat et de l’environnement ; il s’agit de mieux comprendre le fonctionnement du « système Terre » et d’autres planètes du système solaire.

Plus récemment, Vincent Cassé, qui vient de succéder à Herve Le Treut à la direction du LMD, conduit en 2010 le positionnement du laboratoire au sein des trois « Initiatives d’excellence » – Paris Sciences Lettres, Sorbonne Université et Paris-Saclay – dont dépend le LMD.

Des ballons-sondes par centaines

Avec Paul Queney et Pierre Morel, l’objectif est donc d’intégrer les sciences de la météorologie et du climat à la science dite « dure ». Une telle intégration implique de développer à la fois la modélisation numérique et d’élaborer et de conduire des campagnes de mesures sur le terrain.

Cette démarche se concrétise avec le programme Eole, qui associe les agences spatiales française (CNES) et américaine (NASA). De septembre 1971 à juin 1972, une flottille de 479 ballons-sondes est lâchée dans le courant-jet de l’hémisphère Sud, à 7 000 mètres d’altitude ; la flottille y dérive pendant plusieurs jours, suivie par un satellite météorologique.

Il revient alors à Robert Sadourny de développer au sein du jeune laboratoire la modélisation numérique, à Olivier Talagrand l’expertise en assimilation de données et à Gilles Sommeria et Joëlle Ovarlez de préparer les campagnes de mesures.

Cette expérience aura permis, sur le plan scientifique, de raccorder les mesures de température à celles faites par les satellites et ainsi de mieux comprendre la circulation atmosphérique et la dispersion de l’énergie dans l’atmosphère, le tout grâce au développement d’un modèle de circulation générale de l’atmosphère.

Le programme Eole reste à ce jour le meilleur exemple de cette démarche scientifique propre au LMD : une approche intégrée qui associe observations, simulation numérique, développements théoriques et analyse de données. Les jeunes chercheurs qui accompagnent ce projet deviendront les architectes de nouvelles disciplines au sein des sciences de la météorologie et du climat.

Photo : Pierre Morel (à droite), Jacques Blamont (à gauche) et Jean-Pierre Causse (au centre), en 1963, alors membres de la direction scientifique du CNES. DR, Author provided

Des Seychelles à l’Antarctique

Robert Sadourny s’impose comme l’un des pionniers de la modélisation numérique en météorologie ; c’est au LMD qu’il crée, en 1980 avec Katia Laval, l’un des premiers modèles de circulation générale atmosphérique. Olivier Talagrand applique de son côté les nouvelles connaissances sur les systèmes non linéaires et chaotiques à l’assimilation de données et aux études sur la prévisibilité théorique du temps.

C’est grâce à de tels travaux que la prévision du temps a connu l’amélioration révolutionnaire observée ces 30 dernières années.

Les ballons-sondes dérivants seront ensuite largement utilisés par le LMD pour l’étude des mouvements dans les basses couches de l’atmosphère dans de nombreuses régions du monde : Polynésie française, Seychelles, Inde, Afrique de l’Ouest et Méditerranée.

À la fin des années 1980, une expérience dans la lignée d’Eole – mais dédiée cette fois à la dynamique de la stratosphère et à la chimie de l’ozone – est conçue, après une longue maturation de plus de 20 ans de concert avec le CNES. Il s’agit de la campagne Strateole-Vorcore de 2005, au cours de laquelle des ballons-sondes dérivants seront lâchés dans le vortex polaire depuis la base américaine Mc Murdo en Antarctique. La présence du LMD sur le continent austral se poursuit depuis, en collaboration avec Météo-France, pour contribuer à la validation de missions spatiales.



Déploiement des ballons-sondes dérivants pour l’étude des mouvements dans la basse atmosphère.
En 1973, depuis Rangiroa (Polynésie Française), avec Pierre Morel (à gauche) ; et en 1999, depuis Goa (Inde), avec Robert Sadourny (à droite).
DR, Author provided


Une longue liste de missions spatiales

Au fil du temps, le LMD devient un acteur incontournable dans l’élaboration de missions spatiales pour l’observation de la Terre. À partir de 1974, le laboratoire développe la base de données spectroscopiques Geisa qui donne à la France et à l’Europe une autonomie par rapport à la base américaine Hitran, alors partiellement classifiée.

Ces travaux sont à la base de la modélisation du transfert radiatif dans l’infrarouge qui devient rapidement un domaine d’excellence du LMD ; et la source d’inspiration de nombreuses missions spatiales pour la mesure de la composition atmosphérique (vapeur d’eau, polluants gazeux, gaz à effet de serre).

Le LMD joue également un rôle de premier plan dans l’élaboration du programme européen des satellites géostationnaires Météosat, dont le premier exemplaire est lancé en 1977. Autre projet phare, la mission spatiale Megha-Tropiques, conduite avec le CNES et son homologue indien, ISRO, lancée en 2011

Megha-Tropiques – megha signifiant nuage en sanskrit – vise à étudier le cycle de l’eau tropicale et embarque l’instrument Scarab, développé au LMD. Il s’agit de l’unique instrument de recherche en observation de la Terre réalisé dans un laboratoire français qui soit actuellement en activité. Scarab a été embarqué sur Megha-Tropiques et sur deux autres satellites russes : il peut mesurer avec une grande précision l’énergie entrant et sortant de l’atmosphère, et ce à différentes longueurs d’onde.

La liste des missions spatiales auxquelles le LMD a contribué est longue ! On pourra encore y ajouter le programme international IASI (Interféromètre atmosphérique de sondage dans l’infrarouge), incluant des satellites lancés en 2006 et 2012 et trois autres prévus, pour la météorologie opérationnelle et l’étude de la chimie atmosphérique et le climat.

Photo : Instrument Scarab développé au LMD. Trois exemplaires ont été embarqués sur des satellites : lors de deux missions franco-russes et de la mission franco indienne Megha-Tropiques. DR, Author provided

L’ère des lidars

Dans les années 1980, sous l’impulsion de Pierre Flamant, le LMD développe des lidars, instrument de télédétection active par laser de l’atmosphère, utilisés notamment pour l’observation des aérosols et des nuages ainsi que la mesure du vent.

C’est sur la base de la technologie lidar que le LMD développe, avec le soutien de son directeur de l’époque Claude Basdevant, le site d’expérimentation Sirta en 1997 à l’École polytechnique ; il s’agit d’un service d’observation dédié à la recherche sur les nuages et les aérosols. Quelques années plus tard, en 2009, le LMD se lance dans la conception de lidars pour la mesure de concentration des gaz à effet de serre (méthane, dioxyde de carbone). Il contribue ainsi au projet spatial Ascope, dédié à la mesure de la concentration en CO2. Ce projet aura servi de base pour la conception de Merlin, première mission franco-allemande en cours de réalisation – le lancement est prévu en 2021 – qui mesurera à l’aide d’un lidar la concentration atmosphérique en méthane.

Enfin, depuis bientôt 20 ans, le LMD contribue au programme européen Copernicus pour la construction d’un système européen de service en matière de surveillance de la qualité de l’air et du climat.



Faisceau laser émis par le lidar Ipral, déployé par le LMD sur le site d’expérimentation Sirta pour l’étude des aérosols et des nuages. DR, Author provided


Un modèle pour la Terre et les planètes

Second pilier du LMD, la modélisation numérique est initiée dès 1965 avec le développement d’un modèle de circulation générale, mis au point en prévision du projet Eole ; une première version voit le jour en 1984.

Le développement du modèle de circulation générale du LMD stimule le développement d’un modèle spécifique de surface terrestre (baptisé Sechiba), afin de calculer l’équilibre énergétique et hydrique des écosystèmes terrestres. La première version du modèle est développée au LMD par Katia Laval et Robert Sadourny. En 1990, le laboratoire choisit de faire de ce code dynamique l’ossature du futur modèle de climat du LMD.

Baptisé LMDz, le modèle du LMD commence à être utilisé à partir de 1995 pour des études climatiques. Depuis, il n’a cessé d’évoluer. LMDz constitue également la composante atmosphérique du « Modèle intégré de climat » de l’Institut Pierre Simon Laplace ; ce dernier sert l’effort de recherche international sur l’évolution future du climat et simule la dynamique toutes les composantes du système Terre : l’atmosphère, bien sûr, mais également l’océan et la surface continentale.

Mais si LMDz se trouve au cœur de l’étude du climat terrestre, ses premières applications concernent… la planète Mars. Le modèle du LMD est en effet le premier à simuler un cycle saisonnier entier sur la planète rouge. Ces versions de LMDz ont été développées en grande partie en lien avec l’exploration spatiale du système solaire (Mars, Titan, Vénus) et, plus récemment, avec la recherche de planètes extra-solaires.

Depuis 2009, le LMD consacre un effort important à la mise au point et la validation d’un nouveau cœur dynamique pour son modèle, baptisé Dynamico. Ce dernier exploite des formulations mathématiques complexes et un maillage icosaédrique-hexagonal pour dépasser les limitations de LMDz et exploiter au maximum les moyens modernes de calcul. Cet effort trouve son origine dans les travaux théoriques de Robert Sadourny et a grandement bénéficié de la clarification conceptuelle effectuée dans le travail d’extension de LMDz aux atmosphères planétaires profondes (Saturne, Jupiter).
 

Image : Maillage du modèle de circulation générale du LMD (LMDz). DR, Author provided

La traque aux polluants

La modélisation au LMD concerne également le modèle de chimie-transport, baptisé Chimere. En 1996, le LMD initie son développement suite aux différentes lois et directives européennes – comme la Convention sur la pollution transfrontalière ou encore la loi sur l’air de 1996 en France –, qui définissent un cadrage pour l’étude et la régulation de la qualité de l’air.

La nécessité de développer des outils numériques afin de mieux comprendre les processus physico-chimiques à l’origine de pollution atmosphérique, mais aussi de prévoir les pics de polluants quelques jours avant tout en identifiant les causes afin d’essayer de les limiter, motive ce développement ; ces travaux se poursuivent depuis, en collaboration avec le Laboratoire interuniversitaire des systèmes atmosphériques (LISA) et l’Institut national de l’environnement industriel et des risques (Ineris).

The ConversationEn un demi-siècle, le LMD est devenu une structure de premier plan au niveau international, attirant étudiants et chercheurs du monde entier. Il constitue aujourd’hui un pilier de la modélisation de l’atmosphère en France. Le laboratoire, qui compte dans ses rangs de nombreux contributeurs aux rapports du GIEC, a coordonné des campagnes de mesures originales et a contribué à de nombreuses missions spatiales tout en restant fidèle à l’esprit qui anima ses fondateurs.

Philippe Drobinski, Directeur de recherche au CNRS, directeur du Laboratoire de météorologie dynamique, École Polytechnique – Université Paris-Saclay; Fabio D’Andrea, Directeur de recherche au CNRS, directeur adjoint du Laboratoire de météorologie dynamique, École normale supérieure (ENS); François Forget, Directeur de recherche au CNRS, directeur adjoint du Laboratoire de météorologie dynamique, Sorbonne Université et Riwal Plougonven, Professeur chargé de cours, directeur adjoint du Laboratoire de météorologie dynamique , École Polytechnique – Université Paris-Saclay

 

La version originale de cet article a été publiée sur The Conversation.

 

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