impact du changement climatique sur les réseaux de chaleur

IMPACT
DU CHANGEMENT
CLIMATIQUE SUR LES
RÉSEAUX DE CHALEUR
Auteurs : C. Déandreis (IPSL), P. Braconnot (IPSL), S. Planton (CNRM-GAME.
Etude réalisée pour l’entreprise DALKIA
Etat des connaissances
sur l’amplitude journalière de température
Résumé
Définition
Cette fiche propose un bilan de la littérature en date
de mai 2009 sur l’amplitude journalière de température. Les études effectuées à ce jour décrivent l’évolution passée de l’amplitude journalière de température
et proposent des projections pour le siècle prochain.
La moyenne annuelle globale (océans et continents)
de cette amplitude de température a diminué d’environ 0.07°C par décennie depuis 1950. Cette diminution provient d’une augmentation plus rapide du
minimum journalier de température (Tmin) que du
maximum journalier de température. A l’échelle globale, l’amplitude diurne de température devrait continuer à décroître au cours du siècle prochain suite à
l’intensification du réchauffement climatique (Meehl
et al., 2007).
Au niveau régional, la tendance est plus contrastée.
En particulier le Sud de l’Europe, la Chine Orientale
et le Sud-Est des Etats-Unis présentent un accroissement de leur amplitude journalière de température.
Ces contrastes devraient s’accroître au 21ème siècle.
A ce jour aucune étude n’a été réalisée sur l’évolution des valeurs extrêmes et de la variabilité de l’amplitude journalière de température.
L’amplitude journalière de température ou amplitude diurne de température (souvent notée DTR pour
« Diurnal Temperature Range ») correspond à l’écart
maximal de température au cours d’une journée de
24h (ou écart intra-journalier de température), en un
lieu donné. Elle est exprimée en degrés Celsius (°C)
ou degrés Kelvin (K)1. Elle est définie comme la différence entre la température maximale journalière
(Tmax) et la température minimale journalière (Tmin) :
DTR = Tmax − Tmin
Facteurs influençant l’amplitude
journalière de température
L’analyse de l’amplitude journalière de température
passe au préalable par celles des deux termes qui la
composent : le Tmax et le Tmin. Leurs variations respectives ne sont pas contrôlées par les mêmes mécanismes physiques.
Le Tmax est atteint au cours de la période d’ensoleillement. Il dépend de la quantité de rayonnement
solaire absorbée par la surface de la Terre. L’influence
du rayonnement IR sur le Tmax est alors négligeable.
L’importance du réchauffement diurne dépend des
facteurs suivants :
❚❚ le taux d’insolation : il est plus important en milieu
de journée et en été ;
❚❚ la couverture nuageuse : elle renvoie plus ou moins
le rayonnement solaire vers l’espace en fonction de
son épaisseur (une couverture nuageuse très épaisse
empêche tout réchauffement diurne) ;
1. Formule de conversion entre le °C et le K : K = °C + 273,15
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CLIMATIQUE SUR LES RÉSEAUX
DE CHALEUR
❚❚ le vent : il dilue la couche d’air chaud située près du
sol dans de l’air non réchauffé et empêche ainsi son
réchauffement. Un fort vent peut empêcher tout réchauffement diurne. Le vent peut aussi rapidement
remplacer une masse d’air froid par une masse d’air
chaud, ou inversement.
❚❚ l’albédo du sol2 : une surface telle que la neige possède un fort albédo, elle réfléchit la quasi-totalité de
l’énergie solaire qui atteint la surface et empêche
ainsi le réchauffement diurne de l’air subjacent.
❚❚ Les particules atmosphériques (ou aérosols) : elles
absorbent et réfléchissent le rayonnement solaire.
Leur effet moyen tend à réduire les températures
maximales.
❚❚ l’humidité de l’air peut également jouer un rôle
important en absorbant une partie du rayonnement
dans le proche infrarouge
❚❚ l’inertie thermique : elle dépend de la nature et de
l’humidité du sol. Plus elle est importante (sol très
humide par exemple), plus la température maximale est réduite.
En revanche le Tmin est atteint au cours de la nuit. Le
sol se refroidit par émission de rayonnement infrarouge et refroidit la couche d’air qui est à son contact.
L’importance du refroidissement dépend :
❚❚ de la couverture nuageuse : les nuages renvoient le
rayonnement infrarouge vers le sol, comblant le déficit énergétique. Une couverture nuageuse épaisse
empêche le refroidissement nocturne.
❚❚ l’humidité de l’air : elle absorbe une partie du
rayonnement dans le proche infra-rouge et empêche le refroidissement nocturne.
❚❚ du vent : il dilue la mince couche d’air froid dans
de l’air non refroidi. Plus le vent est fort, moins la
baisse de température est sensible. Un fort vent empêche le refroidissement nocturne.
❚❚ de l’émissivité du sol : plus le sol rayonne (infrarouge), plus il se refroidit en surface. C’est le cas de
la neige.
❚❚ l’inertie thermique : elle dépend de la nature et de
l’humidité du sol. Plus elle est importante (sol très
humide par exemple), plus la température minimale est réduite.
De ces constatations sur Tmax et Tmin on déduit que
le couvert nuageux tend à réduire l’amplitude journalière de température (réduction du refroidissement
2. L’albédo d’une surface est le rapport entre la quantité de rayonnement reçu
et celle réfléchie
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nocturne et du réchauffement diurne). En revanche
elle sera forte lors de journées ensoleillées et sans
vent.
D’autres facteurs peuvent influencer l’amplitude
journalière de température (DTR) :
❚❚ l’hygrométrie : le DTR est d’autant plus fort que
la position du lieu est continentale. Au contraire la
présence de masses océaniques diminue les écarts
intra-journaliers de température; l’eau jouant le rôle
de régulateur thermique. La présence de lacs ou
d’eau dans le sol (voir ci-dessus inertie thermique)
suffit à réduire cet écart de température.
❚❚ La latitude : plus on est près de l’équateur, plus la
variation d’énergie apportée par le soleil est grande
entre le jour et la nuit
❚❚ Le relief : le DTR augmente quand on s’élève en altitude. L’épaisseur de l’atmosphère s’amoindrit avec
l’altitude. Ainsi, en journée, la couche atmosphérique diffuse moins le rayonnement solaire incident
vers l’espace (le Tmax augmente plus facilement). En
revanche, au cours de la nuit, le rayonnement infrarouge est moins fortement piégé par les gaz à effet
de serre (nuits très froides).
Le Tableau 1 résume l’impact de ces différents facteurs sur le Tmax, le Tmin, et sur le DTR.
Facteurs
Nuage
Vent
Albédo
Emissivité
Latitude
Hygrométrie1
Relief
Tmax
∕
+
∕
Tmin
+
+
∕
+
∕
+
-
DTR
+
+
TABLEAU1 Impact de différents facteurs sur les variations des maximum, minimum et écart intra-journalier de température.
Evolution historique récente
de l’amplitude diurne de température
Les incertitudes associées aux études de l’amplitude
diurne de température sont en général importantes
car elles cumulent d’une part les incertitudes sur
l’estimation du maximum de température et d’autre
part celles sur le minimum de température. Ces incertitudes sont d’autant plus importantes que la zone
étudiée est restreinte (régional vs global). Cependant
plusieurs études ont permis de faire ressortir des tendances significatives d’un point de vue statistique au
moins au niveau global.
a) 1950-2004
a) 1950
- 2004
a) 1950 - 2004
b) 1979
b) 1979-2004
- 2004
b) 1979 - 2004
FIGURE 1
Evolution de l’anomalie annuelle moyenne globale
(océans et continents) de la température maximale (haut), de la
température minimale (milieu) et de l’amplitude journalière de
température (bas) sur la période 1950-2004 par rapport à la normale 1961-1990 (issue de Vose et al., 2005).
Tendances annuelles
La Figure 1 présente l’évolution des anomalies annuelles de température maximales, minimales et de
DTR par rapport à la période 1961-1990.
L’analyse des températures maximales et minimales relevées quotidiennement à la surface des
terres émergées pendant la période 1950-2004
montre que l’écart maximal de température observé au cours d’une journée est en nette diminution (-0.0666°C par décennie). Globalement, on
observe un réchauffement aussi bien des températures minimales que des températures maximales.
Cependant les températures minimales augmentent environ 1,5 fois plus vite que les températures
maximales (0,204 °C contre 0,141 °C par décennie). Sur cette période, la réduction de l’amplitude
diurne de température est de même ampleur que le
réchauffement moyen.
Sur la période 1979-2004, l’écart de température
mesurée au cours de la journée se stabilise. Sur la
période 1979-2004, les tendances de Tmax et Tmin sont
très proches (0.287°C vs 0.295°C par décennie). La
tendance (-0,001°C par décennie) n’est pas statistique-
FIGURE 2 Tendance des anomalies de DTR pour les périodes 19502004 (a) et 1979-2004 (b). Grille à la résolution 5°x5° (issue de Vose
et al., 2005)
ment significative à 5% sur cette période (tendances
des Tmax et Tmin trop proches).
Il n’existe pas de jeux de données adaptées pour
étendre cette étude au début du 20e siècle.
Distribution géographique
Les planisphères de la Figure 2 représentent les
anomalies régionales de l’amplitude diurne de température pour la période 1950-2004 et pour la période
1979-2004. Les anomalies ont été calculées par rapport à la période 1961-1990.
Sur la période 1950-2004 (Figure 2.a), on constate
que la réduction de l’écart maximal de température
au cours d’une journée touche l’ensemble du globe
à l’exception de quelques régions (Nord-Est du Canada, Sud de l’Argentine, Sud est de l’Australie). Ces
résultats issus de l’étude de Vose et al. (2005) ont été
confirmés par plusieurs études régionales (Bonsal et
al. 2001 ; Wibig et Glowicki, 2002 ; Kruger et Shongwe, 2004 pour le Canada, la Polande et l’Afrique du
sud respectivement).
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IMPACT DU CHANGEMENT
CLIMATIQUE SUR LES RÉSEAUX
DE CHALEUR
En revanche sur la période 1979-2004 (Figure 2.b),
la tendance de l’amplitude journalière de température
est beaucoup plus hétérogène. On observe même une
augmentation de cet écart de température sur de nombreuses régions dont le Sud-Est des Etats-Unis, une
grande partie de l’Europe et le Sud-Est de la Chine.
Causes physiques de la décroissance du DTR
Les causes physiques de cette diminution de
l’écart de température intra-journalier sont encore
incertaines. En particulier peu d’études ont été menées à ce sujet. De plus elles ont souvent été réalisées à
partir de jeux de données restreints. Les résultats présentés ci-dessous sont donc à prendre en compte avec
précaution. Ils sont susceptibles d’évoluer rapidement
en fonction des prochaines études qui paraîtront sur
ce sujet.
La réduction de l’amplitude journalière de température a été mise en relation avec l’augmentation des
émissions anthropiques de polluants (gaz à effet de
serre et aérosols).
Les aérosols, particules en suspension dans l’atmosphère, réfléchissent le rayonnement solaire incident.
Ils diminuent ainsi la température de surface diurne
(Tmax). L’augmentation du nombre de ces aérosols du
fait des activités humaines a longtemps été un argument en faveur de la décroissance de l’écart de température intra-journalier. Cependant une étude (Stone et
Weaver, 2002) montre que l’effet des aérosols est négligeable (effet direct des aérosols compensé par leur
rétroaction sur la vapeur d’eau). Ainsi la décroissance
de cet écart de température résulterait uniquement de
l’augmentation des concentrations de gaz à effet de
serre dans l’atmosphère.
Stone et Weaver (2003) ont également montré que
l’amplitude journalière de température est plus sensible aux rétroactions du changement climatique
qu’à l’effet direct de l’augmentation des concentrations de gaz à effet de serre (augmentation du Tmin induit par l’augmentation de l’effet de serre). Dans une
étude statistique, ils montrent que l’augmentation du
couvert nuageux et l’augmentation de l’humidité dans
le sol sont les principales causes de la réduction de
l’amplitude journalière de température pour la plupart des cas étudiés.
L’augmentation du couvert nuageux (impact
plus fort des nuages bas précipitant) induit une
réduction de l’énergie solaire qui atteint la surface (réduction de T max) et capture l’énergie infrarouge qui s’échappe de la surface au cours de la
nuit (augmentation de T min)
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L’augmentation de l’humidité dans le sol permet
d’une part un refroidissement plus rapide de la surface au cours de la journée grâce au processus d’évaporation et d’autre part atténue l’augmentation de la
température au cours de la journée via l’augmentation
de la capacité thermique du sol.
Une exception à cette règle : l’hiver aux moyennes
latitudes où la neige peut recouvrir le sol. Elle isole
alors la surface (empêche l’effet de l’humidité dans le
sol) et en augmente les propriétés réflectives (ce qui
réduit l’impact de la réflexion du rayonnement solaire
par les nuages).
La question de l’impact du changement de l’utilisation des sols a également été posée (Stone et Weaver, 2003). Il semblerait que ce facteur puisse avoir un
effet non négligeable sur l’amplitude journalière de
température à l’échelle locale et régionale.
A ce jour, il n’existe pas dans la littérature d’éléments explicatifs concernant la stabilisation de l’amplitude diurne de température à partir de 1979.
Performance des modèles – validation
sur la période historique
Le changement observé de l’amplitude du cycle
diurne de température est plus important que celui
simulé par la plupart des modèles (-0.08°C contre
-0.02°C par décennie sur la période 1950-1993).
L’étude de Stone et Weaver (2002) montre que
dans l’hémisphère Nord, leur modèle sous-estime la
tendance de l’amplitude journalière de température
principalement à cause d’une surestimation du Tmax
en été et en automne et à d’une sous-estimation du
Tmin au printemps et en hiver. Dans l’hémisphère Sud,
les conclusions sont plus incertaines en raison du
manque de données (peu de stations de mesures).
Dans cette étude, les écarts modèles/observations
sur la tendance de l’amplitude journalière de température ont principalement été attribués à la mauvaise
représentation de l’augmentation de la couverture
nuageuse par les modèles.
Amplitude journalière de température
et changement climatique futur
L’écart maximal de température mesuré au cours
d’une journée devrait continuer à décroître dans le
futur suite à l’intensification du réchauffement climatique (Figure 3.a).
Cependant cette décroissance n’affecte pas l’ensemble du globe. Le sud des Etats-Unis, l’Amérique
a) Amplitude diurne de température (°C)
a) Diurnal temperature range (°C)
b) fraction nuageuse totale (%)*
b) Total cloud fraction (%)*)
Figure 10.10.
FIGURE 3 Modification de l’amplitude diurne de température (a) et de la fraction nuageuse totale (b) entre les périodes 2080-2099 et 19801999. Résultats obtenus à partir de l’ensemble des modèles du 4e rapport du GIEC pour le scénario A1B. Au dessus des zones hachurées,
le résultat est consistant entre les modèles (moyenne des modèles supérieure à leur écart-type). Figure issue de IPCC, TAR, chap 10.*
La fraction nuageuse correspond à la fraction de grille du modèle recouverte de nuages. Elle s’oppose à la fraction de ciel clair (sans nuage). Elle
s’exprime en pourcentage.
Latine, l’Afrique du Sud, l’Europe du Sud, la Chine de
l’Est et le Sud de l’Australie connaitraient une croissance non négligeable de leur amplitude journalière
de température. La modification de cet écart de température (positif ou négatif) pourrait atteindre une
amplitude de 0.5°C d’ici la fin du siècle dans certaines
régions (résultat cohérent entre les modèles ayant
participé à l’étude).
Comme pour les tendances historiques, le changement futur de l’écart intra-journalier de température est fortement lié à la modification du couvert
nuageux total (Figure 3.b). Il diminue au dessus des
régions où le couvert nuageux se densifie et inversement augmente dans les régions où le couvert
nuageux diminue.
En ce qui concerne la zone Europe, il existe un fort
contraste entre le Sud de l’Europe (croissance forte
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des écarts intra-journaliers de température) et le Nord
de l’Europe (décroissance de ces écarts). Les résultats
sont consistants entre les modèles pour les extrêmes
Sud et Nord de la région.
Au dessus de la Chine, on observe également de très
fortes disparités régionales entre le plateau Tibétain
(décroissance des écarts intra-journaliers de température) et la Chine Orientale (croissance de ces écarts).
Cependant, la réponse des modèles est moins fiable
sur cette partie du globe.
A ce jour, aucune étude détaillée n’a été menée pour
expliquer ces contrastes mais, en Europe, les changements de couverture nuageuse devrait jouer un rôle
important comme le suggère la Figure 3.
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Commentaires supplémentaires
(en lien avec le projet)
Il ressort de ce bilan de la bibliographie, trois points
d’intérêt pour l’étude de l’indicateur de vulnérabilité
défini dans la fiche « indicateur de vulnérabilité : élaboration et analyse » de ce dossier :
1) L’Europe et la Chine peuvent être scindées en
deux zones dans lesquelles l’amplitude journalière de
température montre des tendances de signes opposés
(Nord versus Sud pour l’Europe, et Est versus Ouest
pour la Chine). Il sera important de tenir compte de
ce contraste pour effectuer l’analyse de l’indicateur de
vulnérabilité portant sur l’amplitude diurne de température. Une analyse de ce contraste sera sans doute
nécessaire pour comprendre l’évolution régionale de
notre indice climatique dans le futur.
2) L’ensemble des études ayant servi à rédiger cette
fiche traitent de l’évolution de la valeur moyenne de
l’amplitude diurne de température. Or, dans le cadre
du projet INVULNERABLe, l’étude de la moyenne
n’est pas suffisante. Elle doit être complétée par
l’analyse des extrêmes (95e quantile par exemple),
de l’étude de la variabilité du signal, de son cycle annuel… A ce jour, il n’existe pas dans la littérature de
telles études.
INVULNERABLe | DALKIA Etat des connaissances > PAGE 6
3) Dans le cadre de travail du projet INVULNERABLe, nous nous intéressons principalement aux
forts écarts de température intra-journaliers et plus
spécifiquement à la probabilité de voir apparaître des
écarts journaliers de température anormalement élevées par rapport à ce que nous connaissons actuellement. La décroissance de la moyenne globale de l’amplitude diurne de température (DTR) n’entraine pas
systématiquement une diminution de la fréquence
des valeurs anormalement élevées. En effet :
❚❚ la tendance de la moyenne n’est pas proportionnelle
à celle des extrêmes. Si la moyenne de l’amplitude
journalière de température diminue la probabilité
d’avoir de fortes valeurs de DTR ne diminue pas
pour autant. Il est donc nécessaire d’étudier plus
spécifiquement la forme de la distribution du DTR
et son évolution future (cf point 3)
❚❚ La moyenne globale n’est pas représentative des
disparités régionales. D’ailleurs on constate une
augmentation de l’écart intra-journalier de température sur certaines de nos régions cibles (Chine
orientale, Europe du Sud)
Bibliographie
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