L'utilisation des modèles intégrés de climat pour l'étude des changements climatiques récents et futurs.

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1 L'utilisation des modèles intégrés de climat pour l'étude des changements climatiques récents et futurs. Pôle de modélisation de l'ipsl Jean Louis Dufresne contrib. Y.Balkanski, S. Bony, L. Bopp, P. Braconnot, et al. Comité National de la Recherche Scientifique Réflexion sur les aspects méthodologiques des recherches sur le climat 29 Septembre 2010

2 Simulation de l'évolution récente et future de la température moyenne Modèle numérique de climat Simulation de l'évolution du climat Source: GIEC 2007

3 Simulation de contrôle et états initiaux Simulation de contrôle pre industriel: Evolution de la température de surface moyenne Tous les forçages constants, à A partir d'un état climatique proche de l'actuel, recherche d'un état de quasi équilibre température ( C) leur valeur pre industrielle Simulation avec perturbation Simulation de contrôle Utilisation: Vérification absence de dérive États initiaux et états de références pour les simulations avec perturbations États initiaux différents pour des ensembles de simulations années

4 Les perturbations du climat naturelles anthropiques Pour le 20è siècle, les perturbations: Source: GIEC, 2007 peuvent être assez directement observées : CO2, CH4... peuvent être déduites des observations: constante solaire, éruptions volcaniques, usages de sols... nécessités un calcul complet: aérosols, ozone... Les perturbations peuvent être d'amplitude différente et prises en compte avec un réalisme différent selon les modèles

5 Les perturbations du climat Aérosols naturels (ép. optique) Aérosols anthropiques (ép. optique) Pour le 20è siècle, les perturbations: peuvent être assez directement observées : CO2, CH4... Balkanski et al. peuvent être déduites des observations: constante solaire, éruptions volcaniques, usages de sols... nécessités un calcul complet: aérosols, ozone... Les perturbations peuvent être d'amplitude différente et prises en compte avec un réalisme différent selon les modèles

6 Comment aborde-t-on la question: les activités humaines ont-elles déjà modifié le climat? Anomalie de température de la surface de la Terre observée et calculée en prenant en compte les perturbations naturelles et les perturbations dues aux activités humaines (accroissement des gaz à effet de serre et des aérosols) Anomalie de température de la surface de la Terre observée et calculée en prenant en compte uniquement les perturbations naturelles (éruptions volcaniques, activité solaire...) GIEC 2007

7 Origines du forçage radiatif entre 1750 et 2005 GIEC 2007

8 Projection pour le 21e siècle La construction de scénarios d'évolution des forçages IPCC 2001 and SRES scenario (A2, A1B, B1) IPCC 2013 Representative Concentration Pathways (RCPs) (8.5, 6, 4.5, 2.x, rad. forcing in W.m 2) [Hibbard et al. EOS, 2007]

9 Différents modèles Différents modèles Différents modèles Différents scénarios Projection pour le 21e siècle GIEC 2007

10 Projection pour le 21e siècle Une difficulté méthodologique fondamentale: l'exploration d'un monde inconnu d'après GIEC 2007

11 Quand les forçages deviennent partie intégrante du système climatique L'ozone troposphérique dépend de la quantité de vapeur d'eau L'ozone stratosphérique dépend de la température, et donc du CO2 La concentration d'aérosol dépend de la météorologie L'extension des calottes de glace n'est pas constante La concentration en CO2 dépend des sources et des puits, qui dépendent du climat... Mêmes émissions de CO2 Mêmes concentrations de CO2 GIEC 2007

12 Rétroaction climat-carbone CO2= Variation couplée 1 COdec 2 1 gco 2 CO2 T α γ β Flux 12 Variation découplée gain de rétroaction α: Sensibilité de la température globale à l augmentation du CO2 atmosphérique (K.ppm 1) β: Sensibilité des flux de carbone (biosphère terrestre et océan) à l augmentation du CO2 atmosphérique (PgC.ppm 1) Gain en CO2 du système : gco =- α 2 AO AB βao βab γ: Sensibilité des flux de carbone (biosphère terrestre et océan) à la température globale (PgC.K 1) AB : Atmosphère Biosphère terrestre AO : Atmosphère Océan Friedlingstein et al., 2003, 2006

13 L'étude de rétroactions avec le modèle du système terre de l'ipsl Modèle du système Terre (ESM) Émissions Utilisation des sols Volcans Insolation Chimie tropo & Physique Transport aérosols (INCA) Atmosphère (LMDZ) Carbone / CO2 Surface (Orchidée) (Orchidée, Pisces) Ozone starto. (Reprobus) Océan (Nemo) Glace de mer (LIM) Coupleur (OASIS) Climat global

14 L'étude de rétroactions avec le modèle du système terre de l'ipsl Modèle du système Terre (ESM) Émissions Utilisation des sols Volcans Insolation Chimie tropo & Physique Transport aérosols (INCA) Atmosphère (LMDZ) Carbone / CO2 Surface (Orchidée) (Orchidée, Pisces) Ozone starto. (Reprobus) Océan (Nemo) Glace de mer (LIM) Coupleur (OASIS) Conditions aux limites Climat global

18 Simplifier pour comprendre un aspect:composantes physiques, perturbations idéalisées Accroissement de température à l'équilibre pour un doublement de la concentration en CO2 Si le changement de température n'affecte que la fonction de Planck: réponse de référence Impact radiatif des changements de vapeur d'eau, des nuages et de la neige/glace : mécanismes de rétroactions Rétroactions radiatives dans les modèles de circulation générale (MCG) : propriétés émergentes du système climatique simulé. Incertitude sur la sensibilité climatique (2 4.5 K) : due à l'estimation quantitative des rétroactions, particulièrement à celle liée aux nuages Diagnostic des contributions de la réponse de Planck et des rétroactions radiatives à la sensibilité climatique ( Teq) dans 12 modèles climatiques Nuages Neige & glace Vapeur d'eau + gradient vertical T Réponse de Planck (Soden & Held 2006, Dufresne & Bony 2008)

19 Rétroaction vapeur d'eau Humidité spécifique (q) = humidité à saturation (qsat) x humidité relative (RH) qsat(t,p) : loi de Clausius Clapeyron Distribution de RH : Humidité relative simulée par le modèle de l'ipsl : (example d'un mois d'août) circulation atmosphérique (1er ordre) détail des processus nuageux (2e ordre) Pour un réchauffement global : RH faibles (<5%) q qsat >> 0 (Clausius Clapeyron) Prédiction robuste : dépend peu de la spécificité des modèles (paramètres, résolution, complexité, etc) confirmé par modèles explicites (CRMs) cohérent avec les observations Signe positif et ordre de grandeur de la rétroaction vapeur d'eau considérés comme crédibles. Toutefois : recherches en cours sur la quantification des effets de 2ème ordre

20 Rétroaction des nuages Les nuages exercent 2 effets antagonistes sur le bilan radiatif : effet de serre (>0) + effet parasol (<0), dont l'importance relative dépend de nombreux facteurs. Réponse des différentes propriétés nuageuses à un réchauffement global? peu de guide théorique à ce jour (ou trop partiel) non robustesse des réponses apportées par les modèles climatiques Analyse des relations entre nuages, flux radiatifs, et variables climatiques (e.g. température) : Sensibilité de l'effet parasol (<0) des nuages à la température de l'océan lors d'un CHANGEMENT CLIMATIQUE (+1%CO2/an) [ convection CRFSW SST ] subsidence ω Modèles ayant la + forte sensibilité climatique Modèles ayant la + faible sensibilité climatique (Bony & Dufresne, GRL, 2005) Atmosphère tropicale

21 Rétroaction des nuages Les nuages exercent 2 effets antagonistes sur le bilan radiatif : effet de serre (>0) + effet parasol (<0), dont l'importance relative dépend de nombreux facteurs. Réponse des différentes propriétés nuageuses à un réchauffement global? peu de guide théorique à ce jour (ou trop partiel) non robustesse des réponses apportées par les modèles climatiques Analyse des relations entre nuages, flux radiatifs, et variables climatiques (e.g. température) : Sensibilité de l'effet parasol (<0) des nuages à la température de l'océan lors d'un CHANGEMENT CLIMATIQUE (+1%CO2/an) [ CRFSW SST ] convection subsidence Sensibilité de l'effet parasol (<0) des nuages à un changement INTERANNUEL de la température de l'océan [ CRFSW SST ] ω Observations ω Modèles ayant la + forte sensibilité climatique Modèles ayant la + faible sensibilité climatique (Bony & Dufresne, GRL, 2005) Modèles ayant la + forte sensibilité climatique convection Modèles ayant la + faible sensibilité climatique subsidence

22 Le projet CMIP-5 en appuie de la préparation du 5e rapport du GIEC Construction d'une base de données avec des résultats de mêmes modèles dans des configurations très variées variété des simulations: échelle du siècle (20e et 21e siècle) échelle décennales échelles de temps plus longues (paléoclimat). variété des configurations de modèle: modèles climatiques classiques (atmosphère-océan-végétationglace), modèles plus complets (incluant le cycle du carbone, la chimie atmosphérique, le calcul des aérosols, etc.) modèles avec conditions de surface imposées (modèle atmosphérique avec ou sans chimie interactive, forcée par des températures de surface de l'océan) modèles idéalisés (aquaplanette). variété des variables diffusées: nombre important de variables de sorties, à des fréquences de temps multiples (de 3h au mois)