This presentation provides a comprehensive derivation of the total energy equations for the atmospheric components of Earth System Models (ESMs). The assumptions and approximations made in this derivation are motivated and discussed. In particular, it is emphasized that closing the energy budget is conceptually challenging and hard to achieve in practice without resorting to ad hoc fixers. As a concrete example, the energy budget terms are diagnosed in a realistic climate simulation using a global atmosphere model. The largest total energy errors in this example are spurious dynamical core energy dissipation, thermodynamic inconsistencies (e.g., coupling parameterizations with the host model) and missing processes/terms associated with falling precipitation and evaporation (e.g., enthalpy flux between components). The latter two errors are not, in general, reduced by increasing horizontal resolution. They are due to incomplete thermodynamic and dynamic formulations. Future research directions are proposed to reconcile and improve thermodynamics formulations and conservation principles.

Traditional general circulation models, or GCMs -- i.e. 3D dynamical models with unresolved terms represented in equations with tunable parameters -- have been a mainstay of climate research for several decades, and some of the pioneering studies have recently been recognized by a Nobel prize in Physics. Yet, there is considerable debate around their continuing role in the future. (Lire la suite)

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Les modèles du système Terre les plus récents, comme ceux utilisés dans le 6e projet de comparaison des modèles couplés (CMIP6), souffrent d’incohérences mathématiques à l’interface océan-atmosphère. En effet, les algorithmes de couplage généralement utilisés dans ces modèles ne permettent pas un phasage correct entre l’océan et l’atmosphère, et donc entre leurs cycles diurnes. Une possibilité pour supprimer ces incohérences temporelles est d’utiliser un algorithme de couplage basé sur la méthode itérative de Schwarz. Cela implique une augmentation considérable du coût de calcul par rapport aux méthodes de couplage standards, ce qui rend la mise en œuvre de l’algorithme peu pratique en l’état pour la production. Cependant, la méthode de Schwarz est mathématiquement cohérente, et peut donc être utilisée comme référence pour évaluer certaines des erreurs commises dans les modèles de couplage océan-atmosphère de pointe (par exemple, dans la représentation des processus liés au cycle diurne), comme l’illustre la présente étude.... (Lire la suite)

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