La dynamique du climat, d hier à demain

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Anne Paradis
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1 La dynamique du climat, d hier à demain Sylvie Joussaume Directeur de Recherche CNRS, climatologue Institut Pierre Simon Laplace Laboratoire des Sciences du Climat et de l Environnement Auteur du livre «Climat, d hier à demain» CNRS Editions (2000) Effet de serre, réchauffement du climat? Certitudes, Incertitudes Intergouvernmental Panel on Climate Change (2007) L apport du passé

2 La concentration en gaz à effet de serre augmente: 80% 20% ipcc (2007)

3 Le climat du dernier siècle

Le climat change: au niveau global 1995-2006 : 11 des 12 années les plus chaudes depuis 1850

4 Le climat change: au niveau global : 11 des 12 années les plus chaudes depuis ,76 [0,57-0,95] C +1,8 [1,3-2,3] mm/an ,1 [2,4-3,8] mm/an ipcc (2007)

glace de mer Arctique diminue 7% /décennie en été Pluies plus intenses /

5 Septembre 2005 vs climatologie photo NASA au niveau régional La température en Arctique augmente 2 fois plus rapidement L extension de la glace de mer Arctique diminue 7% /décennie en été Pluies plus intenses / Sécheresses plus intenses Cyclones tropicaux plus intenses dans l Atlantique Nord NASA

6 Effet de serre et rétroactions

7 Le bilan radiatif de la Terre Kiehl and Trenberth (1997)

8 Principaux constituants atmosphériques contribuant à l effet de serre Water vapor 55% Halocarbons 12% Ozone 13% Other greenhouse gases 30% Clouds 15% CO 2 53% CH 4 17% N 2 O 5% Naturel (155 W/m 2 ) Additionnel (2.8 W/m 2 )

9 Bilan énergétique de la Terre Solaire réfléchi απr 2 S 0 Infrarouge emis 4πR 2 σt e 4 Solaire incident πr 2 S 0 S 0 ( 1 α ) π R 2 = 4π R 2 σ T e 4 S 0 ( 1 α ) / 4 = σ T e 4 Avec S 0 = 1370 W/m 2 T e = 254K σ = W/m 2 K 4 Effet de serre: T s =287K (14 C)

10 N = S + F Convention de signe A l équilibre N = 0 + Avec S = S 0 ( 1 α ) / 4 et F (T s ) flux IR sortant Si ΔQ perturbation du bilan radiatif, comment varie ΔT s? Ex 2x C0 2 ΔQ = + 4W/m2 HYPOTHESES α constant F(Ts) =- τσt s 4 avec τ = 0.62 cst Équilibre initial : So (1 α ) / 4 - τσt s 4 = 0 ΔN = ΔQ Δ(τ σt s 4 ) = ΔQ (4 S/T s ) ΔT s On définit λ p = -4S/T s à l équilibre ΔN = 0 d où ΔT s = (-1/λ p ) ΔQ Sans rétroaction λ p = -3.2 W m-2/k pour 2x C0 2 : ΔΤ s = 1.2 K

11 Rétroactions du système climatique T Vapeur d eau T Neige/glace Albedo Nuages Positif (IR) Négatif (solaire)

12 ΔN = ΔQ + λ ΔT s avec λ paramètre de rétroaction N N x λ = = + T x x T s s 2 N x y x y T s +L Au 1er ordre λ = λ p + Σ λ x avec λ p paramètre de rétroaction de Planck ΔT s = ΔQ / λ ou ΔT s = (1 / 1 - Σ (-λ x /λ p ) ) ΔT s,p ΔT s = f ΔT s,p f facteur de rétroaction f = 1 / 1 g et g = Σ (-λ x /λ p ) Estimation de f?

13 Modèles couplés atmosphère-océan Heating H 2 0, Clouds CNRS/ L. Fairhead Temperature Winds Friction Evaporation Precipitation Sea ice Temperature Salinity Currents Friction land ocean

14 Conditions Initiales «météo» To, Vo, Po, qo Modèle Calcul de T, Vent, Pression q Vapeur d eau Statistiques Mois/saisons Évolution «Conditions aux limites» «Forçages» Composition de l atmosphère (CO2, CH4, aérosols) Rayonnement solaire incident Végétation, calottes de glace

15 Validation des modèles climatiques Climat actuel CMIP January Model Observations July IPSLCM4 Observations (Xie & Arkin) IPSL Model Observations

16 Sensibilité climatique ΔT s pour 2xC0 2 Sensibilité climatique : AR4 : 2 à 4.5 C soit f de 1 à 4 ipcc (2001)

17 λ x λ p = -3.2 Bony et al., J Clim, 2006 Vapeur d eau Nuages Albédo Lapse rate H LR TOTAL λ x 1.80 ± ± ± ± λ = -1.3 Wm -2 / C f x ΔT 2xCO2 ~ 3 C

18 Le rôle des activités humaines sur le climat Le climat du 20ème siècle Quel climat pour demain?

19 ipcc (2007)

20 observations Simulations Forçages naturels & anthropiques Simulations Forçages naturels ipcc (2007) Auto-variations atmosphère-océan & «Forçages»externes naturels : Solaire / volcans anthropiques : Gaz à effet de serre / aérosols

21 La concentration de gaz à effet de serre va continuer à augmenter Différents scénarios sont possibles : ipcc(2001)

22 Evolution de la température globale pour les différents scénarios Période de référence ipcc (2007)

23 Température pour 2 scénarios extrêmes CNRM IPSL IPSL et CNRM A2 B1

24 Précipitations pour 2 scénarios extrêmes CNRM IPSL IPSL et CNRM A2 B1

25 Température d été en France Comparaison avec la canicule de 2003 Scénario haut (A2) 2003 * Observations IPSL Meteo France Scénario bas (B1) JL Dufresne IPSL et CNRM

26 Simulation de la banquise scénario A2, CNRM IPSL Concentration de la banquise (%) Concentration de la banquise (%) ESCRIME 2007

27 L apport du passé

28 Il y a ans, la dernière glaciation Extraits de «Climat, d hier à demain»

29 Dôme Concordia, Antarctique IPEV/Y. Frenot IPEV/A. Manouvrier

30 N 2 0 CO 2 CH 4 T Volume glaces Source : EPICA community members, Nature 2004

100 000 100 ans 000 ans La théorie astronomique des paléoclimats

31 ans 000 ans La théorie astronomique des paléoclimats de Milutin Milankovitch et ans ans ans

32 Cycles glaciaire-interglaciaires Variations d énergie solaire due aux variations d excentricité : S o (r) varie en 1/r 2 d où S o (r) = S o (a)* a 2 / r 2 or r 2 = a 2 (1-e 2 ) ½ avec a le ½ grand axe et e l excentricité d où S o (r)/s o (a) = (1-e 2 ) -1/2 ~ 1 + e 2 / 2 e max = 0,06 d où (S max S min )/S min = 0,2% soit 0,5 Wm -2 d où ΔT s de 0,15 à 0,6 C (suivant λ) 10 fois trop faible!!! Variations de S (latitude, saison) sont plus importantes à et ans cycle de ans : facteurs amplificateurs & non linéarités

33 Polder Données POLDER CNES/NASDA La biosphère

34 Validation des modèles climatiques Climats passés Simulation du dernier maximum glaciaire il y a ans - projet international PMIP2 ipcc (2007)

35 Climat du dernier maximum glaciaire Forçage radiatif IPCC (2007) ΔT LGM de -3.6 C à -5.7 C ΔT LGM ~ -5 C & ΔF ~ - 6 Wm -2 d où λ ~ Wm -2 / C Crucifix, GRL, 2006

36 La variabilité glaciaire Température H Evénements de Heinrich : débâcle massive d icebergs

37 La circulation thermohaline

38 Les variations climatiques du dernier millénaire Glaciers Cernes des arbres Archives historiques...

41 Le système climatique Echanges d énergie Echanges d eau Echanges de carbone Atmosphère 1 jour - 10 ans CO2, CH4, O3 1 mois-10 9 ans H 2 0 H 2 0 Glace 1 mois - 10 ans Calotte ans Pôle Lithosphère ans Océan 1mois -10ans ans Biosphère 1mois -100 ans Equateur Extrait de Joussaume, «Climat, d hier à demain»

42 Climat futur & rétroactions du système Terre

43 Les rétroactions climat-carbone Fossil Fuel IPCC Scenario (SRES98-2A) Amplification du réchauffement > 1 C (Projet international C4MIP) (Friedlingstein et al., 2006) Control Scenario CLIMATE CO2 Climate Feedback Geochemical Impact Climate Impact Air-Surface Carbon Flux land ocean

44 Scénarios de stabilisation Emissions cumulées sur 21ème siècle : Sans rétroaction climat-carbone Avec rétroaction climat-carbone Stabilisation à 450 ppm : de 670 [ ] GtC à 490 [ ] GtC Stabilisation à 1000 ppm de 1415 [ ] GtC à 1100 [ ] GtC ipcc (2007)

45 Quel climat pour demain? 6.4 IPCC (2007) 4.0 C0 2 en 2100 ~ 850 ppm ~ 700 ppm ~ 550 ppm 1.1 C0 2 constant ~ 370 ppm

46 Quel impact sur le Gulf Stream? La circulation thermohaline

47 Prévisions de changement de la circulation thermohaline Scénario A1B (avec stabilisation en 2100) IPCC (2007)

48 Impact de la fonte du Groenland Une première étude CO2 (ppm) Scénario CTL Temps (années ) Swingedouw et al Sans Avec fonte -CTL Sans fonte -CTL CTL Avec

49 Certitudes AR4 : Réchauffement / intensification du cycle hydrologique Amélioration des modèles Meilleure quantification de la probabilité Meilleures prévisions au niveau régional Incertitudes Scénarios économiques Modèles : Représentation du climat Représentation des petites échelles Nuages / Circulation océanique Complexité du système «Système Terre» Cycle du carbone : amplification Biosphère continentale : non pris en compte - régional? Carbone? Land use? Hydrates de méthane : non pris en compte - faible probabilité Fonte du Groenland : non pris en compte

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