Les leçons du passé. Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France

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1 Les leçons du passé Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France

2 Plan Introduction : changements climatiques Un exemple : simulations du climat glaciaire Notion de sensibilité climatique et de rétroaction Forçages et rétroactions : glaciaire/futur Changement de circulation et précipitations tropicales : glaciaire / futur Hydrologie et mousoon à l holocène moyen La rétroaction de la végétation Tendance sur l Holocène : mousson africaine Conclusion

3 Introduction

4 Projections : différentes incertitude Barre d erreur estimée à partir de 39 simulations (modèles) : tient compte des différences entre modèles, de la nature chaotique du climat Hypothèses d évolution des facteurs socioéconomiques = réponse du climat à différents types de «forçages»

5 Mise au regard du passé Pre-Quaternaire Quaternaire Anthropocene Eocene optimum Glacialinterglacial cycles Evenements abrupts Projections AR5 Holocène moyen : «Sahara vert» transition Eocène- Oligocène Dernier Maximum Glaciaire

6 Les simulations paleoclimatiques : Pour mieux comprendre les mécanismes et les rétroactions Pour évaluer les modèles et la capacité à reproduire un climat différent de l actuel. La sensibilité climatique (amplitude du changement de température en fonction du forçage) Hydrologie et les liens avec l environnement variabilité multi décennale et millénaire

7 Les constantes de temps en jeu Echanges d énergie Echanges d eau Echanges biogéochimiques Calotte ans Atmosphère 1 jour - 10 ans H 2 0 Lithosphère ans Glace 1 mois - 10 ans Océan 1 mois -10 ans ans H 2 0 CO 2, CH 4, O 3 1 mois ans Biosphère 1 mois -100 ans Imbrication des échelles de temps et d espace : de la météorologie (seconde à heure) au millénaire et au delà

8 Facteurs affectant les résultats des simulations incertitude des forçages Protocole expérimental Contenu modèles dynamique, physique, biogéochimique paramètres Variabilité interne Différents niveaux de validation et d évaluation Processus Climatologie Variabilité climatique Caractérisation des rétroactions Climats passés

9 Periodes representatives de différents Preindustriel référence forçages Dernier millénaire Evolution gaz à effet de serre, constante solaire volcanisme, paramètres orbitaux, utilisation des terres Configuration orbitale Gas traces Holocène moyen (6000 and BP) Dernier maximum glaciaire ( ans BP) Ice Sheet CO2 : 280 ppm CH4 : 650 ppb Trace gases CO2 : 185 ppm CH4 : 350 ppb Braconnot et al. NCC additional material, 2012

10 Le climat glaciaire

11 Un climat bien documenté Reconstructions climatiques disponibles Données marines: surface, fond, traceurs, circulation Données continentales: e.g. pollens Données glaciologiques pour le Groenland et l Antarctique

12 Ce que nous apprennent les données

13 Des synthèses Bartlein et al. (2011)

14 Expériences numériques Modèle numérique du climat Conditions initiales : Température Humidité (salinité) Courants Résultats: Température, humidité (salinité), courants au cours du temps + diagnostics Conditions aux limites : Ex : rayonnement solaire incident Gaz à effet de serre Simulations de référence : climat pré-industriel Simulations perturbées : climat du dernier maximum glaciaire

15 Cf. Les ingrédients

16 Température de l air : PI - DMG

17 Comparaison aux données

18 LGM / RCP8.5 : quelques similitudes CNRM-CERFACS IPSL Glaciaire à présent Présent à RCP8.5 ( C)

19 En glaciaire Contraste terre/mer T continent T continent Données Ex Tropics T océan modèles Comparaison aux projections futures 2xCO2 LGM 4xCO2 Modèles ont tendance à Surestimer le refroidissement tropical Sous estimer le refroidissement des moyennes latitudes Sous estimer le gradient équateur/pôle Braconnot et al T océan

20 OCEAN CONTINENT 21st siècle Polar amplification DMG (il y a ans) Pliocène (Il y a 3 million d années ) Eocène (54 million d années) AR5 WG1 Fig5.5

21 Notion de sensibilité climatique et rétroactions

22 Comment les rétroactions «amplifient»-elles le forçage?

23 Bilan énergétique Solaire réfléchi απr 2 S 0 Infrarouge émis 4πR 2 στ e 4 Solaire incident πr 2 S 0 Équilibre énergétique: flux infrarouge émis = flux solaire absorbé σt e4 = ¼ (1-α) S 0 Te: Température d'équilibre radiatif On observe par satellite que a = 0, 3 Te = 255K (-18 C) La température plus élevée, de 15 C en moyenne globale est due à l effet de serre

24 Bilan énergétique : perturbations εσt e4 = ¼ (1-α) S 0 Te et Ts sont liées par l équilibre radiatif/convectif La température globale a un sens / bilan énergétique. Elle est utilisée comme un «estimateur» des perturbations climatiques Comprendre les variations de température globale demande d étudier Les variations de l irradiance solaire (S 0 ) Paramètres orbitaux, activité solaire Les variation de l albédo (réflectivité) planétaire (α) : Couleur de la surface (type de surface, végétation, nuages, composition atmosphère (aérosols) Les variation de l effet de serre (ε): Gaz à effet de serre (dont vapeur d eau), nuages,

25 La sensibilité et rétroactions climatiques Sensibilité clilmatique à l équilibre (ECS) Changement de température pour un doublement de CO 2 Sensibilité climatique transitoire (TCS) : Changement de température au doublement de CO 2 (simulations 1% CO2/an) Rétroactions climatiques : λ λ = λ + p λ x x Schéma équivalent

26 Boucle de rétroaction albédo (α) T neige α T Vapeur d eau Vapeur d eau ε A l équilibre 2xCO 2 T ~ +1.2 C Avec rétroaction vapeur eau : T ~ 2.4 C

27 Forçages et rétroactions Dernier maximum glaciaire et futur

28 Forçages LGM : estimation Calottes et niveau marin : forçage lié à l albédo de surface Les différents termes contribuant au forçage SW et LW IPCC WG1 Chapter 6, 2007

29 Incertitudes liées aux reconstruction des Calottes : PMIP2 : ICE5G (Pelletier 2005) PMIP3 : moyenne ensemble de 3 reconstructions calottes dtaspmip3/pmip2 Forçage en moyenne plus fort avec la calotte PMIP3 / PMIP2 Simulations PMIP3 un peu plus froides

30 Ordres de grandeurs Ordre de grandeur glaciaire / Pre-industriel

31 Les rétroactions AR5 WG1 Fig5.5

32 LGM/futur? Paleone donne pas une estimation directe de la sensibilité climatique (CO 2 ) Mais il est possible d évaluer les rétroactions et plus généralement les résultats des modèles AR5 WG1 Fig5.5

33 Circulation et précipitations tropicales Glaciaires / futur

34 Lien circulation : Walker et Hadley Circulation océan Pacifique Différence au préindustriel: moyenne d ensemble de 6 modèles 2xCO2 LGM : 21 ka BP Di Nezio et al. 2011

35 Humidité et précipitation : tropiques Futur DMG DMG Futur Di Nezio et al La vapeur d eau suit Clausius-Clapeyron Les précipitations ont un taux plus faible (lien avec le bilan énergétique) Taux très proches entre DMG et CO 2

36 Hydrology et mousson Holocène moyen, il y a 6000 ans

37 Il y a 6000 ans Période du «Sahara vert»l Pluies annuelles 6000 ans BP Actuel Points = reconstruction à partir de données de lac, pollen et macro restes Carte = moyenne d ensemble de 17 modèles

38 ans Astronomie and paleoclimats Milutin Milankovitch et ans ans ans Milankovitvh Medal EGU 2009

39 Configuration orbitale et changement de saisonnalité Location of the Vernal equinox

40 Succès et difficultés des simulations IPCC AR5 chapter9

41 Indice d humidité Le verdicte des données 60º to 180º E Température du mois le plus chaud v 20º W to 40º E Précipitation annuelles Assèchement continental trop fort questions / réchauffement et assèchement futur (uncertitude humidité des sols) Sous estimation des précipitation en Afrique de l Ouest : Sous estimation gradients N/S pour l actuel localisation ITCZ trop sud ; rétroactions climatiques sous estimées Harrison et al. in press

42 Afrique : classification des précipitations

43 Mais des mécanismes robustes Precipitation = f(ω500) Regime distribution Efficacité des précipitations 6k : changements dominés par changement de régimesrôle advection de grand échelle Poids des biais de la simulation de controle (précipitation dans les régimes) Zheng and Braconnot, 2013

44 Forçages et rétroactions (ex Juillet Au sommet de l atmosphère IPSL_CM1 (Swnet) = forçage + rétroaction = (1 α0) SWi α SWi6 HadCM2

45 Rétroaction de la végétation Holocène moyen, il y a 6000 ans

46 Utiliser les nouvelles possibilités Modélisation interactive du cycle du carbone Modélisation interactive du couvert végétal Modélisation interactive de la biogéochimie marine From Kageyama et al., clim dyn, 2012b

47 La rétroaction de la végétation Changement de végétation simulé à ans Fraction de grille couverte pare la forêt ou les herbes : MH-PI, (modèle) IPSL_CM5 Impact sur l albédo de surface et le recyclage de l eau par les plantes Kageyama et al. 2013

48 Amplitude de la perturbation radiative Le changement de végétation au Sahel il y a 6000 ans amplifie la réponse de la mousson Réponse << nuages ou effet de serre lié à la vapeur d eau (~20 W/m 2 ) Sous-estimé?

49 Tendances sur l Holocène Vers les longues simulations transitoires avec les modèles utilisés pour les projections climatiques

50 Hydrology : evolution en Afrique/Arabie Maximum de à 7000 ans Retard par rapport à l insolationau début de l Holocène Retrait plus rapide des lacs Différences temporelles entre l Afrique et l Arabie period. Lézine et al. 2011; Lezine and Bassinot. 2014

51 Position de la ZCIT en Afrique de l Ouest Unesuite de simulations : modèleipsl Braconnot et al. 2007b 51 Lézine et al. 2011; Braconnot et al ; Marzin and Braconnot, 2009, Marzin et al. 2013, Rôle de la précession: changements plus importants entre 6ka and 4 ka qu entre 9.5k et 6k Flux eau et calotte : déplacement vers le S de la ZCIT et assèchement au Sahel

52 Pour finir Les climats passés offrent de nombreux cas d étude La comparaison de différentes périodes climatiques et la comparaison aux données permet de donner des estimations de la sensibilité climatiques (LGM, MH, Eemien, Pliocène) Besoin d affiner la représentation du cycle du carbone et de la végétation (rétroactions) Incertitudes / résultats robustes et compréhension des mécanisme Étude de la variabilité interannuelle à multi décennale est possible (enregistrements à haute résolution) Simulations transitoires vont se généraliser : approche dynamique du climat