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) http://www.ipcc.ch L apport du passé
La concentration en gaz à effet de serre augmente: 80% 20% ipcc (2007)
Le climat du dernier siècle 1979-2005
Le climat change: au niveau global 1995-2006 : 11 des 12 années les plus chaudes depuis 1850 + 0,76 [0,57-0,95] C +1,8 [1,3-2,3] mm/an 1961-2003 +3,1 [2,4-3,8] mm/an 1993-2003 ipcc (2007)
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
Effet de serre et rétroactions
Le bilan radiatif de la Terre Kiehl and Trenberth (1997)
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 )
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 = 5.67 10-8 W/m 2 K 4 Effet de serre: T s =287K (14 C)
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
Rétroactions du système climatique T Vapeur d eau T Neige/glace Albedo Nuages Positif (IR) Négatif (solaire)
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?
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
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
Validation des modèles climatiques Climat actuel CMIP January Model Observations July IPSLCM4 Observations (Xie & Arkin) IPSL Model Observations
Sensibilité climatique ΔT s pour 2xC0 2 Sensibilité climatique : AR4 : 2 à 4.5 C soit f de 1 à 4 ipcc (2001)
λ x λ p = -3.2 Bony et al., J Clim, 2006 Vapeur d eau Nuages Albédo Lapse rate H 2 0 + LR TOTAL λ x 1.80 ± 0.18 0.69 ± 0.38 0.26 ± 0.08-0.84 ± 0.26 0.96 1.91 λ = -1.3 Wm -2 / C f x 2.3 1.3 1.1 1.5 1.1 0.8 1.4 2.5 ΔT 2xCO2 ~ 3 C
Le rôle des activités humaines sur le climat Le climat du 20ème siècle Quel climat pour demain?
ipcc (2007)
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
La concentration de gaz à effet de serre va continuer à augmenter Différents scénarios sont possibles : ipcc(2001)
Evolution de la température globale pour les différents scénarios Période de référence 1961-1990 ipcc (2007)
Température pour 2 scénarios extrêmes CNRM IPSL IPSL et CNRM A2 B1
Précipitations pour 2 scénarios extrêmes CNRM IPSL IPSL et CNRM A2 B1
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
Simulation de la banquise scénario A2, 2000-2100 CNRM IPSL Concentration de la banquise (%) Concentration de la banquise (%) ESCRIME 2007
L apport du passé
Il y a 21 000 ans, la dernière glaciation Extraits de «Climat, d hier à demain»
Dôme Concordia, Antarctique IPEV/Y. Frenot IPEV/A. Manouvrier
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 de Milutin Milankovitch 19 000 et 23 000 ans 41 000 ans 41 000 ans
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 20 000 et 40 000 ans cycle de 100 000 ans : facteurs amplificateurs & non linéarités
Polder Données POLDER CNES/NASDA La biosphère
Validation des modèles climatiques Climats passés Simulation du dernier maximum glaciaire il y a 20 000 ans - projet international PMIP2 ipcc (2007)
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 ~ - 1.2 Wm -2 / C Crucifix, GRL, 2006
La variabilité glaciaire Température H Evénements de Heinrich : débâcle massive d icebergs
La circulation thermohaline
Les variations climatiques du dernier millénaire Glaciers Cernes des arbres Archives historiques...
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 10 3-10 6 ans Pôle Lithosphère 10 4-10 9 ans Océan 1mois -10ans 10-1000 ans Biosphère 1mois -100 ans Equateur Extrait de Joussaume, «Climat, d hier à demain»
Climat futur & rétroactions du système Terre
Les rétroactions climat-carbone Fossil Fuel IPCC Scenario (SRES98-2A) Amplification du réchauffement > 1 C (Projet international C4MIP) (Friedlingstein et al., 2006) Control Scenario 1860 2100 CLIMATE CO2 Climate Feedback Geochemical Impact Climate Impact Air-Surface Carbon Flux land ocean
Scénarios de stabilisation Emissions cumulées sur 21ème siècle : Sans rétroaction climat-carbone Avec rétroaction climat-carbone Stabilisation à 450 ppm : de 670 [630-710] GtC à 490 [375-600] GtC Stabilisation à 1000 ppm de 1415 [1340-1490] GtC à 1100 [980-1250] GtC ipcc (2007)
Quel climat pour demain? 6.4 IPCC (2007) 4.0 C0 2 en 2100 ~ 850 ppm ~ 700 ppm 2.9 1.8 2.8 3.4 2.4 ~ 550 ppm 1.1 C0 2 constant ~ 370 ppm
Quel impact sur le Gulf Stream? La circulation thermohaline
Prévisions de changement de la circulation thermohaline Scénario A1B (avec stabilisation en 2100) IPCC (2007)
Impact de la fonte du Groenland Une première étude CO2 (ppm) 560 280 0 70 500 Scénario CTL Temps (années ) Swingedouw et al. 2007 Sans Avec fonte -CTL Sans fonte -CTL CTL Avec
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