M1 ETEC 2014-2015 Climatologie Pierre Camberlin Centre de Recherches de Climatologie - Biogéosciences - UMR 6282 CNRS / uB 1. Du climat global à la mosaïque climatique : éléments du climat et types de climats 1.1 1.2 1.3 1.4 Les températures : facteurs globaux, facteurs locaux de variations L’eau dans le système climatique Les vents Types de climats : zonalité, azonalité 2. L’impact de l’Homme sur le climat 2.1 Les changements d’occupation des sols : déforestation, mise en valeur agricole, urbanisation 2.2 Le changement climatique global Support de cours climatologie.u-bourgogne.fr > équipe actuelle > Pierre Camberlin Réf. bibliographiques générales HUFTY A., 2001 : Introduction à la climatologie. De Boeck Université. BARRY R., CHORLEY R., 2003 : Atmosphere, weather and climate. Routledge BELTRANDO G., 2011 : Les climats : processus, variabilité et risques. Armand Colin BERGER A., 1992 : Le climat de la Terre. De Boeck Université. GODARD A., TABEAUD M., 2004 : Les climats : mécanismes, variabilité, répartition. Arm.-Colin GUYOT G., 1999 : Climatologie de l’environnement. Dunod 1. Du climat global à la mosaïque climatique : éléments du climat et types de climats 1.1 Les températures : facteurs globaux, facteurs locaux de variations Isothermes moyennes annuelles en surface Echauffement différentiel des terres et des eaux (NB : + différences d’albedo) Vents et courants modèrent le froid / chaud des régions polaires / tropicales http://planet-terre.ens-lyon.fr Vents et courants altèrent la répartition zonale des températures Gyres anticycloniques subtropicales => ceinture de vents d’ouest Gyres océaniques => courants de bord ouest / est http://geosun1.sjsu.edu/~dreed/105/exped8/23.html Température moyenne de juillet - normale 1970-2000 (D. Joly, 2007) Amplitude thermique moyenne annuelle (°C) Evolution diurne • Rayonnement solaire incident – Débute à l’aube, maximum à midi (NB : affaibli par temps couvert, mais jamais nul : rayonnement diffus) – Absorption inversement proportionnelle à l’albédo de la surface • Rayonnement terrestre IR (sortant) – Proportionnel à la température (loi de Stefan) – Refroidit la surface • La variation de température est le résultat de l’équilibre / déséquilibre entre ces 2 éléments – RS > IR -> T augmente – RS < IR -> T décroit – RS = IR -> T stable (juste après le lever du soleil, et dans l’après-midi) Amplitude thermique diurne (Tx moins Tn) APPLICATION 1: Analyse des températures moyennes mensuelles de 3 stations bourguignonnes (normales 1971-2000) T MOY (°C) Jan Fév Mar Dijon-Longvic 1,6 3,6 6,6 Auxerre 2,9 4,2 7,1 Détain-et-Bruant 0,7 1,8 4,7 Avr 9,9 9,9 7,1 Mai 13,7 13,4 11,5 Juin 17,2 16,5 14,9 Juil 19,7 19,1 17,5 Aout 19,1 18,8 17,2 Sep Oct Nov Déc 16,1 11,4 5,6 2,3 16,4 11,8 6,2 3,7 14,4 9,8 4,6 2,1 1/ Quels points communs / différences existe-t-il entre les 3 stations ? 2 / Comment quantifier / représenter de façon plus parlante les particularités de chaque station ? 3 / Comment interpréter les différences observées ? APPLICATION 2 : Evolution des températures à Lyon St Exupéry du 22 au 25 mars 2009 Auxerre (212m) Détain-et-Bruant (588m) Dijon (227m) Données : climatologie/u-bourgogne.fr (Source : Weather Underground, “Historique & Almanach”, « Archives météo détaillées ») 1.2 L’eau dans le système climatique Humidité de l’air Évaporation réelle Précipitations Eaux du sol et des nappes souterraines Éléments du cycle de l’eau continental et facteurs physiques qui les contraignent Écoulement Types de précipitations 3 mécanismes (et échelles) différentes Air très instable (chaud + humide à la base, froid en altitude) => ascendance rapide de l’air => cumulonimbus, orage, pluies intenses, assez localisées Franchissement d’un relief par un air chaud humide, vent perpendiculaire au relief => ascendances forcées => pluies sur le versant au vent Soulèvement d’une masse d’air chaud par une masse d’air froid => front => nuages stratiformes + pluies régulières, peu intenses, sur des régions étendues Des événements météo… au climat moyen Quelle géographie des précipitations, et comment l’expliquer ? - type de surface (eau évaporée) ? - "stock d"eau" dans l'atmosphere ? - autres facteurs ? Précipitations moyennes annuelles, données GPCP 2.5°x2.5° (normales 1980-2004, en mm/mois) GPCP Humidité atmosphérique : eau précipitable (kg/m2) m Relation précipitations / altitude km Alpes autrichiennes Régions tropicales Relief Rôle de l’exposition : exemple des Alpes Où les précipitations sontelles les plus fortes dans les Alpes ? Précipitations moyennes annuelles (mm/jour, 1971-1990) (en gras, altitude 800m) Source : Frei et Schär : , IJC, 1998 “A PRECIPITATION CLIMATOLOGY OF THE ALPS FROM HIGH-RESOLUTION RAINGAUGE OBSERVATIONS” Le föhn H H C H2 H3 H1 H0 H2 H3 D H1 B A E précipitations H0 tC tD tB tA tE Morvan Bresse Rôle du relief sur la répartition des précipitations moyennes annuelles en Bourgogne 1.3 Les vents • Vent = expression de différences de pression atmosphérique Moins dense Baisse de pression Air chaud (hémisphère nord) Plus dense Hausse de pression Air froid (relatif) NB : HP et BP peuvent aussi être d’origine dynamique (circul. générale) Anticyclones et dépressions occupent « statistiquement » des localisations préférentielles, résultant de la circulation générale… D A donc certains vents également A A A A D Gradient vertical de la vitesse du vent dans la couche limite h2 ln z0 v 2 (h 2 ) v1 h1 ln z0 h1 h2 z0 v1 v2 hauteur de référence (standard = 10m) [m] hauteur-cible [m] paramètre de rugosité [m] vitesse mesuréesdu vent à la hauteur h1 [m/s] vitesse du vent estimée à h2 [m/s] • Vents locaux Circulations de pentes : effet thermique Cycle diurne des brises de versants. Modèle de UrferHenneberger (1964), d’après Smith (1979) Lac Victoria : Brise de lac et interactions avec le vent dominant Roses des vents de quelques stations françaises Quels facteurs explicatifs, et à quelle échelle ? 1.4 Types de climats : zonalité, azonalité Échelle planétaire : classification de Köppen De l’échelle globale à l’échelle régionale - Remarquer les emboîtements LES CLIMATS DE LA FRANCE ST-BRIEUC MONT-DE-MARSAN STRASBOURG MONTPELLIER Les facteurs d’azonalité : Exemples de déterminants Exemples de processus (NB : les effets peuvent être tant locaux que déportés : ex : effet maritime sur et à qq km du bord de mer ; effet océanique jusqu’à plusieurs centaines de km du littoral) Échelle large Type de surface ‘Continentalité’ Mousson… Relief Jet d’altitude Échelle fine Océan / continent Brises terre / mer Brouillards d’advection… Terres cultivées / Forêt ; Ville / campagne ; Lac / terres … Brises Ralentissement vent Îlot de chaleur urbain… Altitude de la surface Refroidissement Massif montagneux Canalisation des flux Effet de föhn… Versants - Vallées Brises de pentes Réchauffement adrets… 2. L’impact de l’Homme sur le climat 2.1 Les changements d’occupation des sols A/ Déforestation et mise en valeur agricole Foley et al. 2003 Réponse climatique à la déforestation amazonienne Hahmann et Dickinson, J. Climate, aout 1997 Paramétrisation de la végétation actuelle Modèle NCAR, avec schéma de transfert biosphère-atmosphère « BATS » t-test Amazonie t-test Amazonie Hahmann et Dickinson, J. Climate, aout 1997 Bilan : différencier forêt boréale / forêt tropicale Boreal deforestation causes net cooling Converse: Boreal afforestation causes net warming: (Efforts to address C sequestration alone are counter-productive) Bala et al. 2007 Tropical deforestation causes net warming Converse: Tropical afforestation causes net cooling Bala et al. 2007 L’effet des forêts tempérées reste incertain Effets des pratiques agricoles : effets microclimatiques B/ L’urbanisation L’îlot de chaleur urbain : détection Aire urbaine de Tours : Températures moyennes mensuelles, été 2004 (Berthelot et Génin, 2005) Relation entre taille de la ville et îlot de chaleur urbain Quelle est l'origine de l'ICU ? Le bilan énergétique de la ville (Escourrou, « Le climat et la ville », 1991) 5 facteurs majeurs susceptibles de modifier le bilan... donc la température : Bilan : principales modifications du climat en milieu urbain, par rapport à l’espace rural environnant (adapté de Bessemoulin, 1980) 2.2 Le changement climatique global - Bibliographie : •Béniston M., 2012 : Changements climatiques et impacts : De l'échelle globale à l'échelle locale. PPUR, 247p. •Félice de P., 2001 : L’effet de serre. Un changement climatique annoncé. L’Harmattan, 176 p. •GIEC, 2013 : Climate Change 2013 : IPCC Fifth Assessment Report (AR5). www.ipcc.ch •Jousseaume S., 1999 : Climats d'hier à demain , CNRS Editions, 200 p. •Jouzel J. et A. Debroise, 2004 : Le climat : jeu dangereux ; quelques prévisions pour les siècles à venir. Dunod, 212 p. •Jancovici JM., 2002 : L’avenir climatique, Quel temps ferons-nous ? Seuil (Science ouverte), 285 p. •Kandel, R., 2002 : Le réchauffement climatique. Que sais-je N° 3650. PUF, 127 p. •Le Treut H. et JM Jancovici, 2004 : L’effet de serre : allons-nous changer le climat ? Champs Flammarion. 222 pages. •Petit, M., 2003 : Qu’est-ce que l’effet de serre ? : ses conséquences sur l’avenir du climat. Vuibert, 128 p. •Sadourny R., 1994 : Le climat de la Terre , Flammarion (coll. Dominos), 96 p. A/ Les signes d'un changement 2012 2013 + 0.8 °C en 100 ans Source : Hansen, 2013 – GISS data ; base period is 1951-1980 Voir aussi : http://www.columbia.edu/~mhs119/Temperature/ Evolution de la température au XXe siècle (+ = tendance significative p=0,95) La hausse de température est quasi universelle, mais pas uniforme (source : rapport du GIEC, 2013) Les changements concernent un grand nombre d'indicateurs directs ou indirects du climat, dans toutes les composantes du système TOA 1901-2010 : + 19 cm (source : rapport du GIEC, 2013) B / L’effet de serre : effet naturel, effet anthropique http://planet-terre.ens-lyon.fr/ Les activités humaines perturbent le cycle du carbone. 50% du C rejeté par l’Homme est absorbé par les sols, l’océan, la végétation (puits) 50% s’accumule dans l’atmosphère Stocks et flux naturels en noir Stocks et flux d’origine anthropique (/an) en rouge (source : Université de Liège) Principaux gaz à effet de serre Sources d’émission Concentrations avant la RI Concentrations en 2011 (ppMv = parties par million ; ppmv = parties par milliard) Forçage radiatif dû à l'augmentation des concentrations (et % de l'ES additionnel) CO2 Gaz carbonique Combustibles fossiles Combustion de biomasse Production de ciment Végétaux 280 ppMv 390 ppMv +1,8 W/m2 (55%) 75 % des émissions actuelles de GES CH4 Méthane Activités humaines : 60% Rizières Zones marécageuses Ruminants, déjections animales Combustion de biomasse Combustibles fossiles 0,75 ppmv 1,8 ppmv +0,5 W/m2 (15%) Excellent absorbant dans l’infrarouge (à masse égale, 58 fois plus efficace que le CO2) N2O Oxyde nitreux Incertaines : Océans Sols forestiers Combustions ; engrais azotés 270 ppmv 324 ppmv +0,15 W/m2 (5%) HFC Hydrofluorocarbures (+CFC) Industrielles (réfrigérants [ex : climatisation d'automobiles], mousses des extincteurs et matériaux d’emballage) +0,4 W/m2 (11%), avec les CFC (auj.interdits). Très forte absorption dans l’infrarouge (bandes spectrales CO2 ou H2O) O3 Ozone Polluant secondaire : réactions chimiques liées à émissions de polluants primaires (lors des combustions principalement) +0,4 W/m2 (11%) H2O Vapeur d'eau Evaporation Combustion de biomasse Trainées de condensation des avions (H2O stratosphérique : <5%) NB : Contribue pour + de 50% à l’effet de serre “naturel”. Evolution des forçages radiatifs globaux entre 1750 et 2011 (IPPC, 2013) C / Le climat futur Quelle représentation du climat actuel par les modèles climatiques ? Comparaison entre données instrumentales et des simulations produites par des modèles climatiques forcés par : (a) paramètres solaires et volcaniques seuls (b) GES, ozone stratosphérique et troposphérique, et aérosols sulfatés (c) para. naturels et anthropiques Comment réaliser les projections ? Les scénarii d'émission : A quelles trajectoires socio-économiques correspondent-ils ? milliards de tonnes de C (source : rapport du GIEC, 2013) Projections de température en fin de siècle : entre +1 (RCP2.6) et + 4°C (RCP8.5) Barres d'incertitude : liées aux modèles. Mais les différences liées aux scénarii socio-économiques sont encore plus importantes. Le scénario 2.6, assez improbable, n'empêche pas le réchauffement mais le contraint dans des limites acceptables (<2°C) Températures pointillés = changement significatif + accord entre les modèles hachures = changements d’amplitude < variabilité interne du climat réchauffement quasi-généralisé, plus marqué dans les regions polaires (arctique principalement : jusqu'à +11°C) et sur les continents Précipitations RCP2.6 RCP8.5 pointillés = changement significatif + accord entre les modèles hachures = changements d’amplitude < variabilité interne du climat évolutions contrastées et plus incertaines augmentation très problable dans les hautes latitudes diminution probable dans la majorité des régions subtropicales Temps de réponse variés des différentes composantes du système climatique “Anthropogenic warming and sea level rise would continue for centuries due to the timescales associated with climate processes and feedbacks, even if greenhouse gas concentrations were to be stabilized”. “Temperatures in excess of 1.9 to 4.6°C warmer than pre-industrial sustained for millennia => eventual melt of the Greenland ice sheet. Would raise sea level by 7 m” Evolution des distributions statistiques dans des simulations du climat futur (exemple des températures) Ce sont les extrêmes des distributions qui montrent le plus de changement La chaleur estivale 2003 Rien ne permet de dire que la canicule 2003 est due au réchauffement du climat Tout est dans la répétition des phénomènes Les valeurs atteintes sont assez similaires à celles prédites par les modèles dans les décennies à venir Impacts : qualité de l’air ; santé Le niveau marin 4ft = 1,2m Estimations revues à la hausse depuis l'AR4 La hausse esr substantielle même dans le scenario RCP2.6