Un modèle climatique est la représentation numériquenumérique de la planète et des interactions entre ses différents réservoirs qui modulent le climatclimat : l'atmosphèreatmosphère, l'océan et les surfaces continentales. Show
L'espace géographique numérique est composé de cases, appelées les mailles. Les interactions entre mailles sont modélisées par un certain nombre d'équationséquations mathématiques. Plus la maille est petite, plus le modèle est précis et donc plus il est fiable. Un modèle climatique cherche à approcher le plus possible la réalité, il essaie de représenter au mieux les forces qui induisent les mouvementsmouvements atmosphériques, océaniques ou terrestres. Pour cela, le modèle part de conditions initiales connues des paramètres climatiques tels que la température, le rayonnement, l'humidité... et les fait évoluer en suivant le formalisme mathématique. L'amélioration des modèles climatiques est continue grâce à deux facteurs : les recherches scientifiques fournissent une meilleure compréhension de la dynamique des couches terrestres, et la puissance de calcul numérique croît. Introduction : Pour connaître le climat du futur, les scientifiques développent des modèles climatiques. Ce sont des constructions numériques du système climatique qui mobilisent des outils mathématiques, physiques, chimiques et biologiques. Nous allons suivre et détailler la démarche scientifique sous-jacente à la construction des modèles climatiques. Le point de départ est la collecte de données météorologiques ou paléoclimatiques. Puis différents scénarios d’ordre climatique et/ou socio-économique vont venir poser des limites pour la construction du modèle. Enfin, l’étude des modélisations avec les corrections possibles, nous amènera vers les projections du Groupe d’experts intergouvernemental d’étude du climat (GIEC), faisant consensus dans la communauté scientifique. Recueil de données, scénarios et création des modèlesLes températures de 2050 pourraient atteindre les 50°C 50\,\degree\text{C} en France métropolitaine. Mais comment les scientifiques établissent-ils ces prédictions ? À retenir Les modèles climatiques s’appuient sur des données connues et fiables, à savoir les données atmosphériques, terrestres et océaniques actuelles faites par différents instituts à travers le monde, mais aussi les données paléoclimatiques. Définition Modèle climatique : Simulation numérique du climat pour une zone donnée à partir des données climatiques réelles. Données météorologiques et paléoclimatiquesEn France, deux laboratoires majeurs travaillent sur deux modèles et donc sur des données un peu différentes. Il s’agit du Centre national de recherches météorologiques (CNRM : Météo-France/CNRS) et de l’Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL). Résumé des variables météorologiques utilisées dans les modèles climatiques français
Paramètres météorologiques étudiés Humidité relative et spécifique près de la surface (%) Flux de précipitations (mm/jour\text{mm/jour}) Flux de précipitations neigeuses (mm/jour\text{mm/jour}) Précipitations totales (kg/m²/s\text{kg/m}^²\text{/s}) Rayonnement infrarouge incident (W/m²\text{W/m}^²) Rayonnement visible incident (W/m²\text{W/m}^²) Températures (moyenne, minimale et maximale) près de la surface (en Kelvin) Vitesse du vent (horizontale et maximum) à la surface (m/s\text{m/s})
Les données de flux de précipitations, de températures et de vent sont nombreuses et sont disponibles sur des temps assez longs (une centaine d’années pour les mesures directes) et sur une échelle globale (pour l’ensemble de la planète).
Les données paléoclimatiques servent de base pour établir des comparaisons
entre les situations actuelles et celles d’un passé parfois très lointain, ce qui permet de poser des limites aux modèles. Forçages anthropiquesÀ retenir L’intérêt de l’établissement des modèles climatiques est notamment de tenter de déterminer un degré d’influence des activités humaines sur l’évolution du climat et d’appréhender la réaction du système climatique face à ces forçages anthropiques. Rappel Le forçage radiatif est une action qui introduit un degré de modification du bilan radiatif terrestre. Autrement, dit, il correspond à une perturbation de l’équilibre radiatif.
Les forçages anthropiques, et donc la part de l’évolution climatique liée aux activités de l’être humain, s’appréhendent grâce aux données sur les taux d’émissions des différents gaz à effets de serre.
Astuce L’unité ppm\text{ppm} (partie par million) exprime une fraction massique. L’augmentation d’origine anthropique du CO2\text{CO}_2 dans l’atmosphère est due à 80 % à la combustion d’hydrocarbures, à environ 17 % à la déforestation tropicale et à 3 % à l’agriculture.
Exemple En France, l’Institut national pour la recherche agronomique (INRA) estime que l’agriculture contribue pour 85 % à la production humaine de N2O\text{N}_2\text{O}. Ce gaz a un potentiel de réchauffement global (PRG) presque 300 fois supérieur au CO2\text{CO}_2 et reste plus de 120 ans dans l’atmosphère. Son augmentation, même en faible proportion, a donc un rôle important dans la prise en compte des évolutions climatiques. Définition Potentiel de réchauffement global (PRG) : Le potentiel de réchauffement global ou PRG (en anglais Global Warming Potential ou GWP) est une unité de mesure qui permet de comparer l’influence de différents gaz à effet de serre sur le système climatique. Il est utilisé pour prédire les impacts relatifs de différents gaz sur le réchauffement climatique en se fondant sur leurs propriétés radiatives et leur durée de vie.
Exemple En France, l’agriculture contribue à hauteur de 70 % aux émissions anthropiques de CH4\text{CH}_4. À retenir La première étape dans la construction d’un modèle est donc l’accumulation des données climatiques ainsi que la recherche des causes des variations observées, autrement dit les forçages. Scénarios et création des modèles climatiquesL’analyse des différentes données collectées (actuelles, paléoclimatiques) a permis au Groupe d’experts intergouvernemental d’étude du climat (GIEC), regroupant de nombreux experts scientifiques à l’échelle internationale, de construire un modèle climatique s’appuyant sur différents scénarios.
Définition Scénario climatique : Ensemble d’hypothèses sur l’évolution future des forçages (GES, aérosols, rayonnement solaire incident). Dans un premier temps (2001-2007), le GIEC a développé des scénarios RSSE (Rapport spécial sur
les scénarios d’émissions), ou SRES (Special Report on Emissions Scenarios) en anglais.
Ces scénarios ne prennent pas en compte les décisions politiques liées aux grandes conférences pour le climat, comme le protocole de Kyoto en 1997 par exemple. Il a donc été développé un second jeu de scénarios séparant l’aspect climatique et
socio-économique. En 2014, le cinquième rapport du GIEC établit donc quatre nouvelles trajectoires d’émissions et de concentrations de gaz à effet de serreentre 2006 et 2100, parmi 300 scenarios possibles, avec des projections jusqu’en 2250 : les scénarios RCP (Representative Concentration Pathways, ou « Trajectoires représentatives des concentrations » en français). À retenir Ces quatre trajectoires sont envisagées au regard du degré du forçage radiatif, c’est-à-dire du degré de modification du bilan radiatif de la Terre. En effet, on sait que l’augmentation de la concentration en gaz à effet de serre vient perturber l’équilibre entre les flux radiatifs entrants et sortants. On a ainsi :
Astuce La donnée chiffrée associée à chaque RCP correspond à l’augmentation du forçage radiatif à l’horizon 2100. Les SSP (Shared Socio-economic Pathways, « Trajectoires socio-économiques communes » en français) correspondent quant à eux à des choix politiques, sociaux et économiques.
Les SSP prennent en compte l’adaptation au changement climatique et la contribution à son atténuation (via la diminution des GES).
Les scénarios RCP et SSP se croisent et permettent d’envisager différentes alternatives tant sur le plan socio-économique que climatique. D’après Tom Kram, chercheur néerlandais en stratégies climatiques, il existe toutefois des limites et donc des incompatibilités dans le croisement de ces scénarios : Croisement des RCP et des SSP selon T. Kram
RCP 8.5 RCP 6.0 RCP 4.5 RCP 2.6
La création de ces modélisations avec de nombreux scénarios trouve tout son sens dans la confrontation avec la réalité, au fur et à mesure que le temps passe. Le GIEC a commencé à exploiter ses premiers indicateurs au début des années 2000 : les chercheurs disposent donc d’environ 20 ans de recul. Ce temps court à l’échelle des temps géologiques est largement suffisant pour déceler des changements climatiques à l’heure actuelle. Confrontation de la modélisation à la réalitéExemple du trou de la couche d’ozoneAu début des années 1980, des géophysiciens britanniques analysent des données satellites sur la couche d’ozone stratosphérique (protégeant la Terre des UV) et découvrent un « trou », ou plus précisément un affinement
anormal de cette couche. Une coopération internationale se met en place en 1989 pour signer le protocole de Montréal qui bannit l’usage des CFC. L’ensemble des pays le ratifie et contribue ainsi à la diminution des CFC dans l’atmosphère, suite à l’interdiction totale effective en 2009. Si l’affinement périodique de la couche d’ozone est bien connu et documentée (mesures et modèles climatiques), les mesures exceptionnellement basses tendent à disparaître.
Prévision du GIEC et réalité du début du XXIe siècleEn 1990, les émissions de CO2\text{CO}_2 étaient de l’ordre de 7,4GT C7,4\,\text{GT C}. Le GIEC faisait alors l’hypothèse qu’en 2025, elles seraient de 12,2GT C12,2\,\text{GT C}. En 2019, les scientifiques estiment ces émissions à 43GT C43\,\text{GT C} pour 2025. Si au début de la recherche sur l’évolution du climat, les valeurs modélisées n’étaient que peu fiables, les modèles actuels permettent une meilleure anticipation des valeurs à venir. En 1990, les modèles estimaient que l’élévation du niveau des mers serait de l’ordre de 15cm15\,\text{cm} à 95cm95\,\text{cm} pour 2100. Les modèles actuels restent sur cette fourchette de valeurs. La perte de glace entre 1990 et 2010 correspond à une élévation de 20mm20\,\text{mm} à 30mm30\,\text{mm} environ. Les trajectoires semblent donc cohérentes : Les modèles utilisés par le GIEC sont régulièrement confrontés à la réalité. Ainsi, les scientifiques peuvent affiner les modèles ou fournir des supports fiables pour les décideurs politiques. Cela nous amène à l’objectif premier du GIEC : compiler les données scientifiques pour dessiner notre avenir climatique. Projections et conséquences pour l’avenir, horizon 2100Le dernier rapport global du GIEC (IPCC en anglais) date de 2014. Il s’agit d’une synthèse sur tous les aspects du changement climatique mesurés et/ou modélisés par le monde de la recherche. À retenir Les modélisations climatiques ont permis d’identifier d’importants changements d’un point de vue climatique, mais aussi de mettre en avant les conséquences pour l’avenir.
Conditions climatiques (températures, événements majeurs)Les températures moyennes de surface sont particulièrement parlantes quant à l’avenir climatique de la planète.
Par ailleurs, la variation des précipitations devrait être déterminantes pour de nombreux pays dans leur gestion politique et socio-économique du climat : les zones subissant des fortes précipitations vont connaître des précipitations encore plus abondantes et les zones en déficit hydrique subiront des sécheresses encore plus importantes.
Ce changement au niveau des températures et des précipitations va entraîner une augmentation du nombre d’événements extrêmes (cyclones
tropicaux, moussons, tsunamis, etc.). Impacts sur l’océanL’augmentation du niveau marin est due à l’expansion thermique (environ 1cm1\,\text{cm} entre 2000 et 2010), mais aussi à la fonte des glaciers. Attention Pour rappel, les glaciers ne désignent pas la banquise : les glaciers sont les glaces continentales, tandis que la banquise représente les glaces océaniques. La banquise n’influence pas le niveau marin.
Une élévation de 40cm40\,\text{cm} par exemple peut sembler faible, mais elle doit être remis dans un contexte géographique.
La fonte des glaciers fait augmenter le niveau des mers d’environ 3mm3\,\text{mm} à 4mm4\,\text{mm}
par an. Sous le scénario RCP 2.6, ce taux serait de 4mm4\,\text{mm} à 9mm9\,\text{mm} par an et pourrait atteindre
10mm10\,\text{mm} à 20mm20\,\text{mm} par an sous le scénario RCP 8.5 pour l’horizon 2100. La modélisation scientifique a permis de mettre en avant une autre tendance : l’acidification des
océans. Attention Le pH\text{pH} est une échelle logarithmique, donc une petite variation (0,10,1) engendre en réalité une acidification importante.
L’acidification des océans a des impacts majeurs sur l’écosystème marin : l’eau est moins oxygénée, le plancton est fragilisé, déstructurant les chaînes alimentaires qui en découlent. Exemple L’acidification,combinée à la hausse des températures de l’océan, est déjà bien visible au niveau des barrières de corail, où les coraux subissent un blanchissement (squelette calcaire sans vie). L’impact sur les écosystèmes est aussi marqué au niveau terrestre, mais il est plus difficile de prédire comment cela va évoluer. En
effet, la hausse des températures et les moindres précipitations sur les forêts pourraient être compensées par un effet de fertilisation du CO2\text{CO}_2 : le dioxyde de carbone étant un produit nécessaire à la photosynthèse, les plantes en ayant plus sont moins limitées pour produire de la matière organique. L’avenir climatique est de mieux en mieux compris et évalué, mais toutefois, la conscience des enjeux climatiques reste le moteur pour poursuivre l’amélioration des modèles. Le GIEC publiera ainsi à partir de 2021 de nouveaux rapports permettant peut-être de mieux évaluer l’impact du climat sur la biosphère par exemple. Conclusion : La construction des modèles climatiques est complexe du fait d’une grande quantité de données à intégrer mais aussi à paramétrer. Contraindre un modèle peut se faire d’un point de vue purement climatique, mais aussi d’un point de vue socio-économique. Une confrontation régulière des modèles à la réalité permet d’affiner les résultats et de tendre vers des prévisions toujours plus proches d’une réalité future. Le GIEC a un rôle majeur dans l’analyse et la synthèse des différents modèles climatiques utilisés à travers le monde. Il permet aussi de fournir des documents ayant fait consensus au sein de la communauté scientifique pour les grands décideurs de ce monde. Les rapports de ces experts permettent une synthèse globale mais aussi régionale qui pourra être investi par les météorologues. On perçoit la difficulté pour les scientifiques d’anticiper les changements climatiques avec une forte probabilité. Mais il est apparu que les scénarios reposant sur le développement durable sont un chemin à prendre pour limiter le réchauffement climatique. Il faudra garder à l’esprit que cette démarche est un processus par l’humain pour la planète et pour les humainseux-mêmes. En effet, l’augmentation de phénomènes climatiques extrêmes ou l’augmentation du niveau des océans génèrera par exemple de plus en plus de de réfugiés du climat si nous ne faisons rien. Pourquoi la construction d'un modèle climatique et complexe ?Un modèle climatique vise ainsi à représenter le climat et son évolution. Comme le climat est complexe, les modèles climatiques peuvent prendre en compte un nombre fixé de variables et donc se rapprocher plus ou moins de la réalité. Mais la prise en compte d'un grand nombre de phénomènes rallonge le temps de calcul.
Pourquoi le climat est complexe ?L'augmentation de la température globale de la Terre favorise aussi l'évaporation d'eau, notamment au niveau des océans. La quantité de vapeur d'eau augmente ainsi dans l'atmosphère. La vapeur d'eau est le principal GES, par conséquent l'effet de serre s'accroît et la température aussi.
Quelles sont les difficultés pour établir un modèle climatique fiable ?Une grande difficulté de la modélisation réside dans le développement des ces paramétrisations physiques. Une fois que le modèle est fabriqué, comment le valide-t-on ? Il est validé à plusieurs niveaux. On vérifie d'abord la capacité des modèles à reproduire les processus physiques élémentaires.
Quels paramètres sont pris en compte pour construire un modèle climatique ?Pour réaliser des projections réalistes du climat, les modèles de climat doivent décrire les quatre composantes du système climatique : l'atmosphère, océan, biosphère et cryosphère. La complexité d'un modèle est ainsi définie comme le nombre de processus climatiques pris en compte.
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