M2 OASC SYSTEME CLIMATIQUE ET COUPLAGES Frank ROUX (professeur UPS, Laboratoire d'aérologie) PLAN définitions mécanismes du climat observations et modélisation couplages et inerties modes de variabilité et prévisibilité évolution passée et future
Le climat est changeant (jadis)
hier, aujourd hui,
demain? Intergovernmental Panel on Climate Change Fourth Assessment Report (2007)
1. DEFINITIONS «climate is what you expect, weather is what you get» TEMPS (QU'IL FAIT) ou METEO : description détaillée de l'état actuel de l'atmosphère et de l'évolution au jour le jour des perturbations météorologiques «instantané» et «local» CLIMAT : synthèse à long terme (> qq ans) des conditions existant dans une région donnée, caractérisée par les statistiques (moyennes, variances, extrêmes,...) des éléments météorologiques «moyenné» et «régional»
LES ZONES CLIMATIQUES
La classification climatique de Wladimir Köppen, établie en 1900, modifiée en 1918 et 1936, est l'une des plus fréquemment utilisée. Elle est basée sur l'hypothèse que la végétation naturelle, qui intègre les paramètres climatiques, en est la meilleur traceur. Les zones climatiques sont définies en fonction des couvertures végétales naturelles. De façon objective, la classification de Köppen prend en compte les moyennes annuelles et mensuelles de températures et de précipitations, ainsi que les variations saisonnières des précipitations.
On distingue 5 grands «groupes» climatiques et, pour chacun, plusieurs «types» et «sous-types» : GROUPE A : «Climats Tropicaux» avec des températures toujours élevées; les 12 mois de l'année doivent avoir une température moyenne >18 C. GROUPE B : «Climats Arides» où les précipitations sont moins importantes que l'évaporation et la transpiration des plantes. GROUPE C : «Climats Tempérés» où la température moyenne est >10 C pendant le mois le plus chaud, et comprise entre -3 C et 18 C pendant le mois le plus froid. GROUPE D : «Climats Continentaux» avec une température moyenne >10 C pendant le mois le plus chaud, et < -3 C pendant le mois le plus froid. GROUPE E : «Climats Polaires» où la température moyenne est <-3 C pendant les 12 mois de l'année.
Deux paramètres complètent cette répartition : une caractéristique de température : a : mois le plus chaud 22 C (groupes C et D) b : mois le plus chaud < 22 C (groupes C et D) c : moins de 4 mois < 10 C (groupes C et D) d : mois le plus froid < -37 C (groupe D) h : tous les mois > 0 C (groupe B) k : au moins un mois < 0 C (groupe B) une caractéristique de précipitations : s : saison sèche en été, 70% précipitations en hiver (groupe C) w : saison sèche en hiver, 70% précip. en été (groupes A, C, D) f : précipitations pendant toute l'année (groupes A, C, D) m : régime de mousson : saison sèche <6 cm pluies, saison humide >125 cm (groupe A) Le climat d'une région est défini par 1 à 3 lettres
Adelaïde : Cs Astrakhan : Bwk Asuncion : Cf Chester. In. : ET Corumba : Aw Fairbanks : Dfc Helena : Bsk Hong Kong : Cw Khartoum : BWh Okhotsk : Dfd Omaha : Dfs Quito : H Rangoon : Am Stockholm : Dfb Tientsin : Dw Uaupés : Af
On peut regrouper les climats terrestres en 3 grands domaines, selon les masses d'air dominantes: Domaine I «Latitudes Tropicales» Climats contrôlés par les masses d'air tropicales et équatoriales Climat Tropical Humide (type «Af») : Forêt tropicale Les précipitations sont continues, avec un total annuel souvent >250 cm. Il y a des différences saisonnières pour les précipitations, mais les températures restent quasiment constantes audessus de 27 C. L'humidité varie de 75 à 90% Localisation : 10 S 25 N (Amazonie, Afrique équatoriale, Indonésie Nouvelle Guinée)
Climat Tropical Mixte (type «Aw») : Savanne (arbres + herbes) Il existe une saison sèche (régime d'alizés) et une saison des pluies (régime de mousson). La période la plus chaude est juste avant la saison des pluies. Localisation : 15-25 N et S (Inde, Indochine, Afrique de l'ouest et du Sud, Amérique du Sud, Nord de l'australie) Climat Tropical Sec (type «Bw») : Désert Ils sont localisés vers les Tropiques du Cancer (23 N) et du Capricorne (23 S), dans des zones de hautes pressions où les vents sont faibles, les pluies rares et l'évaporation intense. Localisation : 20-30 N et S (Amérique du nord et du sud, Afrique du nord et du sud, Arabie, Asie centrale, Australie centrale)
Domaine II «Latitudes Moyennes ou Tempérées» Climats contrôlés par les masses d'air tropicales et polaires (étés secs) : Steppe (herbes éparses) (étés plus humides) : Prairie (herbes denses et variées) Climat Continental Sec (type «Bs») : Les précipitations sont rares, dans un environnement essentiellement continental à l'abri des masses d'air maritimes, avec des hivers froids et des étés chauds. Localisation : 35-55 N et S (Amérique du Nord et du Sud, Eurasie, Afrique, Australie)
Climat Méditerranéen (type «Cs») : Maquis (arbustes variés) Les hivers sont doux et humides sous un régime d'ouest, les étés très chauds et secs par suite de l'influence des anticyclones subtropicaux. Localisation : 30-50 N et S (Europe du sud, Californie, Chili, Australie du sud, Afrique du nord et du sud) Climat Tempéré Humide (type «Cf») : Forêt (arbres à feuilles caduques) Le climat est très contrasté entre les saisons, et même de jour en jour, selon la masse d'air dominante. Les précipitations sont abondantes. Localisation : 35-55 N et S (est de l'amérique du nord, Europe du nord, Asie du nord-est, sud-est de l'australie)
Domaine III «Hautes Latitudes et Altitudes» Climats contrôlés par les masses d'air polaires et arctiques Climat de Forêt Boréale (type «Dfc») : Taïga (arbres à feuilles pérennes) Climat continental avec des hivers longs et rigoureux, les étés sont courts et frais, l'écart de température est très grand. Précipitations faibles, surtout en été. Localisation : 50-70 N et S (Amérique du Nord, Eurasie) Climat Polaire (type «ET») : Tundra (arbustes, herbes, mousses) L'hiver est long et très rigoureux, il n'y a pas de véritable été. Les précipitations sont peu fréquentes. Localisation : 60-75 N (Amérique du nord arctique, Sibérie)
Calottes Glaciaires (type «EF») : Glace permanente A proximité des pôles, le climat est extrêmement froid tout au long de l'année, surtout pendant la longue nuit polaire. L'humidité est si faible, à cause des basses températures, que les précipitations sont aussi rares que dans les déserts. Localisation : 75-90 N et S (Groenland, calotte arctique, Antarctique) Climat Alpin (type «H») : Variable Le climat des montagnes et des hauts plateaux est d'autant plus froid que l'altitude est élevée. Les précipitations (neige et pluie) sont abondantes, en relation avec le climat des plaines alentour. Localisation : (Rocheuses, Andes, Alpes, Himalaya, Kilimandjaro,... )
LES FACTEURS CONTRÔLANT LE CLIMAT
LA METEOROLOGIE est essentiellement gouvernée par l'évolution dynamique et thermodynamique de l'atmosphère, avec des interactions avec les surfaces océaniques et continentales à sa limite inférieure, et un forçage externe constant hors cycle saisonnier. Dans la prévision météorologique à quelques jours d'échéance, le comportement de l'atmosphère est relativement indépendant des conditions aux limites (température de surface de l'océan, couverture de neige, végétation,... ), sauf à proximité de la surface.
LE CLIMAT obéit aux mêmes équations que la météo, mais les échelles de temps sont plus longues, ce qui implique de tenir compte non seulement des facteurs purement atmosphériques et de leur évolution, mais aussi des interactions complexes avec les milieux environnants. Le climat est ainsi modulé par les variations de deux types de forçage : les facteurs «internes» : propriétés intrinsèques de l'atmosphère et des domaines avec lesquelles elle interagit ( hydrosphère, cryosphère, biosphère + lithosphère) formant le «système climatique» les facteurs «externes» : éruptions volcaniques, rayonnement solaire, caractéristiques de l'orbite terrestre, dérive des continents + activités humaines
Schematic view of the components of the global climate system (bold), their processes and interactions (thin arrows) and some aspects that may change (bold arrows) http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/fig1-1.htm
FACTEURS INTERNES
L'atmosphère C'est la composante principale du système climatique en raison de la grande variabilité de ses propriétés physiques dans l'espace et dans le temps. La troposphère (0 8-16 km) contient 90% de la masse, la stratosphère (jusqu'à 50 km) un peu moins de 10%. Les différences d'échauffement engendrent une circulation des masses d'air visant à rétablir l'équilibre thermique. Ces mouvements sont influencés par la rotation de la Terre et présentent un caractère turbulent aux petites échelles. Certains gaz atmosphériques et les particules en suspension dans l'air (aérosols minéraux, carbonés, anthropiques ; hydrométéores liquide et glacés ;... ) interagissent avec le rayonnement visible et infrarouge et jouent un rôle majeur dans l'équilibre énergétique.
L'océan joue aussi un rôle crucial dans le bilan du gaz carbonique. L'hydrosphère C'est l'ensemble de l'eau en phase liquide : océans, mers intérieures, lacs, cours d'eau et eaux souterraines. Les océans constituent l'élément principal (2/3 de la surface terrestre). L'hydrologie continentale joue néanmoins un rôle climatique important. En raison de leur masse et de la chaleur spécifique de l'eau, les océans représentent un important réservoir d'énergie. Le stockage est réalisé dans la couche mélangée océanique, profonde de qqs dizaines de m, soumise à l'action du rayonnement solaire et du vent. Il existe deux types de circulation océanique : les grands «gyres» de surface sous l'influence des alizés et de la rotation de la Terre, et la circulation profonde «thermohaline» engendrée par les différences de température et de salinité.
La cryosphère C'est l'ensemble des glaces continentales et océaniques : glaciers, permafrost, surfaces enneigées, calottes glaciaires, glace de mer. Les caractéristiques climatiques essentielles de la glace sont d'une part sa grande capacité à réfléchir le rayonnement solaire incident (albédo), d'autre part, sa faible conductivité thermique réduisant les échanges entre l'atmosphère et le milieu situé dessous. Les surfaces recouvertes de glace varient selon le rythme saisonnier, et de façon considérable lors des périodes glaciaires, provoquant des variations marquées du niveau de la mer. Les glaciers et les banquises des hautes latitudes ont une influence marquée que la circulation thermohaline océanique, notamment lors de la formation d'eaux profondes.
La biosphère C'est l'ensemble des êtres vivants ou systèmes biologiques, continentaux et océaniques. La végétation joue un rôle prépondérant sur le bilan de carbone sur terre et dans les océans via la photosynthèse. Elle influe aussi sur le cycle de l'eau et le bilan énergétique en surface, ainsi que sur les cycles de divers composés chimiques. Elle modifie également les propriétés physiques de la surface terrestre (par ex. albédo, rugosité). Si les organismes vivants ont toujours exercé une influence sur le climat, l'amplitude de l'action de l'espèce humaine (déforestation, agriculture, urbanisation, industrie,... ) semble sans précédent dans l'histoire de la Terre.
Les précipitations, le ruissellement, la sédimentation couplent l'hydrosphère et la lithosphère, permettant le transport de composés chimiques. Le soulèvement de poussières (minérales et organiques)par le vent produit des aérosols. Les éruptions volcaniques rejettent dans l'atmosphère d'importantes quantités de composés chimiques et d'aérosols La lithosphère C'est la partie solide de la planète Terre : terres émergées, plateaux continentaux, planchers océaniques. La topographie de ces éléments (distribution des continents et des océans, des chaînes de montagne, du relief sous-marin et des détroits) conditionne la circulation atmosphérique et océanique. La lithosphère peut aussi se déformer par suite du poids de calottes glaciaires ou de sédiments.
FACTEURS EXTERNES
La luminosité solaire La physique stellaire implique que, depuis la naissance de la Terre, le rayonnement solaire s'est intensifié (il était égal à 70% de la valeur actuelle il y a 4.5 milliards d'années). La constante solaire (actuellement 1367 Wm -2 ) change également, de l'ordre de 1 à 5 Wm -2, sur des échelles de temps plus courtes, de quelques jours à quelques années, en relation avec l'activité solaire (éruptions), et avec la présence ou l'absence de taches solaires (cycles de 11 et 22 ans, peut-être 90 et 180 ans).
Les variations de l'orbite terrestre L'orbite terrestre n'est pas constante : elle varie en ellipticité (périodes 95 000, 125 000 et 433 000 ans), en obliquité (périodes 29 000, 41 000 et 53 000 ans ans) et en précession (périodes 19 000, 22 000 et 24 000 ans). En conséquence, l'éclairement solaire varie suivant une combinaison de ces différents rythmes (M. Milankovitch, 1941).
Le forçage astronomique Lors de son orbite galactique, le Soleil passe à travers des nuages interstellaires de gaz et de poussières de densités variables. Ceci peut modifier la luminosité du Soleil ou la transmission du rayonnement entre le Soleil et la Terre. Des impacts d'astéroïdes de grande taille (>1 km) ont certainement eu des conséquences climatiques importantes, par les effets mécaniques (onde de choc, tsunamis, tremblements de Terre), thermiques (incendies globaux), radiatifs (écran de poussières) et biologiques (rupture de la chaîne trophique). Ils pourraient être la cause des grandes extinctions biologiques (par ex. -500 Ma, -410 Ma, -250 Ma, -65 Ma).
Le forçage anthropique Les émissions anthropiques (agriculture, industrie, transports, chauffage,... ) modifient de façon considérable les concentrations de certains gaz et d'aérosols dans l'atmosphère, avec des effets notables sur le bilan radiatif global. Les changements importants apportés par l'homme dans l'occupation des sols (zones urbaines, terrains agricoles, voies de communication, déforestation,... ) perturbent également le fonctionnement naturel du système climatique.