II - Études de l`évolution du climat et des effets anthropiques

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Contractualisation Vague D 2010-2013
Laboratoire de Météorologie Dynamique
II - Études de l'évolution du climat et des effets anthropiques
Depuis plusieurs décennies, les physiciens du climat anticipent qu'une augmentation de la concentration
atmosphérique en gaz à effet de serre est susceptible d'entraîner un réchauffement global du climat. Ces prévisions,
théoriques d'abord, corroborées ensuite par de nombreuses études de modélisation, semblent désormais confirmées par
un faisceau d'observations. Depuis le début de l'ère industrielle, la Terre se réchauffe à un rythme qui s'accélère,
particulièrement depuis le début des années 80, entraînant une modification du climat (Giec 2007). Les questions déjà
souvent posées sur l'attribution de telle vague de chaleur ou tempête à la variabilité naturelle ou au changement
anthropique vont se faire de plus en plus pressantes, ainsi que les besoins d'anticipation des changements futurs, à la
fois à long terme mais aussi pour les décennies à venir.
Afin de tenter d'apporter des réponses à ces questions, nous effectuerons des recherches selon trois directions.
En premier, nous participerons à l'étude du changement climatique global, en cours et à venir. Un des enjeux
majeurs est d'accroître la confiance dans les projections futures du changement climatique. Le 4ème rapport du Giec a en
effet montré que la dispersion des projections du changement climatique pour un scénario donné d’augmentation des
gaz à effet de serre n'a pas décru depuis le précédent rapport, même en ce qui concerne l'amplitude du réchauffement
global (qui selon les modèles varie de +2 à +4,5 degrés pour un doublement de la concentration de CO 2). Cette
dispersion entre modèles résulte principalement de différences dans les processus et rétroactions atmosphériques, liés
notamment à la réponse des nuages. Augmenter la confiance dans les projections climatiques passera donc par
l'identification des mécanismes impliqués, ainsi que par l'amélioration et l'évaluation de la représentation de ces
mécanismes dans les modèles de climat. Les évolutions liées au réchauffement global, qu'elles concernent les nuages, le
cycle hydrologique, le bilan radiatif ou la circulation de grande échelle, devraient s'amplifier dans les prochaines années
ce qui devraient permettre de les distinguer de mieux en mieux de la variabilité décennale naturelle.
En second, nous explorerons les liens entre changement global et météorologie. Au-delà de l’amplitude du
réchauffement global, la question est de savoir donner un sens à ce changement en terme de climat sensible (occurrence
d'évènements extrêmes, tempêtes, vagues de chaleurs, précipitations) et d'identifier les mécanismes régionaux qui
viennent se combiner au changement global pour déterminer les évolutions régionales du climat.
Enfin en troisième, nous étudierons les changements abrupts et les bifurcations possibles dans le système climatique.
Pour ces différents aspects, l’accent sera mis sur la compréhension des mécanismes physiques et climatiques et sur
les recherches amont, nécessaires pour les applications - dont certaines sont développées ici - comme les projections du
changement climatique futur et la détermination de leurs possibles impacts. Beaucoup de questions fondamentales sur la
physique et la dynamique du climat, critiques pour les questions d'adaptation et de mitigation liées au changement
climatique, sont en effet encore largement ouvertes.
II-1 Étude du changement climatique en cours
Si le réchauffement global de la planète semble se confirmer, de nombreuses questions restent en suspens par
exemple quant à l’amplitude des changements en température ou quant au signe même des changements de
précipitation sur les continents, variable souvent cruciale pour les sociétés et les écosystèmes.
Parallèlement au réchauffement global, une évolution lente de différentes variables climatiques - vapeur d'eau,
nuages, bilan radiatif, circulation atmosphérique, etc. - est constatée. Cette évolution est susceptible d'être à la fois le
reflet de la variabilité naturelle du climat aux échelles décennales et la signature du réchauffement global. Avec
l'augmentation continue du forçage anthropique, la comparaison entre les tendances observées et celles qui sont
simulées par les modèles climatiques devrait permettre peu à peu d'évaluer, de façon plus directe que par le passé, la
capacité des modèles à simuler la sensibilité du climat à un forçage externe. Il semble d’ores et déjà que, pour beaucoup
de variables climatiques, les changements observés au cours des deux dernières décennies soient d'amplitude supérieure
à ceux qui sont simulés par les modèles climatiques sur la même période. Les modèles climatiques sous-estiment-ils la
variabilité décennale du climat, ou bien l'impact climatique des forçages anthropiques ?
La demande de prévisions du changement climatique pour les prochaines décennies se fait également de plus en plus
pressante. Les projections séculaires effectuées dans le cadre du Giec avaient, jusque-là, pour objectif d’estimer la
modification du climat en réponse à l’augmentation des gaz à effet de serre. La réalisation de véritables prévisions
climatiques nécessite d’évaluer les modèles dans leur capacité à simuler à la fois la variabilité naturelle décennale et les
tendances anthropiques et d’initialiser les composantes lentes du système (océan et surfaces continentales notamment),
alors que la prévisibilité du système à ces échelles de temps n’est pas encore établie.
Pour aborder ces questions, l’effort portera tout d’abord sur l’analyse de l'évolution d'un grand nombre de variables
climatiques, issues notamment d’observations de satellites ou de ré-analyses météorologiques, de façon à juger de la
cohérence des changements observés et donc de leur crédibilité. Nous examinerons l'évolution des dernières décennies
au travers des longues séries d'observations disponibles, de façon à déterminer si elle relève d'un mode de variabilité
naturelle déjà observé (et, le cas échéant, comprendre l'origine de cette variabilité) ou d'une tendance récente. Cet aspect
implique un travail important d’algorithmie pour l'inversion des données, d’homogénéisation de séries longues et de
mise à disposition de produits d'intérêt climatique. Le laboratoire est à ce titre impliqué dans la production de plusieurs
climatologies portant sur les propriétés des nuages, les propriétés des aérosols, les concentrations en gaz à effet de serre
(CO2 et CH4) et d’autres traceurs, l'émissivité des surfaces continentales ou sur les profils atmosphériques de
température et vapeur d'eau. Il participe, à plusieurs programmes d’évaluation et d'inter-comparaison de climatologies
établis dans le cadre de projets internationaux comme le Programme Mondial de Recherche sur le Climat (WCRP),
certaines fois en tant que coordinateur (Gewex cloud assessment).
L’effort portera ensuite sur l’analyse des mécanismes du changement climatique et la prévision des changements
futurs. Un des éléments structurants de ces recherches est la réalisation de simulations numériques du climat – dans le
cadre du WCRP et du Giec notamment - avec le modèle atmosphérique LMDZ développé au laboratoire, couplé aux
autres composantes du systèmes climatique au sein du modèle couplé dont le développement est coordonné par le
« pôle modélisation » de l’IPSL. Les progrès dans la compréhension des mécanismes impliqués passeront par des allerretour entre le travail sur le contenu physique du modèle (expérience de sensibilité et développement de
paramétrisations) et les expériences de changement climatique. L’évaluation des modèles est un élément clef en la
matière. Dans les prochaines années, nous mettrons l’accent sur le développement de méthodologies et d’outils
permettant de comparer les résultats de simulations numériques aux séries longues d’observations mentionnées plus
haut. Nous utiliserons des simulateurs d’observations qui fournissent ce que verrait un instrument qui observerait
l’atmosphère simulée ainsi que des méthodes d’analyse qui stratifient les observations et les résultats de modèles en
fonction des situations météorologiques (classification par rapport à la vitesse verticale à grande échelle dans les
tropiques, régimes de temps dans les moyennes latitudes). L’analyse des mécanismes impliqués dans le changement
climatique passera également par l’utilisation de modèles de complexités intermédiaires ou de configurations idéalisées
de modèles complexes.
Ces recherches se concentreront autour de trois thèmes. Nous nous intéresserons d’abord aux interactions entre le
rayonnement, les nuages et les précipitations dans les tropiques, dont les récentes études ont montré qu’elles dominaient
encore la dispersions des réponses des modèles à un changement anthropique de la concentration des gaz à effet de
serre. Puis, nous considérerons le changement climatique dans la stratosphère en liaison avec l’évolution de l’ozone
stratosphérique et des gaz à effet de serre et nous nous intéresserons à l’impact des changements stratosphériques sur la
troposphère. Enfin, nous porterons un intérêt particulier à la documentation et au rôle des surfaces continentales, à la
fois dans leur couplage avec le système climatique et dans le contrôle de la concentration des gaz à effet de serre
comme le dioxyde de carbone ou le méthane.
II-1-1 Troposphère : vapeur d'eau et nuages
Les rétroactions climatiques liées aux nuages et à la vapeur d’eau contrôlent pour une large part l’amplitude et la
structure du changement climatique, en termes de températures mais aussi de précipitations. Nous nous intéresserons à
la vapeur d’eau troposphérique qui est associée à une rétroaction positive considérée comme relativement bien connue,
mais dont l’amplitude est telle que de légères variations peuvent induire des effets importants sur la sensibilité
climatique. De plus, la vapeur d’eau est étroitement couplée à la physique des nuages et à la circulation atmosphérique.
Nous nous focaliserons ensuite sur les nuages bas (reconnus comme les principaux responsables de la dispersion des
estimations de la sensibilité climatique dans le dernier rapport du Giec), sur les précipitations et sur la circulation
générale atmosphérique dans les tropiques. Enfin, nous considérerons les nuages hauts qui sont une source potentielle
d’incertitude sur le changement climatique futur. En effet, même s’ils sont peu impliqués dans la divergence constatée
des simulations du changement climatique, leur importance pourrait être sous-estimée du fait d’un manque de
connaissance physique et microphysique et de la piètre représentation qui en est fait dans les modèles de climat.
Vapeur d’eau
L.Picon, R.Roca
Après une époque, dans les années 90, où certains allaient jusqu’à mettre en question le signe même de la rétroaction
vapeur d’eau, nos connaissances des mécanismes et processus contrôlant la distribution d'humidité ainsi que les détails
de l'interaction entre rayonnement ondes longues et humidité se sont beaucoup renforcées. Le rôle important de la
vapeur d'eau dans la sensibilité climatique est clairement établi, et, l'importance des régions sèches de la troposphère
libre dans cette rétroaction radiative a été soulignée dans de nombreuses études. Enfin, la dernière décennie de
recherche a confirmé le lien entre circulation atmosphérique et distribution d'humidité. Il a été montré en particulier que
l'évaporation de l'eau et de la glace nuageuse pouvait être négligée pour calculer la distribution d'humidité. Au coté de
ces avancées théoriques, le laboratoire a porté des exercices de comparaisons entre modèles qui indiquent une difficulté
des modèles de climat à reproduire la climatologie et la variabilité récente de l’humidité comme elles sont caractérisées
à partir des données satellite. Trois directions seront privilégiées pour avancer sur ces questions.
En premier, nous documenterons le champ de vapeur d’eau et nous interpréterons les distributions observées à partir
des mécanismes de transport. Les travaux menés au laboratoire sur l'utilisation des satellites météorologiques
géostationnaires pour la documentation de l'humidité troposphérique nous fournissent aujourd'hui l'accès à une banque
de données très bien adaptée à l'étude précise du lien entre dynamique et humidité. En effet, ces données résolvent les
échelles diurnes et couvriront bientôt une trentaine d'années permettant une caractérisation unique de la variabilité
synoptique de la vapeur d'eau. Les outils de transport lagrangien serviront à identifier les régions sources et les régions
puits pour l'air humide et l’air sec afin de clarifier le rôle du mélange latéral (extratropical et tropical) dans la
distribution d'humidité subtropicale. Dans les régions équatoriales, la convection profonde complète la dynamique de
grande échelle pour expliquer la source et la variabilité de la vapeur d'eau. Afin de préciser leur rôle respectif dans cette
région, un couplage entre les observations d'humidité et notre climatologie de systèmes convectifs sera entrepris. Nous
étudierons particulièrement le continent africain.
En second, nous améliorerons la représentation de la distribution troposphérique de la vapeur d'eau dans le modèle
LMDZ. Au cours des 20 dernières années, les modèles de circulation générale atmosphérique se sont complexifiés en
prenant en compte les surfaces continentales et océaniques, les aérosols et diverses espèces chimiques, etc. Ce faisant
l'amélioration de la physique du cycle de l'eau n'a pas été une priorité suffisante pour bien simuler le cycle de l'eau dans
les tropiques aujourd'hui. Certains développements dans le modèle LMDZ semblent particulièrement pertinents pour la
distribution de l'humidité troposphérique : schéma de transport originaux et variés, schéma de convection innovant et
récemment couche limite nuageuse améliorée. Notre effort de recherche portera d'une part sur l'établissement d'un
diagnostic permettant de mesurer l'impact de ces développements sur la simulation du champ d'humidité. Nous
évaluerons l’humidité du modèle au regard des climatologies que nous avons établies. D’autre part, nous étudierons les
détails du transport atmosphérique et de sa représentation dans le modèle en réalisant des simulations guidées par des
analyses météorologiques. Nous utiliserons des représentations idéalisées des sources d'humidité pour préciser l'impact
du schéma de transport sur l'humidité troposphérique tropicale. Les études seront centrées sur la période et la zone
Amma et bénéficieront de la description enrichie du champ de vapeur et ne se limiteront donc pas aux satellites.
Enfin en troisième, nous analyserons ensemble les séries de vapeur d'eau troposphérique et de suivi des systèmes
convectifs dérivées par le laboratoire à partir des mêmes observations Météosat sur plus de 20 ans. Le couplage des
deux séries de données sur les régions tropicales permettra de qualifier de manière statistique l'influence de
l'environnement humide sur le comportement des systèmes convectifs et réciproquement. A plus longue échéance, la
mission Megha-Tropiques apportera des observations très complémentaires, en particulier sur le profil vertical
d'humidité, à des échelles spatio-temporelles adaptées à la caractérisation des processus sous jacents, et l'exploitation
future de ces mesures bénéficiera sans aucun doute des présentes avancées.
Collaborations : Latmos, DWD, Saf-Climat
Nuages bas océaniques tropicaux
S. Bony, H. Chepfer, F. Chéruy, F. Codron, J-L Dufresne, L. Fairhead, F. Hourdin, A. Idelkadi, I. Musat, G. Sèze
Une étude menée au laboratoire a montré que les différences de sensibilité climatique entre modèles provenaient en
premier lieu de différences dans la réponse des nuages bas océaniques au réchauffement global. Or actuellement, nul ne
sait évaluer le réalisme des réponses nuageuses simulées par les modèles.
Pour améliorer cette situation, nous avons besoin de mieux évaluer la couverture nuageuse simulée par les modèles,
en particulier sa structure verticale et ses propriétés radiatives. Or, avec l'arrivée des données en provenance des
satellites de l'A-Train (CloudSat, Calipso, Parasol, Aqua) et le développement de simulateurs d'observations spatiales,
nous entrons dans une nouvelle ère en ce qui concerne l'évaluation des nuages simulés par les modèles. Les simulateurs
Calipso et Parasol développés au laboratoire seront utilisés dans la communauté internationale pour les prochaines
projections de changement climatique du Giec. Ceci permettra d'évaluer les nuages bas simulés par les modèles de
façon moins ambiguë que par le passé. En parallèle, l'analyse des observations radar et lidar nous permettra de mieux
comprendre le potentiel et les limites des instruments de télédétection passive pour la détection et la classification des
nuages. Ceci permettra de mieux interpréter et de mieux utiliser les longues séries temporelles existantes comme celle
de l’ISCCP (International Satellite Cloud Climate Project).
Afin de comprendre les mécanismes physiques impliqués dans la réponse des nuages lors d'un réchauffement global
du climat, nous analyserons les simulations de sensibilité réalisées avec LMDZ en utilisant en particulier la
méthodologie d'analyse des tropiques en régimes de circulation développée au laboratoire. Nous examinerons le rôle
respectif des différents types de nuages dans la sensibilité climatique (notamment celui des cumulus de couche limite,
qui couvrent l'essentiel des océans tropicaux), et les différentes modalités d'interaction entre zones convectives et
subsidentes (stratification verticale, humidification de la troposphère libre, etc.). Nous nous intéresserons également au
rôle des nuages de convection peu profonde dans le cycle hydrologique des tropiques (notamment dans la répartition de
la fréquence et de l'intensité des pluies tropicales) et dans la circulation atmosphérique de Hadley-Walker, qui semble
avoir été sous-estimé jusque-là. Nous exploiterons en particulier les nouvelles paramétrisations développées pour
LMDZ ces dernières années, et aujourd'hui en cours de test dans les simulations climatiques :

introduction d'une équation pronostique pour l'énergie cinétique turbulente,

schéma en flux de masse représentant les structures convectives de couche limite (le modèle du thermique),

modification du schéma de convection profonde pour prendre en compte le couplage avec la couche limite et
mieux représenter le mélange de la colonne convective avec l'air de la troposphère libre,

et enfin représentation des poches froides créées sous les nuages convectifs par évaporation des pluies.
Nous étudierons en particulier le rôle de ces poches froides - en situation de convection profonde mais aussi peu
profonde - dans l'organisation à grande échelle de l'atmosphère tropicale, dans sa variabilité et aussi dans la sensibilité
climatique. Afin d'interpréter le comportement des modèles climatiques complexes comme le modèle couplé de l'IPSL,
nous utiliserons une hiérarchie de modèles ayant des configurations plus simples ou idéalisées (modèles atmosphériques
aqua-planètes, modèles 1D, etc.). Outre la possibilité d’analyser les changements climatiques simulés dans un cadre
conceptuel plus simple, cela nous permettra aussi d'examiner l'influence des hypothèses utilisées dans les
paramétrisations physiques sur les changements nuageux simulés à grande échelle, et d'interagir plus facilement avec
les groupes de modélisation des processus nuageux à petite échelle (notamment les groupes japonais et américains de
modélisation explicite des nuages à l'échelle globale).
Enfin, à partir des études de mécanismes qui sont mentionnées ci-dessus et des validations utilisant les diverses
observations spatiales, nous proposerons une interprétation des tendances (ou variations lentes) observées des nuages et
du bilan radiatif, et nous proposerons une suite de tests observationnels à appliquer aux modèles climatiques qui
permettra d'évaluer les mécanismes impliqués dans la sensibilité du climat qui paraissent les plus critiques.
Collaborations : Projet international CFMIP (Cloud Feedback Model Inter-Comparison) avec notamment des
collaborations fortes avec le Hadley Centre (GB), le Max-Planck Institute (Allemagne), le KNMI (Pays-Bas), le
NIES/CCSR (Japon), Ncar, GFDL, CMMAP (USA), et les groupes de modélisation participant au prochain exercice du
Giec (AR5).
Nuages hauts
R. Armante, M. Bonazzola, A. Chédin, H. Chepfer, C. Crevoisier, M. Haeffelin, B. Legras, V. Noël, N. Scott, G. Sèze,
C. Stubenrauch
Les cirrus, qui représentent 45% de la couverture nuageuse de notre planète, jouent également un rôle important
dans le bilan radiatif. Cependant, leur réponse à un changement climatique est encore incertaine, car ils sont mal
représentés dans les modèles tant en terme d’occurrence qu’en terme de propriétés microphysiques qui sont complexes
(cristaux non sphériques et de tailles très variables) et dépendantes du processus de formation et des propriétés
thermodynamiques de l’atmosphère.
Au cours des prochaines années, nous aborderons les questions suivantes : Comment caractériser au mieux
l’occurrence des cirrus dans les différentes régions du globe à partir des moyens d’observation existants ? Sommes-nous
capables de détecter une évolution dans leurs propriétés ? Pouvons-nous relier les évolutions observées du rayonnement
solaire incident au sol soit à des évolutions de propriétés de ces nuages, soit à des effets combinés entre ces nuages et
les aérosols ? Quelle est la sensibilité climatique (en température) à une évolution de ces nuages pour différentes
régions du globe ? Une attention particulière sera apportée aux questions posées par l'augmentation considérable du
trafic aérien sur l’évolution des occurrences et des caractéristiques des cirrus.
Pour l’identification des cirrus, de jour comme de nuit, nous utiliserons les données des sondeurs IR qui sont plus
fiables que celles des imageurs utilisés pour établir la climatologie de l’ISCCP. Nous somme en train d’établir, sur une
vingtaine d’années, des climatologies globales issues des sondeurs infrarouges. Elles contiennent entre autres les
propriétés physiques des nuages (comme leurs altitude et émissivité) et les propriétés microphysiques des cirrus semitransparents (leur contenu en glace et le diamètre effectif des cristaux de glace). Pour observer les cirrus très fins et
accéder à la forme des cristaux de glace, il faut utiliser des lidars qui donnent également une information sur
l’occurrence des nuages en dessous des cirrus. Les climatologies seront complétées par les observations régionales du
Sirta (et des sites sol ARM) et à l'échelle globale par celles qui sont établies à partir des observations du lidar Caliop de
Calipso.
Collaborations : Nasa (W.B. Rossow, D. Winker), DLR (K. Gierens, J. Hendricks), MPI (S. Kinne)
II-1-2 Stratosphère
D’un point de vue dynamique, la troposphère est traditionnellement considérée comme pilotant la stratosphère via le
forçage des ondes et leur déferlement lors de leur propagation vers le haut. Il en résulte notamment des réchauffements
stratosphériques soudains pendant l’hiver en Arctique, l’Oscillation Quasi-Biennale (OQB) et, pour partie, la circulation
de Brewer-Dobson. Il est cependant aujourd'hui admis qu’en retour, la stratosphère a un impact sur la troposphère. Or,
au cours des 25 dernières années, la stratosphère a vu ses caractéristiques changer. Le changement le plus médiatisé
concerne la découverte du "trou d’ozone" au dessus de l'Antarctique au début des années 1980. Ce changement n’est
pas le seul puisque les observations réalisées depuis le sol comme depuis l’espace ont mis en évidence un
refroidissement global de la moyenne atmosphère. Ce refroidissement résulte à la fois de la diminution du contenu en
ozone et de l’augmentation des gaz à effet de serre. La diminution des émissions de fréons devrait cependant conduire à
un rétablissement de la couche d’ozone et le refroidissement dans la stratosphère pourrait alors s’infléchir. Il est donc
essentiel de le quantifier avec précision afin de mieux appréhender l’impact de la stratosphère sur le climat. Au cours
des prochaines années, au laboratoire, nous travaillerons à la fois sur les mécanismes du changement climatique dans la
stratosphère et sur l’impact de celle-ci sur le climat, par des analyses d'observations et des analyses de simulations
réalisées avec la « version stratosphérique » du modèle de circulation générale LMDZ.
Mécanismes à l'origine du changement climatique dans la stratosphère
C. Claud, F. Codron, F. Lott
Les observations satellite, grâce à leur caractère global et leur bonne répétitivité temporelle, seront utilisées en vue
de surveiller l’évolution de la température dans cette partie de l’atmosphère. Les données Amsu, disponibles depuis
1998, seront notamment analysées en lien avec les observations antérieures (SSU) pour avoir un enregistrement continu
depuis 1979. Ces travaux iront de pair avec ceux visant à mieux caractériser la variabilité naturelle de la stratosphère en
vue justement d’une caractérisation plus fine de ces tendances et de leur significativité. Une combinaison des
observations, des ré-analyses et des simulations de la circulation générale dans la stratosphère permettra d’étudier
l’impact des tendances détectées en température sur la circulation méridienne, l’intensité du vortex stratosphérique
polaire, et l’activité dynamique de la stratosphère. L’échéance à laquelle la couche d’ozone va se rétablir est liée à ces
processus dynamiques.
Collaborations : Latmos (P. Keckhut)
Impact de la stratosphère sur le climat de la troposphère
A. Chédin, C. Claud, F. Codron, B. Legras, F. Lott
La destruction saisonnière de l'ozone dans la basse stratosphère polaire a un impact important et bien démontré sur la
circulation troposphérique. Elle se manifeste en particulier dans l'hémisphère sud par un déplacement des vents d'ouest
vers le pôle, maximum pendant l'été austral. Ce déplacement du jet est bien reproduit par le modèle LMDZ. Il s'agit
maintenant d'évaluer l'impact plus général de la destruction d'ozone sur le climat, à la fois pour la période récente
(1970-présent) et pour le XXIe siècle (retour de l'ozone à son niveau "normal" vers 2060). Deux projets spécifiques sont
en cours pour évaluer les conséquences du déplacement du jet austral, d’une part sur le bilan de masse en Antarctique
en utilisant le modèle LMDZ zoomé et forcé par les températures de surface de l’océan, et de l'autre sur la biogéochimie de l'océan austral en utilisant le modèle couplé de l'IPSL.
La réflexion des ondes planétaires vers le bas par la stratosphère est encore relativement peu étudiée dans les
modèles de climat. L’impact de ce phénomène sur le climat près du sol reste mal connu. C'est pourtant une question
importante car l'amplitude de ces ondes dans la troposphère varie certainement entre une situation où la circulation
stratosphérique de grande échelle fait que les ondes planétaires sont en partie piégées dans la troposphère, et une
situation où elles se propagent sans réflexion vers l'atmosphère moyenne. Des ondes planétaires peuvent aussi être
générées dans la haute stratosphère, et se propager vers le bas. Maintenant que la circulation stratosphérique est mieux
connue et que les modèles de prévision du temps et du climat prennent en compte l'atmosphère moyenne, il devient
possible d'étudier ces effets. Comme pour les modes annulaires, nombre de ces ondes de grande échelle interviennent
directement dans la variabilité basse fréquence de la troposphère. Les ondes planétaires ont aussi comme propriété de
forcer la circulation méridienne de Brewer-Dobson. L'intensification de celle-ci en réponse au changement climatique et
l'apparition d'une concentration en ozone supérieure à celle de l'époque « pré-CFC » au-delà de 2060 sont des questions
discutées. La capacité des modèles à représenter le transport par la circulation de Brewer-Dobson est par ailleurs
essentielle dans les études associant chimie et climat. Elle sera diagnostiquée et étudiée à partir de plusieurs approches
(calculs lagrangiens, circulation résiduelle) à partir des ré-analyses et des simulations du modèle IPSL pour la période
actuelle et la deuxième moitié du XXIe siècle.
Le rôle de l’Oscillation Quasi-Biennale (OQB) stratosphérique sur le climat troposphérique n’est pas toujours facile
à établir car les données climatiques complètes (du type ré-analyses) sont encore parfois trop courtes pour mettre en
évidence un impact de l'OQB sur certains aspects du climat. Une approche complémentaire consistera donc à réaliser
des simulations longues de la circulation atmosphérique avec et sans OQB et à les comparer. L'OQB a pourtant un rôle
important de modulation de la circulation méridienne de Brewer-Dobson et de la distribution des espèces dans la
stratosphère, dans la mesure où elle introduit une circulation secondaire qui ralentit ou accélère le transport vertical et
les échanges méridiens dans les tropiques, et bloque ou non la propagation méridienne des ondes de Rossby planétaires.
Ces effets seront diagnostiqués et étudiés à partir de modélisation lagrangienne et des ré-analyses du CEPMMT.
Par ailleurs, la capacité à mesurer les profils verticaux de CO 2, de la moyenne troposphère à la moyenne
stratosphère, à partir d’observations spatiales en visée au limbe offrira un moyen d'estimer l'âge de l'air et la variabilité
de la circulation de Brewer-Dobson, allant bien au-delà des mesures disponibles, et servira de référence pour les
comparaisons avec les modèles.
Collaborations : CMCC-INGV (C. Cagnazzo), LSCE (L. Bopp), projet LEFE « Charmant » avec le LSCE (G.
Krinner), DAMPT (S. Fueglistaler)
II-1-3 Surfaces continentales
Caractérisation des surfaces continentales
F. Aires, R. Armante, A. Chédin, C. Crevoisier, F. D’Andrea, J. Polcher
Les caractéristiques de la surface continentale (hydrologie, couverture végétale et phénologie, caractéristiques
radiatives) influencent directement le climat. Le suivi de leurs évolutions est donc nécessaire, d’une part pour détecter
tout changement des propriétés de la surface et, d’autre part, afin de comprendre et éventuellement attribuer ces
évolutions au changement climatique, notamment par l’intermédiaire de modèles. L’observation des surfaces
continentales est également un enjeu pour évaluer et améliorer les paramétrisations de surface utilisées dans les modèles
pour les projections du changement climatique.
Le laboratoire joue un rôle pionnier dans l’établissement de longues séries temporelles des différentes variables
caractérisant les surfaces continentales à l’aide d’observations réalisées depuis l’espace. Les travaux en cours ont déjà
permis d’établir des climatologies pour les caractéristiques de surface en utilisant des algorithmes de restitution
innovants. Nous utiliserons les instruments actuels (ERS, SSMI, Amsu, Saphir, Madras pour les micro-ondes ; Airs, Iasi
pour l’infrarouge) et passés pour construire des bases de données sur deux décennies afin de mieux comprendre la
variabilité des propriétés de surfaces à l’échelle décennale et de fournir des premiers éléments de réponse pour les
tendances climatiques. Les principaux travaux, qui seront complétés par une étude plus spécifique des processus de
surface et de couche limite (cf. Section III-3-2), se concentreront sur :

l’émissivité spectrale : nous utiliserons les données Iasi pour améliorer notre climatologie des émissivités aux
diverses longueurs d’onde dans l’infrarouge.

la température de surface : à partir de ces émissivités de surface, nous déterminerons les températures des
surfaces continentales, leur cycle diurne et leur cycle saisonnier. Nous évaluerons diverses bases de données de
température de surface ainsi que leurs tendances sur les 20 dernières années.

les flux de surface : à partir de la température de surface, nous effectuerons une analyse fine des flux de surface.
En particulier, nous nous appuierons sur deux algorithmes, l’un restituant l’épaisseur de la neige en utilisant
conjointement données in situ, modèle et observation satellite, et l’autre classifiant la végétation à partir de
données multi-spectrales, afin de caractériser l’évolution des flux de surface sur les 20 dernières années.

l'humidité des sols et les zones inondées : nous poursuivrons la restitution des humidités des sols, variable d’une
grande importance sociétale. Afin de déterminer comment fusionner modèle de surface, données in situ et
observations satellite pour une meilleure caractérisation de l’humidité des sols, de sa variabilité naturelle et de
ses tendances climatiques potentielles, nous comparerons et validerons différentes bases de données existantes.
Nous utiliserons aussi une méthode originale, reposant sur l’utilisation simultanée de différentes observations
satellite, pour produire les premières estimations globales sur plusieurs années des zones inondées dont la
variabilité joue un rôle clef dans la production de méthane.
Les différentes climatologies établies au laboratoire seront distribuées à la communauté (atlas des émissivités en
micro-ondes, climatologie des spectres d’émissivité infrarouges, climatologie des zones inondées, longueur de rugosité
dans les régions arides, etc.) en s’appuyant notamment sur les centres Ether, Icare et Postel.
Collaborations : LSCE, Lerma (C. Prigent), Giss/Nasa, GFDL/Nasa, University of Technology of Jena.
Variabilité du cycle hydrologique
K. Laval, J. Polcher
Comprendre la variation et la variabilité du cycle hydrologique des surfaces continentales est un enjeu majeur dans
les années à venir. Celles-ci dépendent de la quantité d’eau reçue sous forme de précipitations mais aussi du devenir de
cette eau : évaporation, ruissellement en surface, drainage, et écoulement dans le sol.
Depuis de nombreuses années, le laboratoire a développé des études sur ce thème. Les derniers résultats ont montré
des variations décennales de l’eau stockée sur les régions tropicales, corrélées avec les variations décennales de la
température des océans ou des niveaux de la mer. Ces résultats peuvent contribuer à la compréhension des évolutions du
climat tout en apportant des connaissances importantes sur l’évolution future des ressources en eau. Dans le contexte
actuel de l’évolution de l’agriculture et de l’irrigation, pour lesquelles les demandes en eau ne cessent de s’accroître, il
est primordial de comprendre le rôle de ces pratiques culturales sur le climat et leur « durabilité » dans un climat
modifié.
Les mesures récentes de la mission spatiale Grace permettent d’évaluer les évolutions de l’eau continentale plus
précisément sur des bassins versants et viennent compléter les observations de Topex-Poseidon et Jason sur le niveau
global des eaux continentales. De plus, la connaissance des débits des fleuves depuis une centaine d’années permet
aussi d’évaluer les évolutions lentes de ces variables et de les associer à des changements climatiques. Nous avons déjà
mis en évidence un réalisme des variations interannuelles de la modélisation des débits sur certains fleuves, mais les
difficultés sur certaines régions montrent qu’un certain nombre de mécanismes ne sont pas pris en compte.
Les prochains travaux se concentreront sur :

le rôle de l’irrigation sur le climat. Le modèle LMDZ couplé au modèle des surfaces continentales Orchidée (cf.
IV-1-2) est aujourd’hui capable d’évaluer l’effet de l’irrigation, non seulement sur le devenir de l’eau dans le
sol, mais aussi sur les précipitations.

Le rôle des zones inondables sur les stocks d’eau et débits des fleuves, Orchidée ayant déjà intégré la
représentation de ces zones pour évaluer les évaporations très importantes qu’elles peuvent représenter dans
certains bassins et sur les débits de fleuves associés.

La détermination des caractéristiques de ces modifications sur le cycle hydrologique ; ceci permettra de les
comparer à celles du changement climatique dû à l’augmentation de l’effet de serre dont les signatures
devraient être sans aucune relation.
Collaborations : LSCE (N. de Noblet), Lerma (C. Prigent), Legos (A. Cazenave), Projets Watch et Lucid
Émission de CO2 par les feux de biomasse
A. Chédin, C. Crevoisier, F. Hourdin, N. Scott, S. Turquety
Les feux de végétation (agricoles, déforestation) émettent des quantités de gaz trace (CO 2, CO, CH4) et d’aérosols
comparables à celles qui sont produites par la combustion des fiouls fossiles. Cependant, ces émissions par les feux
restent peu connues et leur relation avec le climat est encore largement incertaine. Ceci est particulièrement vrai dans la
région tropicale, qui est pourtant le lieu d’origine de la majorité de la variation interannuelle du taux de croissance du
CO2 atmosphérique, et qui influence durablement les régions extratropicales. Le rôle moteur des feux de biomasse sur le
contrôle du taux de croissance des gaz trace a également été mis en évidence sur plusieurs centaines d’années, en lien
avec des variations climatiques de type El Niño. Les feux influencent aussi directement les sociétés humaines
(pollutions, modification de l’habitat). Nous nous proposons d’estimer un nouvel indicateur de l’activité des feux à
partir d’observations satellite du CO2 et d’autres gaz trace dans la troposphère, puis de l’utiliser afin de reconstruire plus
de deux décennies d’émissions de CO2 par les feux de biomasse, et de leur relation avec le climat (8 années ont déjà été
obtenues). Ces études seront conduites grâce à une approche combinant les observations sur deux décennies des
sondeurs infrarouges : Tovs et Iasi d’une part et la modélisation globale dans le modèle de chimie-transport LMDZ-Inca
d’autre part, avec quatre principaux objectifs :

l’interprétation d’observations satellite en termes de cycle diurne du CO 2 troposphérique lié aux feux et
l’analyse du potentiel de Iasi pour l’observation simultanée des gaz trace au voisinage des feux (à côté et dans
les panaches). En particulier, la présence simultanée des instruments de première génération Tovs et de
deuxième génération Iasi à bord de MetOp permettra de lier les climatologies obtenues à l’aide de ces sondeurs
successifs.

l’étude des processus de transport aux échelles locale, régionale et mondiale et l’étude de la hauteur d’injection
des feux à l’aide d’une nouvelle paramétrisation de la pyro-convection dans le modèle de transport
atmosphérique LMDZ (cf. Section III-2-3)

l’évaluation des facteurs climatiques contrôlant les feux de biomasse et leur évolution

l’étude de scénarios climatiques à l’aide du modèle de l’écosystème Orchidée pour lequel nous développerons
un nouveau modèle de feu.
Collaborations : LSCE et Latmos dans le cadre d’un projet IPSL, Université de Princeton. Projets Européens intégrés
GEMS (2006-2009) et sa suite Macc (2009-2012).
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