4 modelisation climatique globale - Institut national des sciences de

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MODELISATION CLIMATIQUE GLOBALE
4.1
Introduction
Plusieurs axes ont structuré les efforts de la communauté scientifique nationale engagée dans l’étude du
climat global au cours des 5 dernières années.
Certains de ces axes correspondent à une stratégie et des actions entamées depuis de nombreuses années,
quand il s’agit par exemple de progresser dans la compréhension des mécanismes d’interaction et de rétroaction
entre les divers processus physiques à l’origine de la variabilité et des évolutions climatiques, tant dans
l’atmosphère que dans l’océan. Cet effort est allé de pair avec l’amélioration continue tant des paramétrisations
destinées à prendre en compte ces processus que des modèles globaux couplés, dans lesquels ces
paramétrisations sont incluses, et qui sont la seule voie possible pour étudier in silicio l’influence de ces divers
processus sur les mécanismes climatiques.
La période récente a aussi permis d’ouvrir deux nouveaux chantiers, tous deux porteurs d’une vision très
enrichie de la stratégie nationale en modélisation. D’une part un effort très volontariste a été initié, avec le
support des différents organismes et agences et avec la pleine implication des équipes de modélisation, pour
participer au bon niveau aux exercices de modélisation sur les divers scénarios proposés par le GIEC (IPCC).
D’autre part la volonté de construire en pleine synergie entre les différents groupes, tant au plan national qu’au
plan européen, une approche coordonnée pour la modélisation du "Système Terre", allant au-delà du seul modèle
couplé océan-atmosphère, pour inclure tant les processus chimiques et biogéochimiques, que les grands cycles,
la végétation et les écosystèmes terrestres et marins, etc …
Le plan de ce rapport est donc articulé autour de cette progression dans les objectifs, faisant tout d’abord le
point sur les développements spécifiques aux divers processus climatiques et aux études des deux compartiments
particuliers que sont l’océan et l’atmosphère, décrivant ensuite les progrès enregistrés, et les projets, en
modélisation des différents scénarios, et ouvrant enfin sur les premières réalisations et les perspectives pour la
modélisation du "Système Terre".
4.2
L’océan
Un des principaux défis du PNEDC est la compréhension de la dynamique de l’océan, à la fois régulateur
et détonateur du climat planétaire.
4.2.1
La compréhension de la dynamique de l’océan global : la situation en 2001
Outre quelques modèles conceptuels, l’essentiel de la stratégie française est basé autour du développement
du modèle OPA et de l’amélioration des paramétrisations des processus physiques, à l’aune des bases de données
d’observations sans cesse élargies dans l’espace et le temps. Deux volets complémentaires sont considérés
comme prioritaires :
Variabilité et changement climatique anthropique
L’intrication des variabilités intra- à inter-décennale du système climatique et des changements globaux
induits à l’échelle intra- à inter-séculaire est critique dans notre compréhension du système climatique actuel.
Dans ce contexte, un des objectif majeur du PNEDC en 2001 est de “Comprendre et quantifier les mécanismes
d'ajustement climatique et les modifications du climat moyen et de sa variabilité”.
Au-delà de la variabilité reconnue lors des évènements de type El Niño, les mécanismes contrôlant la
circulation thermohaline (THC) et sa variabilité sont considérés comme majeur pour le climat à moyen-terme.
Les zones clefs océaniques sont les zones de formation d’eaux intermédiaires et profondes, localisées
essentiellement dans l’Océan Atlantique et surtout l’Océan Austral, en relation notamment avec la forte
variabilité dans les basses latitudes (ENSO).
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Les proxies climatiques
Afin de remonter dans le passé récent et établir les grandes caractéristiques climatiques, le PNEDC
recommandait en 2001 : « un gros effort doit être fait autour de l’utilisation et de l'interprétation des proxies en
terme de variables climatiques à partir d’une analyse plus précise de l’enregistrement sédimentaire de la
variabilité annuelle et interannuelle sur des périodes instrumentées et à l’actuel.
4.2.2
Principaux résultats
Ils sont issus principalement des projets BILBO et PROPAL.
Couche mélangée Océanique
Afin d’avoir une meilleure connaissance des conditions de surface, une nouvelle climatologie de la
profondeur de la couche mélangée a été réalisée à partir des profils individuels ; de plus la disponibilité des
nouvelles données ARGO, en nombre grandissant et dans des régions largement sous observées, a poussé à
incorporer ces données dans la climatologie. Il a ainsi été possible d’améliorer considérablement la climatologie
basée sur un critère en densité dans l’océan Austral (cf. section Austral, Boyer Montaigut et al., 2004).
Circulation Thermohaline
Figure 4.1 : Visualisation de la circulation thermohaline vu par le modèle ORCA2 à l’aide de traceurs
lagrangiens. On distingue les courants reliant ce qui rentre dans l'Atlantique Nord à 48°N et ce qui en ressort :
les transports horizontaux, ainsi que la formation d’eau profonde dans l’Atlantique Nord et la remontée australe
sont exprimée en Sv. A noter que l'apport en eau de la base de la thermocline en Atlantique Nord se fait via la
"fuite de Tasmanie" (route orange) et non directement par le Passage de Drake (d’après Speich et al., 2005).
L’analyse conjointe des observations et des simulations dans le cadre de Bilbo indique clairement que
l’Océan Austral est un bassin très actif en terme de variabilité et en terme de formation/transformation des
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masses d’eaux océaniques. Une nouvelle route de la circulation thermohaline, via la Tasmanie, a été confirmée.
Au contraire des deux autres routes (Drake, Indonésie), ces eaux (vers 700-1000m) sont très peu ventilées, et
transformées durant leur trajet jusqu’en Atlantique nord (cf. Figure 4.1).
Enfin, un ensemble de simulations effectuées avec OPA sur la circulation profonde indique l’importance :
(i) des flux géothermiques (cf. ci-dessous évaluation par He-3 et C-14) ; (ii) du déferlement des ondes internes
sur le mélange turbulent en profondeur.
Variabilité
Les études sur la variabilité australe ont été moins approfondies que prévu. En particulier, les études de
l’influence du Courant Circumpolaire sur les Ondes Circumpolaires Antarctiques (ACW) ainsi que sur la
variabilité des SAMW-AAIW, ont été abandonnées. Une analyse des difficultés rencontrées (manque de
données, de modèles adéquats, de moyens, …) serait utile pour la prospective. Des études préliminaires
effectuées sur la dernière décennie indiquent que l’importance des ACW serait finalement faible, et seules des
téléconnexions avec l’ENSO ont pu être mises en évidence dans le Pacifique Sud. Toutefois une modulation à
l’échelle décennale de l’ACW pourrait exister et dépendre des couplages océan-atmosphère.
Les Traceurs de la circulation à grandes échelles
L’évaluation des simulations physiques a été entreprise par un ensemble de traceurs :
• L’Helium-3 et le Carbone-14 : La figure 4.2 illustre la meilleure représentation du contraste entre les eaux
jeunes de l’Atlantique par rapport à celles du Pacifique Nord, plus vieilles, quand les flux géothermiques sont
pris en compte à la base du modèle.
Figure 4.2 : Comparaison des simulations de C14 naturel avec la base de donnée GLODAP (à gauche: en
permil). a) en haut à droite: paramétrisation standard OPA (Kz = 0.1 cm2s-1); b) en bas: avec prise en compte
du flux géothermique et Kz = 1 cm2s-1 (d'après Dutay, Madec et al.).
• L’Oxygène-18 et le Carbone-13 : La modélisation des isotopes de l’eau et du carbone a été introduite dans
le modèle OPA/ORCA2. Forcé par le modèle atmosphérique ECHAM, les premiers résultats des simulations en
∂18O de l’eau (cf. section Paléo) sont encourageants : la teneur en surface modélisée affiche une distribution
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spatiale très réaliste. La représentation de l’isotope 13 du carbone a nécessité l’intégration dans le modèle
biogéochimique PISCES. La simulation de contrôle sur le climat actuel indique que la distribution grande
échelle du traceur est globalement en accord avec les observations issues des sédiments marins. Cependant les
teneurs de ∂13C sont toutefois trop fortes dans l’océan Austral, ce qui semble indiquer une ventilation trop
importante du modèle dans cette région.
• Les isotopes du Néodyme : Apportés par les marges continentales, plus ou moins enrichies en isotopes du
Nd, ils permettent de suivre des circulations régionales qui pourraient être enregistrées dans les sédiments via les
cristaux de barytine. Les mesures effectuées dans le cadre du PNEDC ont permis de mieux appréhender les
échange aux frontières du bassin Nord Atlantique (Lacan et Jeandel, 2004). Une étude dans la région du
throughflow indonésien est encours. Enfin, la modélisation du Nd dans OPA/ORCA2 a été entreprise.
Les méthodologies spécifiques utilisées et développées
La compréhension de la dynamique à grande échelle de l’océan nécessite tout un ensemble de
méthodologies imbriquées. Leur mise en place n’est possible que grâce à l’accès et l’offre accrue des : i) moyens
à la mer : Utilisation des bateaux (IPEV, IFREMER, ressources INSU et internationales), ii) bases de données
ARGO-CORIOLIS et satellitaires, iii) centres de calcul (IDRIS, IFREMER, CEA, …). Il est à noter que ces
derniers centres sont malheureusement sous-développés, par rapport à ceux japonais ou américains, limitant
fortement le champ des simulations et les résolutions utilisées.
4.2.3
Quelques ouvertures pour une éventuelle prospective
En 2001, les forces et les faiblesses étaient résumées par “Une des richesses de notre communauté est
certainement de pouvoir rassembler des compétences diverses sur une même thématique; une faiblesse est que la
mulitplicité des compétences a entraîné une multiplicté des outils et qu'il n'est pas facile de passer d'une logique
de brillantes idées à une structuration en projet.” Pour l’étude de la dynamique de l’océan global, cet écueil a été
évité avec une structuration de plus en plus forte de la communauté nationale autour d’OPA, de son
développement et de sa validation tant par des observations physiques que géochimiques.
Toutefois, les différents projets portant sur l’analyse des variabilités restent en decà des annonces
effectuées dans les diverses propositions intitiales. Cela concerne en particulier la variabilité australe
(modulation de l’ACC et de l’ACW) ainsi que leurs impacts sur la THC et les possibilités d’évolution
irréversible, ainsi que la variabilité intra- à inter-décennale. Il est clair que le sujet est ardu: le modèle OPA
restant lourd à tourner sur les centres de calcul français tandis que les modèles analytiques ou de complexité
intermédiaire sont encore balbutiants ou encore non appliqués à l’océan réel.
Un point particulièrement souligné par certains projets est que le PNEDC donne un cadre à des réunions
annuelles des chercheurs français sur une même thématique. Cette dimension intégratrice doit être renforcée;
outre l’élaboration de réelles collaborations à terme entre les équipes, elle doit agir comme un creuset pour les
étudiants et jeunes chercheurs.
L’outil OPA, outil intégrateur pour l’ensemble des études océaniques, est aussi une brique essentielle pour
la mise en place de la modélisation du "Système Terre" grâce aux divers couplages effectués avec les modèles
atmosphériques et les composantes biogéochimiques. Cette dimension critique pour comprendre la réaction du
Système Terre au changement global est abordée dans la suite de cette partie.
4.3
Le climat global et le Système Terre
La modélisation du climat global, et les premières réalisations dans le domaine de la modélisation du
"Système Terre", sont très influencées par le contexte national, hérité d’une longue histoire, et les récents
développements au plan européen. On doit à ce titre citer :
- l’existence de deux groupes de modélisation de l’atmosphère, regroupés d’une part à l’IPSL autour du
modèle du LMD, et d’autre part à Toulouse autour du modèle ARPEGE-Climat de Météo-France ;
- le regroupement général qui s’est opéré autour du modèle OPA pour la modélisation de l’océan ;
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- la stratégie mise en place de façon commune entre les groupes français et européens pour progresser de
façon coordonnée vers la modélisation du Système Terre, en s’appuyant, d’une part, sur les travaux relatifs aux
divers compartiments climatiques réalisés dans les laboratoires, et, d’autre part, sur l’évolution vers une
architecture logicielle commune, issue du projet PRISM.
4.3.1
La modélisation globale sur la période 2001-04
En 2001, le modèle couplé global du CNRM comprenait le modèle atmosphérique ARPEGE-Climat
(version 3), le modèle OPA (version 8) et le modèle de banquise GELATO, couplées au moyen d’OASIS-2.
Quatre simulations couplées de 150 ans chacune ont été réalisées pour la période 1950-2100, deux (SG0 et SG1)
avec prise en compte de l’augmentation des GES (CO2, CH4, N2O, CFCs) et des aérosols sulfatés (scénario
SRES-B2), et deux autres (SC2 et SC3) en fixant les concentrations des gaz et aérosols aux valeurs de 1950 (ces
simulations de contrôle, sans corrections de flux, ne présentent qu’une dérive faible en température). L’un des
résultats marquants concerne la disparition de la banquise arctique d’été à partir de la deuxième moitié du
XXIième siècle. Par ailleurs, le retour à des concentrations d’ozone stratosphérique en Antarctique proches de
celles des années 60 ne se produit qu’au cours de la décennie 2070-2080. Ces simulations mettent aussi en
évidence une intensification du cycle hydrologique (Figure 4.3), tandis que d’autres aspects plus régionaux des
résultats des simulations ont pu aussi être analysés.
Figure 4.3: Cartes globales d’anomalies de précipitations (en mm/jour en haut, en % en bas) simulées de
décembre à mars dans un scénario B2 du CNRM entre les périodes [2050-99] et [1950-99] (sans retrait de la
dérive)
Le modèle couplé de l’IPSL (version CM4) est constitué du modèle atmosphérique LMDZ-3, du modèle
OPA-8, du modèle de banquise de l’UCL, avec un couplage réalisé grâce à OASIS-2. Plusieurs simulations ont
été réalisées pour la période historique 1860-2000 avec les concentrations observées des GES (2L18, avec
aérosols sulfatés observés ; 2L22, avec aérosols sulfatés constants), ainsi que plusieurs simulations de scénarios
(2L20, simulation de contrôle avec les concentrations 1980 des GES et des aérosols sulfatés ; 2L24, simulation
de contrôle avec les concentrations des GES et des aérosols sulfatés de 1860 ; 2L23, simulation de type CMIP
avec accroissement idéalisé de CO2 et stabilisation à 2xCO2 et 4xCO2). Des diagnostics sont effectués
automatiquement "en ligne", tels que des séries temporelles, des moyennes saisonnières, annuelles, par décénnie,
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… ainsi que des calculs d’indices climatiques. Les études engagées ont pour objectif principal de quantifier les
rôles respectifs de différentes perturbations anthropiques et d’estimer la réponse du système couplé (climat et
cycle du carbone) à ces perturbations, et ce pour la période historique et le futur.
Toutes ces simulations s’inscrivent dans la dynamique du projet intégré européen ENSEMBLES (démarré
en 2004, coordonné par le Hadley Centre, regroupant 70 partenaires, portant sur la prévision climatique
saisonnière à pluridécennale, et incluant les aspects globaux et régionaux et les liens avec les impacts et avec
l’économie). A noter que toutes les sorties françaises sont disponibles par serveur DODS.
4.3.2
Paramétrisations et couplages, prise en compte des divers sous-systèmes
Le maillon nuageux
Les possibles changements de nébulosité étant au cœur de l’incertitude des projections pour le changement
climatique, l’IPSL a proposé des diagnostics, dans un premier temps pour les régions tropicales et la simulation
2L23, conduisant aux principaux résultats suivants :
- affaiblissement progressif de la circulation tropicale de Hadley-Walker, avec toutefois un rôle minime, à
l’échelle des tropiques, dans les variations de nuages et de bilan radiatif ;
- dominance de la composante thermodynamique des changements de nuages et de bilan radiatif via la
réponse des nuages bas des régions de faible subsidence (zones des alizés) ;
Cette méthode d’analyse sera étendue aux autres modèles participant au 4ième rapport de l’IPCC, contribuant
ainsi à une meilleure évaluation de la sensibilité climatique.
Couplage avec l’hydrologie
Le modèle de routage de fleuve TRIP a été interfacé en 2001-02 avec le modèle couplé du CNRM afin de
fermer le cycle de l'eau de façon réaliste. L’introduction de TRIP a permis de limiter la variabilité temporelle de
la quantité d’eau fluviale en entrée du modèle océanique, et d’éviter ainsi des perturbations non-physiques de ce
dernier près des embouchures, entraînant une augmentation notable de la couverture de banquise en volume et en
étendue (simulation couplée SG2 de scénario B2 réalisée en 2002). Une autre simulation (SA2) suivant le
scénario A2 a aussi été réalisée avec ce nouveau modèle couplé pour étudier les conséquences de l'accélération
de l'augmentation des GES prévue dans ce scénario pour la fin du 21ème siècle.
Le futur de la circulation thermohaline est incertain, les résultats différant fortement selon les modèles en
fonction des flux d’eau douce (effets déstabilisants des précipitations locales et du ruissellement Arctique, effets
stabilisants de l’advection d’eaux salées des tropiques). Des simulations dans diverses conditions ont été
effectuées avec le modèle de l’IPSL. Les diagnostics ont montré que la mer du Labrador est très sensible aux
flux d’eaux douces locaux et aux ruissellements de l’Arctique, tandis que la mer d’Iminger est principalement
tributaire de l’advection des eaux salées du Gulf Stream. Pour les mers de GIN, les influences antagonistes du
Nord et du Sud se compensent. Enfin l’effet global de tous les flux d’eau douce atmosphérique apparaît comme
un amortisseur de la circulation thermohaline sur une échelle de 100 ans.
Le rôle du gel du sol dans le climat des hautes latitudes a été étudié au LGGE : les simulations réalisées
montrent que le changement climatique à l’échelle régionale dépend beaucoup de la prise en compte ou non du
gel du sol, avec des rétroactions complexes liées à l’hydrologie.
Couplage avec le cycle du carbone
Grâce au modèle de carbone biosphérique CASA-SLAVE (plus simple qu’ORCHIDEE car ne prenant pas
en compte la dynamique de la végétation), il a été montré que le couplage entre climat et cycle du carbone était
le siège d’une rétroaction positive, la biosphère continentale réduisant fortement ses puits de carbone en cas de
changement climatique, entraînant une augmentation plus forte de 20% du CO2 dans l’atmosphère (Figure 4.4).
Une étude de même type avec ORCHIDEE a montré que l’adaptation liée à la dynamique de la végétation
réduisait la rétroaction positive. Une comparaison plus large, soulignant l’importance de la sensibilité de la
62
biosphère continentale au changement climatique, est actuellement en cours et sera intégrée dans le 4ème rapport
de l’IPCC.
Figure 4.4 : Evolution de la teneur en gaz carbonique dans l'atmosphère (haut) et de la température de
surface pour la simulation de contrôle et la simulation couplée climat-carbone. Pour comparaison les
observations sont reportées en rouge. La courbe bleue indique la teneur en gaz carbonique lorsque le couplage
avec le climat n'est pas considéré (climat constant).
Une thèse co-encadrée par le CNRM et l’IPSL a permis de faire progresser la prise en compte de
l’assimilation photosynthétique par les plantes. Le modèle ISBA-A-gs du CNRM permet ainsi de simuler
l’évolution de deux variables essentielles : la conductance stomatique et le LAI. Une simulation globale a ainsi
été réalisée en mode forcé de 10 ans sur la période 1986-95. Les LAI simulés ont été favorablement comparés à
des LAI observés ainsi qu’à ceux issus d’un autre modèle du même type, tant pour la moyenne climatologique
globale que pour la variabilité des différentes zones climatiques. Le couplage avec la composante lente du cycle
du carbone de ORCHIDEE constitue l’étape suivante de ces développements.
On note ici la convergence des développements des deux groupes, avec utilisation partagée des
compétences et volonté de construire des paramétrisations utilisables par tous.
Des études préliminaires (couplage "off-line") sont par ailleurs en cours pour activer le cycle du carbone de
l’océan. Elles s’appuieront sur le modèle PISCES, qui décrit de façon réaliste les écosystèmes marins et leurs
interactions avec les grands cycles biogéochimiques.
Couplage avec la chimie et les aérosols
L’IPSL a mis à disposition les champs aérosols soufrés d’origine anthropique pour la période 1850-2000 et
pour le 21ème siècle suivant les scénarios IPCC. Les effets directs et indirects ont été introduits dans le modèle
couplé, à météorologie et chimie gazeuse fixes, dans le cadre des simulations en cours, de nouvelles simulations
devant préciser l’impact de la modification de la chimie gazeuse sur les aérosols soufrés (scénarios A1B 2020 et
A2 2100).
La représentation simplifiée introduite précédemment par le CNRM pour la chimie de l’ozone
stratosphérique et les effets radiatifs direct et indirect des aérosols sulfatés a été utilisée et reprise dans les
simulations de scénarios et les simulations en cours (à l’effet indirect des aérosols près).
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Couplage avec l’occupation des sols
L’enjeu est de quantifier l’impact de l’utilisation des sols sur l’évolution climatique passée et future, et de
comparer cet impact au forçage par les GES.
Après plusieurs développements spécifiques autour du modèle ORCHIDEEE, l’IPSL a réalisé une étude
préliminaire de l’impact radiatif des divers types d’occupation des sols, en comparant le climat obtenu avec une
végétation naturelle de type holocène et le climat simulé pour une végétation actuelle (avec environ 40% de
surfaces cultivées). Le fort impact radiatif régional de la végétation provient principalement des modifications
de la réflectivité de la surface (albédo) et de leur impact sur l’énergie solaire absorbée en surface.
Le CNRM a commencé complémentairement, en collaboration avec l’IPSL et le RIVM (Pays Bas),
l’interfaçage entre son modèle couplé et le modèle d’impacts intégré IMAGE. Une première simulation couplée
prenant en compte les scénarios d’émission de GES et les changements d’utilisation des sols calculés de manière
interactive par IMAGE a été réalisée (période 1970-2050), ainsi qu’une simulation à des changements
d’occupation des sols en Afrique utilisant le modèle ARPEGE-Climat dans sa version à maille variable. Ces
simulations ont été analysées en termes d’impact spécifique des changements d’occupation des sols.
Couplage avec les modèles régionaux
ARPEGE-Climat à maille variable, bien que global, est aussi utilisé pour les études du climat régional. Il
était disponible en 2001 dans une version évaluée tant du point de vue du climat européen que pour certains
aspects de la variabilité régionale (précipitations sur les Alpes). Cette version a été utilisée pour des scénarios
régionaux, dans le cadre du projet européen PRUDENCE ou des projets du GICC (CARBOFOR, IMFREX et
MEDWATER).
Une version d’OPA couvrant la Méditerranée à une résolution d’environ 10km, développée en
collaboration avec MERCATOR-Océan et l’IPSL, a été utilisée pour simuler l’impact du changement climatique
sur la circulation océanique, montrant une très forte diminution de la convection. Cette version a aussi été
couplée à la version euro-méditerranéenne du modèle ARPEGE-Climat, pour une première simulation de 140
ans (sans correction de flux) : les bilans de chaleur et d’eau à l’échelle du bassin s’avèrent très proches des
observations, mais le modèle présente une dérive initiale de la température en surface de l’ordre de 1K.
4.3.3
La simulation du climat global
La variabilité du système couplé
Une simulation de contrôle IPSL a été analysée sous l’angle des processus océaniques de transfert entre la
surface et la thermocline, montrant la très bonne qualité du cycle saisonnier en température et salinité mais aussi
des limitations avec des upwellings équatoriaux à l’ouest au lieu de l’est et une mauvaise circulation océanique
et atmosphérique de mousson. Les transferts entre surface et sub-surface sont insuffisamment représentés, mais
la circulation de grande échelle sous la couche de mélange reste bien représentée.
Les études de variabilité pouvant s’avérer d’un coût numérique très élevé du fait du couplage avec un
modèle atmosphérique tridimensionnel, il peut être intéressant d’utiliser des modèles simplifiés
unidimensionnels. L’équipe du LPO a ainsi opté pour le développement d’un modèle atmosphérique
axisymétrique (bidimensionnel, latitude et pression), forcé par l'insolation et par les flux au sol, comportant un
schéma radiatif solaire et infrarouge et un ajustement convectif, et incluant différentes paramétrisations des
tourbillons atmosphériques. Après ajustement par rapport à la climatologie, ce modèle a été couplé à un modèle
océanique idéalisé, afin d'étudier l'influence du couplage sur la variabilité inter-décennale. La variabilité obtenue
en régime couplé est beaucoup plus riche, en grande partie à cause de la forte réponse atmosphérique aux
moyennes latitudes. Néanmoins, un mode inter-décennal semble être beaucoup plus induit par les variations de la
circulation océanique avec flux de chaleur constant que par des oscillations couplées. Bien qu’un tel modèle
atmosphérique soit difficile à utiliser (réglages pour obtenir une climatologie de surface réaliste, paramétrisations
des tourbillons atmosphériques relativement complexes) cette approche peut néanmoins constituer une
alternative intéressante pour des études conceptuelles de variabilité climatique sur des périodes centenaires à
64
multimillénaires.
Les événements extrêmes
Le CNRM a mis en œuvre des méthodes de suivi des cyclones tropicaux dans les simulations à haute
résolution (0,5°), qui ont permis d’analyser l’impact du changement climatique sur les ouragans de l’Atlantique
Nord, avec principalement un déplacement des trajectoires vers le nord-est, accompagné par une cyclogénèse
plus marquée dans la partie est de l’Atlantique.
L’analyse des simulations (projet GICC-IMFREX) a mis en évidence une forte augmentation de la
probabilité d’extrêmes chauds en été en France. Cette augmentation est plus marquée dans le modèle ARPEGEClimat à maille variable que dans le modèle LMDZ, les deux modèles présentant une réponse différente de la
distribution de probabilité des températures.
Par ailleurs, un travail en cours à l’IPSL vise à améliorer les méthodes de détermination des extrêmes et à
les relier aux principaux modes de variabilité pour le climat européen et la NAO sur les 1000 dernières années.
La détection et l’attribution du changement climatique, autres validations et incertitudes
L’analyse de la variabilité et des tendances simulées au cours des dernières décennies a été initiée sur les
trois scénarios B2 du CNRM (SG0-SG1 et SG2). La répartition spatio-temporelle du réchauffement est assez
proche des observations, avec toutefois une tendance à surestimer le réchauffement de la moyenne troposphère
tropicale. L’augmentation des précipitations extratropicales est qualitativement conforme aux observations, mais
il n’en est pas de même sous les tropiques où la variabilité multi-décennale observée n’est pas reproduite
(notamment au Sahel). Les tendances simulées pour la couverture neigeuse de l’hémisphère nord sont conformes
aux observations satellitaires. Par ailleurs, l’affaiblissement de la téléconnexion entre l’ENSO et la mousson
indienne observé au cours des dernières décennies ne semble pas lié au réchauffement global mais relèverait
plutôt de la variabilité décennale.
La disponibilité pour la France et tout le 21ième siècle de scénarios climatiques et de données homogénéisées
de température de l’air en surface permet pour la première fois la détection de signaux régionaux de changement
climatique par la méthode des "empreintes digitales" ("finger prints"). Un signal de changement climatique
récent apparaît lorsque la méthode est appliquée aux tendances sur 30 ans des températures minimales
journalières d’été, qui semble contrôlé de façon prédominante par l’hydrologie de surface (contenu en eau du sol
bien corrélé entre modèle et observation).
4.3.4
Un élément de convergence supplémentaire, le programme ESCRIME
Plusieurs convergences entre les travaux des groupes de Paris et de Toulouse sont déjà apparues (réalisation
de simulations dans le cadre du 4ième rapport de l’IPCC, rapprochement de paramétrisations). Le projet
ESCRIME, élaboré en 2004, est destiné à favoriser et accélérer plus encore les synergies entre les deux groupes.
Sa mise en ouvre sera très certainement l’une des caractéristiques qui marqueront la différence entre les périodes
passée et future. Le programme ESCRIME comporte 3 composantes principales :
La mutualisation des forçages
Dans le but de pouvoir comparer toutes les simulations, un effort important est entrepris afin de mutualiser
les distributions spatio-temporelles des différentes données d’entrées (forçages) des modèles climatiques. Outre
les scénarios de concentration de GES, ces données concernent les concentrations des aérosols sulfatés.
Un effort spécifique sera aussi entrepris pour utiliser dans une simulation du 20ème et du 21ème siècle un
même scénario de changements d’utilisation des sols (en particulier via des projections issues du modèle intégré
IMAGE).
65
L’analyse commune des résultats
Les deux groupes mettent en commun les résultats des simulations clefs pour permettre des études globales
et/ou régionales ou pour évaluer les impacts des changements climatiques. Un format commun de données ayant
été adopté, le choix des données de sortie des simulations suit les recommandations faites pour le projet
ENSEMBLES. Par ailleurs sont aussi mises en commun les données de validation des modèles (réanalyses,
combinaisons de données satellitaires et in situ, débits des grands fleuves…).
ESCRIME conduira des analyses communes s’appuyant sur les résultats de l’ensemble des simulations :
sensibilité des modèles au changement climatique, fréquence des événements extrêmes, régimes de temps,
rétroactions nuageuses, impacts du changement d’utilisation des sols, détection par une méthodologie commune
du signal du changement climatique régional, ….
L’évolution commune des modèles et échanges de modules numériques
a. Modèles du cycle du carbone continental
L’IPSL joue ici un rôle moteur en mettant à disposition le module du cycle du carbone des sols
d’ORCHIDEE. Ce module sera à terme intégré au modèle ISBA-Ags de Météo-France. Le module de traitement
de la disponibilité en azote développé à Météo-France pourra par ailleurs servir de base au développement du
module "azote" d’ORCHIDEE.
b. Forçage radiatif des aérosols
Une procédure de prise en compte des aérosols et de leurs propriétés optiques, d’activation, de déposition,
… commune aux deux modèles climatiques sera développée.
c. Physique des modèles atmosphériques
Le CNRM et l’IPSL se sont entendus pour développer une bibliothèque commune de schémas de
paramétrisations physiques. Ce projet pluriannuel, initié à la fin de l’année 2002, s’est développé au cours de
l’année 2003, les premières actions consistant à mettre en place un outil de modélisation unidimensionnel destiné
à évaluer les divers schémas. Les développements communs possibles ont été recensés. Le travail futur devrait
voir une convergence pour les modules traitant le rayonnement et les ondes. Les schémas de couche limite,
convection et nuages continueront dans un premier temps à être développés dans chaque groupe, en veillant à
développer des interfaces rendant les paramétrisations facilement transférables. Ces développements constituent
une base pour l'évolution des modèles et la préparation des jeux de scénarios suivants de l’IPCC.
4.4
Conclusion, la modélisation du "Système Terre"
La direction prise par les deux groupes français de modélisation climatique est donc clairement affichée :
partager un grand nombre de développements afin de parvenir plus vite et dans de meilleures conditions
scientifiques à la mise au point de la modélisation du "Système Terre", modélisation réalisée par couplage entre
modèles représentant de façon cohérente, détaillée et validée, les divers compartiments du système ainsi que les
grands cycles qui les traversent. Un schéma en est donné ci-dessous pour ce qui concerne le modèle de l’IPSL
(figure 4.5). Il faut toutefois remarquer que, dans la situation présente, la portabilité des différents modules et
paramétrisations n’est pas encore acquise : à titre d’exemple, si la paramétrisation du cycle atmosphérique de
l’O18 a bien été réalisée par l’IPSL, elle l’a été dans le cadre du modèle ECHAM du Max-Planck-Institut für
Meteorologie de Hambourg, sans que le portage dans le modèle de l’IPSL, portage pourtant nécessaire, attendu
et annoncé, soit encore disponible !
A terme la modélisation du Système Terre" devra pourtant s’appuyer sur une approche encore plus
largement ouverte : l’ensemble des groupes français et européen partageront l’utilisation des diverses briques,
que chacun aura développé en fonction de ses compétences particulières, tout en s’appuyant sur des architectures
logicielles spécialement destinées à faciliter les couplages. C’est bien l’esprit des réflexions qui se sont mises en
place dans le cadre européen d’ENES1, et qui débouchent actuellement sur la pérennisation d’une équipe
européenne multi-nationale de 7 à 8 personnes permanentes, constituée par des contributions volontaires des
organismes (pour la France il s’agit du CNRS et du CERFACS, avec le soutien de Météo-France). L’objectif de
1
European Network for Earth System Modelling
66
cette équipe est d’assurer pour la modélisation du "Système Terre", et au bénéfice de tous les laboratoires
européens, la maintenance et l’évolution du système PRISM, basé sur le coupleur OASIS.
Composantes du modèle IPSL du
Système Terre
Continents
ORCHIDEE
Surface continentale
Physique
Sol et végétation
Atmosphère
Circulation
atmosphérique
STOMATE-LPJ
ORCALIM
Circulation Océanique
Glace de mer
PISCES
Biogéochimie
continentale
Carbone
Océan
LMDz
Biogéochimie et
Biologie marine
C02
Carbone
Carbone
INCA
Chimie
CH4, COV
Aérosols
Chimie
Gaz
&
DMS
Nutritifs
Aérosols
Figure 4.5 : Schématisation des divers modules contribuant à la constitution d’un modèle du "Système
Terre"
En terme de stratégie scientifique, au delà des études de scénarios climatiques, il est désormais critique
d’attribuer « les rôles respectifs des gaz à effet de serre, des aérosols, de la gestion des eaux continentales, de
l’utilisation des sols et des écosystèmes sur la modulation des événements extrêmes à l’échelle régionale lors des
50 dernières années ». S’attaquer résolument à ce questionnement autour du climat nécessite un nouveau type de
programmation de la recherche autour de l’objet « Système Terre ».
Cette prise de conscience se met en place à l’échelle internationale autour de ESSP (Earth System Science
Partnership) liant PMRC-PIGB-IHDP-Diversitas, en particulier par la mise en place de programmes
interdisciplinaires comme COPES (Coordination Observation and Prediction of the Earth System) et AIMES
(Analysis, Integration and Integration of the Earth System). Une telle stratégie reste à mettre en place en France
ou en Europe. Les prospectives conduites en 2005 par la CSOA et les programmes nationaux offrent
l’opportunité d’infléchir la stratégie de recherche française en un tel sens2. Cet enjeu dépasse largement le
prochain quadriennal et engage de facto la prochaine ou les deux prochaines décennies. De plus, à un moment où
la construction de l’espace européen de la recherche passe à la vitesse supérieure, une structuration française
peut largement contribuer à l’émergence d’un ESR/SER européen.
4.5
5. Publications
5.1. Océan global
de Boyer Montégut C., G. Madec, A. Ficher, A. Lazar, and D. Iudicone, 2004 : A Global Mixed Layer
Depth Climatology based on Individual Profiles J. Geophys. Res., 109, C12, C1200310.1029/2004JC002378
2
cf. proposition « Le Système Terre face aux changements globaux : Un défi pour la programmation de la
recherche sur le climat »
67
Doney, S.C., K. Lindsay, K. Caldeira, J.-M. Campin, H. Drange, J.-C. Dutay, M. Follows, Y. Gao, A.
Gnanadesikan, N. Gruber, A. Ishida, F. Joos, G. Madec, E. Maier-Reimer, J.C. Marshall, R.J. Matear, P.
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