Une estimation exacte du forçage radiatif par la méthode de Monte-Carlo

Un des défis majeurs de cette dernière décennie concerne l’action des nations sur le climat terrestre en vue de contrer le réchauffement climatique. Celui-ci est causé par l’activité humaine et notamment par l’émission en grande quantité de gaz à effet de serre. La compréhension de ce réchauffement au vu du comportement des différentes sociétés est donc nécessaire pour engager des réponses appropriées. Pour mesurer l’évolution du réchauffement climatique, la grandeur de référence à calculer s’appelle le forçage radiatif. Ce forçage est estimé par une différence de deux flux radiatifs au sommet de l’atmosphère intégrés sur toute la Terre et durant une période climatique lorsqu’un seul paramètre de la configuration est changé. Ici c’est le forçage aux gaz à effet de serre et plus particulièrement au dioxyde de carbone qui nous intéresse. Il nous faut donc estimer la différence de deux flux intégrés sur tout le globe et sur toute la durée temporelle d’intérêt pour un changement du champ de concentration de CO2 donné. Ainsi L’objectif de ce travail est de modéliser des flux radiatifs intégrés sur toutes les positions au sommet de l’atmosphère terrestre, pendant une période temporelle fixée. Ces flux résultent, entre autres, de processus de multidiffusion dans cette atmosphère. La difficulté majeure est la prise en compte de l’atténuation du rayonnement le long de ces chemins multidiffusifs. En effet, l’absorption est traitée comme une somme de contribution de millions de raies spectrales fortement dépendantes aux propriétés thermodynamiques locales et au domaine fréquentiel. Les modèles spectraux usuels, comme les k-distributions notamment, ne permettent pas d’obtenir une précision nécessaire pour estimer le forçage radiatif qui demande une précision de plus de 1 % sur nos flux. Nous proposons de repenser cette approche par la méthode de Monte-Carlo, méthode de référence en transfert radiatif, qui traite sans difficulté des intégrales multidimensionnelles tout en restant exacte et en fournissant un intervalle de confiance sur notre résultat. Nous introduirons trois techniques qui permettent de lever des verrous pour faire une telle estimation : 1) L’utilisation des collisions nulles pour contourner l’atténuation non linéaire qui apparaît en milieu hétérogène ; 2) L’échantillonnage d’une transition moléculaire statistiquement au lieu de recalculer localement le coefficient d’absorption. Il s’agit de coupler le modèle de transfert radiatif et le modèle de description des raies de transition ; 3) L’estimation d’un jeu de probabilités pour l’échantillonnage des transitions. Nous avons développé une méthode basée sur des techniques de machine learning en construisant une représentation hiérarchique et multi-résolution des probabilités dans le domaine fréquentiel. Les résultats montrent qu’il est possible d’estimer le forçage radiatif sur toute la Terre pendant une période d’un mois et sur tout le spectre infrarouge. Nous obtenons une insensibilité du temps de calcul aux domaines temporel, spatial et fréquentiel : il n’est pas plus coûteux de faire notre estimation pour un jour ou un mois, pour une latitude/longitude ou sur toute la Terre, sur une bande étroite fréquentielle ou sur tout le spectre infrarouge.