Les changements climatiques

Les changements climatiques Les projections climatiques à échelle globale Les projections climatiques à échelle régionale Les extrêmes D après les supports de David Salas, Michel Deque, Samuel Somot Météo-France, CNRM-GAME

Comment modéliser le climat futur? L effet de serre et le forçage radiatif Sommet de l atmosphère: contribution au déséquilibre (*) radiatif induit (2011: 2,29 W.m -2 ) Rayonnement solaire net Rayonnement infrarouge net (*) S il n y avait pas de rétroactions liées à l ajustement de la température de la surface et de la troposphère (surface et atmosphère plus chaude réémettent plus d énergie dans le canal IR).

Comment modéliser le climat futur? Les profils représentatifs d évolution de concentration Representative Concentration Pathways (RCPx, x=forçage radiatif en W/m 2 en 2100, par rapport à 1850). Ex. RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0, RCP8.5 Forçage radiatif (anthropique et naturel)

Les 4 scénarios RCP (Representative Concentration Pathways) (Moss et al, 2010) Nom Forçage radiatif Concentration (ppm) Trajectoire RCP8.5 >8,5Wm -2 en 2100 >1370 eq-co 2 en 2100 croissante RCP6.0 ~6Wm -2 au niveau de stabilisation après 2100 ~850 eq-co 2 au niveau de stabilisation après 2100 Stabilisation sans dépassement RCP4.5 ~4,5Wm -2 au niveau de stabilisation après 2100 ~660 eq-co 2 au niveau de stabilisation après 2100 Stabilisation sans dépassement RCP2.6 Pic à ~3Wm -2 avant 2100 puis déclin Pic ~490 eq-co 2 avant 2100 puis déclin Pic puis déclin

Les 4 scénarios RCP (Representative Concentration Pathways) (Moss et al, 2010) Forçage radiatif (Wm -2 ) Emissions (GtCO 2 )

Moyennes multi-modèles du réchauffement global en surface par rapport à 1986-2005 (GIEC, 2013)

Changement de température globale en surface ( C) Les projections du changement climatique Incertitudes liées aux modèles et aux scénarios d émissions (GIEC, 2013) Moyenne multi-modèles du réchauffement global en surface 1850-2300 par rapport à 1986-2005 - ensemble de simulations CMIP5(*) T2m en 2081-2100 par rapport à 1986-2005: RCP2.6: +0,3-1,7 C RCP4.5: +1,1-2,6 C RCP6.0: +1,4-3,1 C RCP8.5: +2,6-4,8 C 42 modèles Année (*) CMIP: Coupled Model Intercomparison Project [Projet d Intercomparaison de Modèles Couplés]

Incertitudes des projections: Températures moyennes globales décennales en surface Evolutions simulées et sources d incertitude Fraction de variance expliquée par source Variabilité interne scénario modèle

Changements moyens en 2081-2100 par rapport à 1986-2005 (GIEC, 2013) Température RCP2.6 RCP8.5 Précipitations

Les projections du changement climatique Changement de température simulé pour trois périodes futures (GIEC, 2013) Changement de température moyenne annuelle de l air en surface ( C), par rapport à 1986-2005 (multi-modèle) 2046-2065 2081-2100 2181-2200 RCP2.6 RCP4.5 RCP6.0 RCP8.5

Les projections du changement climatique Changements de température à 2m - simulations pour le 4 ème rapport du GIEC CNRM IPSL A2 B1

Quelles sont les projections du changement climatique? Par rapport à 1986-2005 Le changement de la température moyenne à la surface du globe pour la période 2016 2035 sera probablement compris entre 0,3 C et 0,7 C. Pour la période 2081 2100, l augmentation sera probablement comprise entre 0,3 C à 4,8 C. Par rapport à 1850-1900, le changement de la température moyenne à la surface du globe pour la fin du XXI e siècle dépassera probablement 2 C GIEC, 2013

Quelles sont les projections du changement climatique? Les changements concernant le cycle de l eau mondial en réponse au réchauffement sur le XXI e siècle ne seront pas uniformes. Le contraste de précipitations entre régions humides et régions sèches, et entre saisons humides et saisons sèches augmentera, bien qu il puisse exister des exceptions régionales. GIEC, 2013

Changements d extension de la banquise de l hémisphère nord au cours du XXI e siècle (GIEC, 2013) RCP2.6 RCP8.5 Extension de la banquise arctique (moyenne 2081-2100)

Les projections du changement climatique Evolution de l extension des banquises arctique et antarctique Février Septembre Arctique Antarctique

Changement du niveau moyen des mers au cours du XXI e siècle par rapport à 1986-2005 (GIEC, 2013)

Quelles sont les projections du changement climatique? Il est très probable qu au cours du XXI e siècle, l étendue et l épaisseur de la banquise arctique continueront à diminuer, de même que l étendue du manteau neigeux de l hémisphère Nord au printemps, au fur et à mesure de l augmentation de la température moyenne à la surface du globe. A l échelle mondiale, les glaciers continueront de perdre de leur volume. Le niveau moyen de la mer continuera à s élever au cours du XXI e siècle. La vitesse d élévation du niveau de la mer dépassera très probablement la vitesse observée sur la période 1971-2010 pour tous les scénarios RCP, en raison du réchauffement accru des océans et de l augmentation de la perte de masse des glaciers et des calottes glaciaires. GIEC, 2013

Les projections du changement climatique La circulation thermohaline Quadfasel (2005) Sud Nord

(1 Sv = 10 6 m 3 /s) Les projections du changement climatique Evolution de la circulation thermohaline (GIEC, 2013) Changement de l indice de circulation méridienne océanique atlantique (Sv)

Anomalie de température par rapport à 1861-1880 ( C) Les projections du changement climatique Lien entre émissions de CO2 cumulées et changement de T à 2m (GIEC, 2013) Le CO 2 Émissions anthropiques cumulées de CO 2 depuis 1870 (GtCO 2 ) O C O Masses atomiques: C=12, O=16 => CO2=44 44g CO2 contiennent 12g C 1 GtC = 1 milliard de tonnes de C = 3,66 GtCO2 Émissions anthropiques cumulées de CO 2 depuis 1870 (GtC)

Conclusion Constantes de temps

Changements de températures de surface simulés pour la fin du 21 ème siècle MED DJF JJA IPCC, 2001

Changements de précipitations simulés pour la fin du 21eme siècle MED DJF JJA IPCC, 2001

Changements de température et précipitations en moyenne annuelle (GIEC, 2007) MEAN 21 modèles scénario A1B, 2080-2099 vs 1980-1999

Notion de «régionalisation» Les modèles du GIEC peuvent nous donner des informations régionales Ils permettent de couvrir une large gamme d incertitudes L Europe est une région de bon accord entre les modèles du GIEC Mais Ces modèles ont une faible résolution spatiale Ils ne représentent pas les processus physiques du climat régional Ils représentent mal les extrêmes Résolution trop faible pour les études d impact (agriculture, tourisme, neige, économie, océanographie côtière, santé, ) On a donc besoin de «régionaliser» leur signal On va zoomer «intelligemment» leurs résultats régionaliser Il existe différentes techniques de régionalisation (défauts/qualités) C est une branche encore jeune de la recherche climatique On ajoute des sources d incertitudes supplémentaires

Pourquoi régionaliser? Bolle, 2003 Processus physiques régionaux relief, vents régionaux, cyclogenèse, contraste terre-mer besoin de haute résolution spatiale mais influence du climat global NAO, moussons indienne et africaine, dépressions atlantiques, cellule de Hadley

Pourquoi régionaliser? Changement de température en été dans les années 2080, scénario A2 (Giorgi, 2004) Modèle type GIEC 300km Modèle régional 50km

Pourquoi régionaliser? 300km modèle global 50km modèle régional 25km modèle régional Observations : Précipitations en hiver Structure spatiale des précipitations

Pourquoi régionaliser? Extrêmes de précipitations quotidiennes (Alpes)

Les solutions techniques Régionalisation : plusieurs solutions techniques La descente en échelle statistique : Régimes de temps Les GCM à maille variable : ARPEGE-Climat Les modèles à aire limitée, emboîtés dans des GCM : ALADIN-Climat Les méthodes mixtes (dynamique / statistique) projet CYPRIM

Le modèle ARPEGE-Climat à résolution variable

Le modèle ALADIN-Climat à aire limitée

Hiver Le climat Euro-Méditerranéen Changement moyen des températures (t2m) Scénario A2, 2070-2099 vs 1960-1989 (ARPEGE-Climat, projet PRUDENCE, 2004) Eté En C Dans les modèles régionaux, même structure du signal que dans les modèles globaux mais en plus marqué. Réchauffement plus important sur terre que sur mer quelque soit la saison. En hiver, réchauffement plus important à l est que sur l ouest (rétroaction du à la couverture neigeuse) En été, réchauffement avec un gradient Nord-Sud du à l assèchement des sols au Sud de l Europe

Le climat Euro-Méditerranéen Changement moyen des précipitations Scénario A2, 2070-2099 vs 1961-1990 (ARPEGE-Climat, projet PRUDENCE, 2004) Hiver Eté En mm/jour

Série temporelles des températures moyennes en été en observations et en projections (scénario A2). Un été moyen c est 18.5 mais avec un variabilité interne importante. Il y a des extrêmes (2003). Pour les projections : très réalistes reproduit la variabilité observées. Dans le futur, tendance linéaires. On voit très bien la place de 2003 dans le futur. 2003 devrait rester exceptionnel jusqu en 2040 mais serait un été «moyen» autour de 2060. 2003 n est pas un signal du changement climatique mais peu servir d un analogue. Exemple de sorties de simulation régionale : température moyenne d été en France ( C) Observations ARPEGE étiré, scénario A2 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100

Température ( C) A2 / SST_CNRM [2070-2099] - [1960-1989] hiver printemps été automne ARPEGE-Climat étiré Réchauffement plus fort en été qu en hiver. Les saisons sont intermédiaires (printemps, automne sont aussi intermédiaires en terme de réchauffement)

Température ( C) SST_CNRM [2070-2099] - [1960-1989] Scénario A2 Scénario B2 hiver hiver été été Incertitude liée au scénario

Température ( C) Scénario A2 [2070-2099] - [1960-1989] SST / CNRM SST / Hadley Center hiver hiver été été Incertitudes liés aux SST. Structures spatiales inchangés

Précipitations (mm/j) A2 / SST_CNRM [2070-2099] - [1960-1989] hiver printemps été automne Pour les précipitations : Augmentation des RR en hiver quasiment partout, diminution partout l été.

Incertitude lié au scénario Le scénario plus optimiste en terme de GES donne plus de RR en hiver La diminution des RR est plus faible en été Précipitations (mm/j) SST_CNRM [2070-2099] - [1960-1989] hiver Scénario A2 hiver Scénario B2 été été

Incertitudes pour les modèles régionaux Incertitudes pour les modèles globaux Choix du scénario (B1, A1B, A2, ) Choix du modèle global (21 modèles pour le GIEC) Choix de modélisation, de physique pour un modèle global particulier Incertitudes pour les modèles régionaux Celles héritées des modèles globaux PLUS Choix du modèle régional Choix de la température de surface de la mer Choix du modèle global forceur (si modèle à aire limitée) Le coût numérique des modèles régionaux et l accroissement de la gamme d incertitude rend quasi-impossible l évaluation exhaustive des incertitudes dans les modèles régionaux Des méthodes restent à inventer Combinaison des modèles du GIEC et des modèles régionaux Utilisation des méthodes statistiques

Conclusion Probable ou très probable Réchauffement plus fort sur terre que sur mer Réchauffement plus fort en été qu en hiver En été, réchauffement plus fort au Sud de l Europe/France En hiver, réchauffement plus fort à l Est de l Europe/France Moins de pluie au Sud de l Europe/France/Méditerranée Plus de pluie au Nord de l Europe/France On ne sait pas Position de la ligne de démarcation entre +/- de pluie en Europe/France L évolution des vents forts liés aux dépressions Comment bien évaluer les incertitudes en régionalisation

Approche des extrêmes Définition d un phénomène extrême? Tempête de 1999 (tempête du siècle) -> phénomène trop rare (observé une fois au 20 ème siècle) : on ne peut pas conclure quand à son évolution dans le climat futur On s intéresse à des extrêmes «pas trop rares» pour pouvoir faire des statistiques Par exemple : nombre de jour où Tn < -10dg à Paris en 2050 Tx > 30 dg

Approche des extrêmes 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 présent futur Pour l étude des extrêmes, on s intéresse aux queues de distributions La distribution d une série de données (par ex Tn) peut évoluer de plusieurs façons Variation de la moyenne Variation de l écart type Variation de la forme

Température ( C) été Simulé Observé ARPEGE-CLIMAT, 50km ( 1961-1990) Représentation du climat passé résultats OK, pour la température C est la base de la modélisation afin de faire des projections. Travail de fond : améliorer cette représentation du climat présent dans les modèles

Précipitations (mm/j) été Simulé Observé ARPEGE-CLIMAT, 50km ( 1961-1990) Pour les précipitations, c est plus difficile. Les structures spatiales sont présentes (RR supérieures sur les reliefs, moins en méditerranée). Une modèle régional est capable de faire cette distinction contrairement aux modèles du GIEC

49 Tmax été (Paris) Outil utilisé pour corriger les modèles : diagramme quantile-quantile

observations 50 Tmin hiver (Paris) modèle

observations 51 Précipitations été (Paris) modèle

observations 52 Précipitations hiver (Paris) modèle

Les extrêmes ACTIVITE N 5

54 Température (Paris) Tn DJF Tx JJA Climat présent Climat futur

Précipitations (Paris) 55 DJF Climat présent Climat futur JJA

56 Nbre jours/an Tx>35 C Référence Scénario

MAM DJF 57 Nbre jours/an Précipitations>20mm Référence Scénario

SON JJA Nbre jours/an Précipitations>20mm 58 Référence Scénario

Indices STARDEX 59 Projet Européen Plus de 50 indices pour chaque saison Base annuelle Modèles et observations Voir page http://medias.cnrs.fr/imfrex

Durée de la plus longue période sèche en été 60 Référence Scénario

61 Nombre de jours de canicule en été Référence Scénario

62 Synthèse Température: augmentation des vagues de chaleur réduction des vagues de froid Hydrologie augmentation des sécheresses estivales augmentation des crues hivernales (Nord) Vents augmentation faible (Nord) diminution faible (Sud)