RECONCILE : améliorer la compréhension de la dynamique des précipitations extrêmes à différentes échelles

En 2021, le rapport du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) consacrait pour la première fois un chapitre aux événements climatiques extrêmes. L’une de leurs conclusions ? Non seulement leur fréquence va augmenter, mais également leur intensité.
Cette même année, le GIEC estimait également que chaque degré supplémentaire de réchauffement équivalait à une augmentation de 7% des précipitations lors des tempêtes et orages.
Les conséquences du réchauffement climatique sur les conditions météorologiques ne se font pas attendre, comme en témoigne dernièrement le cyclone subtropical Daniel, dont les précipitations hors normes ont ravagé la Libye en septembre dernier.

Changement climatique et météo : une dynamique complexe

Mais appréhender la dynamique qui lie le changement climatique et les phénomènes météorologiques extrêmes s’avère aujourd’hui un véritable défi pour les chercheurs et des difficultés surgissent lorsqu'il s'agit de relier les deux différentes échelles concernées. « La grêle, les averses et les vents forts résultent de la dynamique locale des courants ascendants des nuages », détaille Benjamin Fildier, chercheur CNRS à l’ENS-PSL. « Tandis qu’à échelle beaucoup plus large, la circulation générale détermine l'occurrence relative des régimes convectifs pour maintenir l'équilibre énergétique. »

Physicien du climat au Laboratoire de météorologie dynamique au département de Géosciences de l’ENS-PSL, Benjamin Fildier cherche à comprendre à quelle vitesse les taux de pluie, et les extrêmes en particulier, s’intensifient avec le dérèglement climatique global. « Aujourd’hui, on comprend le problème de manière assez approximative : il pleut de plus en plus fort, mais de moins en moins souvent, et les disparités hydrologiques régionales sont dues à des différences dans la circulation atmosphérique à grande échelle », indique-t-il. « L’augmentation des précipitations extrêmes n’est pas uniforme et varie en fonction des zones géographiques concernées. De grandes incertitudes persistent d’un modèle à l’autre », poursuit le scientifique. « Les métriques souvent mal adaptées à la quantification d'impacts hydrologiques concrets, et les modèles de climat traditionnels ne sont pas adaptés pour répondre à ces questions, car les systèmes nuageux s’organisent dans l’espace de manière complexe. » Le chercheur travaille sur de nouvelles méthodes pour quantifier le degré de connexion entre les principes physiques fondamentaux et la structure statistique fine des pluies, à plusieurs échelles. « Ce qui implique de trouver un mariage intelligent entre dynamique des fluides, thermodynamique, et statistiques des extrêmes, à travers une géométrie et des mesures pertinentes. »

Connecter les phénomènes naturels de différentes échelles

Une problématique complexe que Benjamin Fildier est en phase de résoudre grâce à son projet RECONCILE (Revisiting Rainfall Extremes with Ensembles of Convective Objects and their Continuum of Interactions with the Large- scale Environment), pour lequel le scientifique a récemment obtenu une bourse ERC Starting Grant 2023. « RECONCILE examine comment les pluies extrêmes sont produites et modulées par l'interaction entre les tempêtes tropicales et la circulation atmosphérique », explique le scientifique. Ce projet novateur, à la croisée de la physique du climat et de l’écologie, permettrait d’améliorer la compréhension de la dynamique des précipitations extrêmes à différentes échelles.

« Comprendre les extrêmes de pluie dans un climat futur, c’est comprendre le lien météo–climat », justifie Benjamin Fildier. Car reconnecter les phénomènes à petite échelle - comme la convection atmosphérique ou la dynamique des nuages - et la dynamique de l’atmosphère à grande échelle, est une question fondamentale en modélisation climatique, et ce depuis les années 70. « Nous y apportons désormais des solutions numériques, par la modélisation à haute résolution. L’approche de RECONCILE est une nouvelle voie plus théorique », ajoute le physicien.

Une séparation obsolète

Car jusqu’à aujourd’hui, les limites de la puissance de calcul ont conduit à des analyses séparées de la dynamique des nuages et de la circulation à grande échelle. Les chercheurs se retrouvaient ainsi à étudier deux gammes de processus distincts : d’un côté la “convection humide”, c’est-à-dire les courants nuageux ascendants de l’ordre du kilomètre ou moins, qui s’organisent sous la forme de structures orageuses persistant dans le temps, et de l’autre la “circulation générale” dans laquelle les nuages peuvent s’agréger, ce qui fait varier l'occurrence relative des régimes convectifs ou secs, en maintenant l’état d’équilibre énergétique global de l’atmosphère.

« Or, on sait désormais que l’interaction de ces processus peut induire une augmentation accrue des extrêmes de pluie avec le réchauffement », justifie Benjamin Fildier. « Pour autant, cette séparation d’échelles, obsolète, est encore présente dans les modèles climatiques traditionnels, comme ceux utilisés dans les rapports du GIEC par exemple. Cela cause des incertitudes fondamentales sur l’occurrence des extrêmes dans les projections futures : est-ce que les tempêtes s’ajustent à la circulation atmosphérique à grande échelle ? Est-ce qu’au contraire la croissance de ces systèmes affecte les vents et le climat régional ? »

Depuis quelques années, les chercheurs disposent des premiers modèles climatiques à haute résolution. « Ceux-ci résolvent tout le continuum d’échelles dynamiques nécessaire et on y applique des algorithmes de détection Lagrangienne de tempêtes tropicales pour les suivre au cours de leur cycle de vie », explique Benjamin Fildier. Ces algorithmes très élaborés permettent de faire le lien entre les tempêtes observées par mesures satellites et les tempêtes simulées dans les modèles. « RECONCILE met à profit ces outils existants pour étudier de façon systématique les caractéristiques météorologiques, l’organisation et la diversité de formes et de morphologies de tempêtes qui contribuent aux extrêmes  », poursuit le physicien. « Il nous permettra ainsi de construire de nouveaux modèles conceptuels pour les extrêmes de pluie, plus physiques et plus précis. »

Légende : Exemple de populations de tempêtes individuelles (systèmes convectifs de méso-échelle - MCS), représentées par des patchs de couleur, encadrés verts, dans différentes régions et différentes conditions d’humidité atmosphérique (couleur de fond, mm). Données issues de l’un des premiers modèles climatiques globaux à résolution kilométrique (Global System for Atmospheric Modelling) projet DYAMOND.

Changer de regard pour dépasser les schémas classiques

RECONCILE utilise ainsi un concept de “vue d’ensemble” des populations de tempêtes pour étudier la diversité des structures orageuses et quantifier le degré de correspondance entre pluies et conditions environnementales. La dynamique des pluies, les extrêmes, leur intensité, leur durée et leur intermittence, deviennent des “propriétés émergentes” des populations de tempêtes ; elles résultent de l’interaction entre systèmes orageux et de processus opérants sur une large gamme d’échelles au sein de structures météorologiques organisées, dans une cohérence d’ensemble. « Inclure cette dimension collective est simplement du bon sens, mais c’est un changement de regard sur le problème qui est essentiel », résume Benjamin Fildier. « L’écologie scientifique donne des pistes pour appréhender l’idée d’interaction au sein d’un système, en particulier entre des composants à différentes échelles », ajoute-t-il. « S’en inspirer peut permettre de dépasser certains schémas classiques présents en physique du climat. »

« L’écologie scientifique donne des pistes pour appréhender l’idée d’interaction au sein d’un système, en particulier entre des composants à différentes échelles. »

Les chercheurs étudient déjà comment un système répond à – et rétroagit sur – un forçage, telle la réponse des extrêmes à une hausse de températures, ou la rétroaction climatique liée aux nuages via leur rôle dans le bilan d’énergie. « Mais typiquement, on étudie un phénomène en détail, puis on améliore sa représentation mathématique dans les modèles de climat, sa paramétrisation, avant de tester le nouveau comportement du modèle. Si cette segmentation est efficace pour penser le climat, structurer nos laboratoires de recherche et permettre les rapports du GIEC, on perd cependant de l’information en cours de route », estime Benjamin Fildier.« Car fondamentalement, on découpe le système en morceaux pour le comprendre : c’est une approche encore trop réductionniste. »

Comme l’explique le chercheur, l’écologie permet quant à elle d’étudier les écosystèmes dans leur ensemble, incluant la diversité des individus, les phénomènes d’auto-organisation et les propriétés émergentes qui naissent de leurs interactions. Elle rend possible une approche complémentaire et beaucoup plus globale qu’une approche basée uniquement sur la physique du climat. À l’inverse, des outils mathématiques, issus de la théorie de l’information et développés pour l’écologie, peuvent également être appliqués à la physique de l’atmosphère aujourd’hui.

Une nouvelle approche empruntée à l’écologie

La particularité de RECONCILE ? Introduire une nouvelle approche en se concentrant sur la dynamique des populations de tempêtes plutôt que sur les objets de tempête individuels. Un paradigme emprunté à l'écologie et jusqu’ici rarement utilisé pour la compréhension des extrêmes. « Il s’agit de donner de l’importance à l’idée de population, en considérant la diversité de systèmes orageux, tels des individus qui interagissent entre eux et avec l’environnement dans lequel ils évoluent », illustre Benjamin Fildier. Le projet fait appel à des questions scientifiques de longue date et à des processus physiques déjà connus concernant les extrêmes de pluie et la formation des orages, « mais pour lesquels un changement de formalisme est nécessaire », insiste-t-il.

« Avec RECONCILE, on s’éloigne d’une démarche classique trop réductionniste pour ce type de problématique, où les pluies sont vues comme les produits d’unités nuageuses simples et homogènes », explique le chercheur. « Ici, quelques lois universelles ne suffisent plus à décrire le comportement d’ensemble de ces systèmes. »

Changer de regard pour dépasser les schémas classiques

RECONCILE utilise ainsi un concept de “vue d’ensemble” des populations de tempêtes pour étudier la diversité des structures orageuses et quantifier le degré de correspondance entre pluies et conditions environnementales. La dynamique des pluies, les extrêmes, leur intensité, leur durée et leur intermittence, deviennent des “propriétés émergentes” des populations de tempêtes ; elles résultent de l’interaction entre systèmes orageux et de processus opérants sur une large gamme d’échelles au sein de structures météorologiques organisées, dans une cohérence d’ensemble. « Inclure cette dimension collective est simplement du bon sens, mais c’est un changement de regard sur le problème qui est essentiel », résume Benjamin Fildier. « L’écologie scientifique donne des pistes pour appréhender l’idée d’interaction au sein d’un système, en particulier entre des composants à différentes échelles », ajoute-t-il. « S’en inspirer peut permettre de dépasser certains schémas classiques présents en physique du climat. »

Les chercheurs étudient déjà comment un système répond à – et rétroagit sur – un forçage, telle la réponse des extrêmes à une hausse de températures, ou la rétroaction climatique liée aux nuages via leur rôle dans le bilan d’énergie. « Mais typiquement, on étudie un phénomène en détail, puis on améliore sa représentation mathématique dans les modèles de climat, sa paramétrisation, avant de tester le nouveau comportement du modèle. Si cette segmentation est efficace pour penser le climat, structurer nos laboratoires de recherche et permettre les rapports du GIEC, on perd cependant de l’information en cours de route », estime Benjamin Fildier.« Car fondamentalement, on découpe le système en morceaux pour le comprendre : c’est une approche encore trop réductionniste. »

Comme l’explique le chercheur, l’écologie permet quant à elle d’étudier les écosystèmes dans leur ensemble, incluant la diversité des individus, les phénomènes d’auto-organisation et les propriétés émergentes qui naissent de leurs interactions. Elle rend possible une approche complémentaire et beaucoup plus globale qu’une approche basée uniquement sur la physique du climat. À l’inverse, des outils mathématiques, issus de la théorie de l’information et développés pour l’écologie, peuvent également être appliqués à la physique de l’atmosphère aujourd’hui.

Un dialogue entre experts complémentaires

« D’ailleurs, l’un des enjeux d’une discipline scientifique aussi vaste que la physique du climat est aussi humain », explique Benjamin Fildier. « Ce projet permet d’entretenir le dialogue entre des communautés d’experts aux approches complémentaires sur des sujets fondamentaux », considère-t-il. « RECONCILE travaille ce dialogue à son échelle, en établissant aussi des ponts entre différents thèmes de la modélisation climatique : les pluies extrêmes et le climat moyen, des systèmes convectifs organisés et leur interaction, les résultats de campagnes de mesures observationnelles et les simulations numériques réalistes et idéalisées. »

Une coopération interdisciplinaire essentielle, sur laquelle repose RECONCILE et que Benjamin Fildier considère plus largement comme une voie « prometteuse » pour la recherche. « À condition qu’elle s’ancre dans une compréhension solide d’une discipline et de ses grands enjeux, pour garantir une vraie pertinence des apports scientifiques », tient-il cependant à préciser. « L’approche interdisciplinaire permet d’exporter certains outils analytiques d’une discipline à l’autre, de prendre du recul sur les méthodes et les phénomènes étudiés, ou de changer de regard sur un problème. »

Quantifier les incertitudes

À terme, RECONCILE permettra de raffiner les schémas conceptuels des pluies, leurs conditions d’émergence et les statistiques des extrêmes, et cela à des échelles kilométriques plus précises, qui ne sont pas encore accessibles par la modélisation dans un contexte de changement climatique. « Ces nouveaux schémas pourront directement servir de diagnostics physiques pour les nouveaux modèles climatiques à haute résolution, coûteux en énergie, pour en encourager une utilisation raisonnée », indique Benjamin Fildier. « Les questions de recherche dans RECONCILE sont construites de sorte à aiguiser notre connaissance des processus et notre sens critique sur les nouvelles projections climatiques, à l’heure où les techniques d’intelligence artificielle nous incitent à faire le contraire, contournent le besoin d’expertise tout en diminuant la capacité d’interprétation des résultats », poursuit-il. « En résumé, on pourra quantifier les incertitudes des modèles, savoir d’où elles proviennent. »

Une belle reconnaissance

Ce projet, novateur, ne pourrait voir le jour aussi rapidement sans l’obtention d’une ERC Starting Grant. « C’est une marque de reconnaissance assez incroyable et un gros soulagement », confie Benjamin Fildier. « J’ai travaillé d’arrache-pied mais je ne pensais pas parvenir à autant de réussite », poursuit-il. « Obtenir cette ERC m’a donné confiance. C’est aussi un gage de plus grande liberté dans ma recherche et dans ma façon de réfléchir à certaines questions. »

Dans l’immédiat, « un gros travail » de mise en place administrative attend le chercheur, avec notamment les premiers recrutements. Puis, Benjamin Fildier réalisera des cas d’études plus détaillées afin d’explorer différents types de structures orageuses, individuelles et en population. « Pour la suite, je testerai certaines approches d’écologie statistique, avec le plaisir de creuser d’autres liens possibles entre ces deux disciplines », ajoute-t-il avec enthousiasme.

Le projet sera mené au sein du Laboratoire de Météorologie Dynamique, mais avec une forte collaboration avec l'équipe EMC3 du Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales (LEGOS), car elle a mis au point l'algorithme dont Benjamin Fildier se sert pour la détection des systèmes orageux, ainsi que les données satellitaires. « Il y a également une véritable dynamique internationale autour les modèles à haute résolution, portée initialement par le Max Planck Institute qui fédère et met à profit des outils de traitement de données », explique le chercheur. Ceux-ci sont mis à disposition en France, au sein des supercalculateurs du Mesocentre ESPRI de l'Institut Pierre Simon Laplace (IPSL).

L’ERC Starting Grant est une belle reconnaissance pour le chercheur, préoccupé « depuis toujours » par le recul des glaciers de montagne, le changement des ressources hydriques et les problématiques liées à l’eau en général. La physique, de son propre aveu, intéressait beaucoup moins le chercheur au début de ses études : « c’est une discipline qui m'est venue progressivement », se rappelle Benjamin Fildier. Passionné par les mathématiques en classe préparatoire, ce natif de la région parisienne intègre ensuite l’École polytechnique en 2009, avec la volonté d’appliquer ses compétences théoriques à des problèmes de société. Pour cela, il suit notamment des cours en lien avec la physique environnementale. « La richesse des processus en jeu était idéale pour satisfaire ma curiosité intellectuelle, mais ne permettait pas d’établir un lien entre théorie et impact concrets du changement climatique », explique-t-il. « C’est en voulant tendre vers davantage d’utilité sociale que ma sensibilité initiale pour les mathématiques s’est graduellement transformée en recherche sur les systèmes physiques, en tant qu’approche mathématique du monde tangible et du climat. »

« Très sensible aux problématiques environnementales, il était devenu impossible pour moi de faire carrière dans les mathématiques financières ou l’aéronautique. »

C’est après une formation militaire de 9 mois, qui le plonge dans un monde très concret, que Benjamin Fildier décide de bifurquer de ses études purement théoriques. « Très sensible aux problématiques environnementales, devenues de plus en plus importantes, il était désormais devenu impossible pour moi de faire carrière dans les mathématiques financières ou l’aéronautique », témoigne-t-il. À sa sortie d’école d’ingénieur, Benjamin Fildier s’envole pour les États-Unis. Inscrit à l’Université de Californie à Berkeley, il effectue un master en génie environnemental puis une thèse sur la physique du climat et la modélisation du cycle hydrologique. Depuis ces 10 dernières années, il étudie la convection tropicale, les extrêmes de pluie, la formation des nuages, la dynamique de l’atmosphère à plusieurs échelles, ainsi que les processus de rayonnement. « Je me suis parfois perdu dans des thématiques un peu trop de niche et abstraites, mais cela m’a fait comprendre que ces deux grandes dimensions de la science du climat, les questions théoriques versus leurs applications sociétales, peinent à se marier dans les diagnostics et métriques utilisés », se souvient-il, mitigé. D’abord post-doctorant au Laboratoire de météorologie dynamique (LMD) et désormais chargé de recherche CNRS depuis octobre, le scientifique espère que RECONCILE « permettra de construire un pont plus solide entre les deux ».

Une grande liberté

En parallèle de ces réflexions, Benjamin Fildier dresse un bilan plus que positif de ces dernières années : « la recherche me permet une grande liberté et diversité de thèmes scientifiques que j’aurais eu du mal à retrouver ailleurs », admet-il volontiers. Le physicien est également « très reconnaissant » envers ses supérieurs de thèse et de post-doctorat, qui l’ont laissé « extrêmement libre » dans ses choix de recherche et son approche. Un environnement « très riche », que le scientifique retrouve avec plaisir au LMD : « j’ai de la chance d’assister régulièrement à des séminaires inspirants dans des domaines aussi variés que la physique et la sociologie, en passant par d’autres disciplines cruciales pour le climat », justifie-t-il. «  C’est un laboratoire qui facilite les collaborations et davantage d’interdisciplinarité, et qui incite à des approches plus originales. »

Et à celles et ceux qui auraient envie de suivre ses pas, Benjamin Fildier est heureux de leur donner quelques conseils, basés sur sa propre expérience. Le premier ? Faire attention à ne pas s’égarer. « Si vous souhaitez vous lancer dans la recherche en physique du climat, il est important de rester lucide sur le sens et l’utilité de ses travaux sans se faire happer par des questions de société qui ne sont pas solubles directement par la science », estime-t-il. « C’est un risque vraiment fort sur les thèmes liés à l’environnement et le climat : si l’on comprend mal la vraie nature de la démarche scientifique, on peut perdre sa curiosité et éloigner ses recherches de ses propres centres d’intérêt en voulant “sauver la planète”. »

Le second conseil de Benjamin Fildier se veut plus général. Pour le scientifique, la recherche nécessite au quotidien des aptitudes à développer et à entretenir : « la curiosité toujours, l’esprit critique, la capacité à prendre son temps, la rigueur dans ses méthodes, la pédagogie », énumère-t-il. Des aptitudes utiles à la recherche « mais qui, bien sûr, vous serviront partout ailleurs », précise-t-il. « De là vient la qualité des résultats, et la cohérence d’ensemble se dessine petit à petit. » Pour conclure, Benjamin Fildier avertit de certains « pièges » potentiels du milieu scientifique : « méfiez-vous de ceux qui parlent plus de stratégie de carrière que de recherche, des tendances scientifiques un peu trop à la mode ou de la publication en masse. »