CM climatologie - Centre de Recherches de Climatologie

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