M1-climat1-MOUILLOT_2014
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Changements globaux F. MOUILLOT IRD, UMR CEFE [email protected] http://www.ipcc.ch Partie I: changements globaux et changements climatique récents 1. le système climatique 2. le bilan d’energie global 3. changements globaux: observations et quantification 4. observation des changements climatiques récents 5. Changements climatiques: processus Partie II: scenarios climatiques et impacts 1. Brefs rappels: Le système climatique global Rayonnement solaire: source d’energie pour les mouvements de masse • latitude Circulation marine et atmosphérique Climat • • • • Temperatures (min et max) Précipitations Vent Nébulosité • => moyenne et variabilité saisonnalité été hiver Distribution saisonnière et co occurrence ppt/t° Moscou: Tmoy: 2°C, Ppt: 600mm Mali: Tmoy: 25°C, 1350mm Distribution saisonnière et co occurrence ppt/t° Moscou: Tmoy: 2°C, Ppt: 600mm Mali: Tmoy: 25°C, 1350mm Perpignan: 17°C, 560mm Cambrai: 10°C, 650mm Distribution saisonnière et co occurrence ppt/t° Moscou: Tmoy: 2°C, Ppt: 600mm Mali: Tmoy: 25°C, 1350mm Perpignan: 17°C, 560mm Cambrai: 10°C, 650mm 2. les observations du climat global récent Les séries climatiques enregistrées.. 2003 1947 Allen & Kabat, ESOF, 2004 Les anomalies… Schär et al, Nature 2004 Frequency distribution summer temperature for Swiss stations (1890-2003) Allen & Kabat, ESOF, 2004 Les enregistrements sont ils fiables? - Changements des capteurs - Changement d’utilisation des paysage environnant les stations - Déplacement des stations => Analyse des points de rupture des séries climatiques Les indicateurs biologiques… Melting of ice over Greenland: 1992 - 2002 Passive Microwave derived maximum melt extent 7x10 1992 Melt Extent 5 2002 Melt Extent Maximum melt extent (km2) Trend: 0.7% / year 6x10 5 5x105 4x10 5 3x10 5 2x10 5 1980 1985 1990 1995 2000 Greenland ice sheet melt area increased on average by 16% from 1979 to 2002. The smallest melt extent was observed after the Mt. Pinatubo eruption in 1992 Data from Konrad Steffen and Russell Huff, University of Colorado Ice on Kilimanjaro Area (km2) 15 10 5 0 1900 1920 1940 1960 Year 1980 2000 2020 West Antarctic Ice Sheet Greenland Ice Sheet J. Schellnhuber EuroScience Open Fourm 2004 dendrochronologie Temps en années Phénologie : la vigne Chuine et al. 2004, Science. Défoliation des espèces forestière: un indicateur de l’ajustement foliaire au déficit hydrique Carnicer et al. 2011, PNAS Le bilan IPCC 2013 Variations of the Earth’s surface temperature for the past 140 years IPCC, 2013. chapter 2, box 2.2 The Land and Oceans have warmed IPCC, 2013 chapter2. fig. 2.22 Precipitation patterns have changed IPCC 2013, chapter 2. fig. 2.24 Les précipitations: une variable complexe R95: quantité de pluie du 95 pourcentile des jours les plus pluvieux SDII: intensité des précipitations CDD: jours sans pluies consécutifs HY-INT: durée de jours sans pluie X intensité des pluie IPCC: bilan des indices climatiques En résumé Tendance nette au réchauffement global Réponse spatialement différencié selon les régions et les différentes phases du réchauffement 3. Les mécanismes de régulation du climat 3.1 Le bilan Energie global L’Energie provient du rayonnement solaire Constante solaire: 1369 W.m-2 sur une surface perpendiculaire au rayonnement Au niveau global: Surface sphere globale: 4 P r2 Surface projetée: P r2 R= C . Sp / Sg = 1369/4=342 W.m-2 235 Rayonnement solaire incident 342 W m-2 Rayonnement solaire réfléchi 107 Emission IR vers l’espace 235 Réflexion par les nuages, l’air, les aérosols 195 Emis par l’atmosphère et les nuages 519 Absorbé par l’atmosphère et 67 les nuages 24 78 350 Rayonnement IR vers le sol 492 168 Absorbé par la surface Gaz à effet de serre 324 519 Réfléchi par la surface 40 Fenêtre atmosphérique 24 Chaleur sensible 78 ETR 390 Absorbé par la Rayonnement 324 surface IR émis par la surface 235 Rayonnement solaire incident 342 W m-2 Rayonnement solaire réfléchi 107 Emission IR vers l’espace 235 Réflexion par les nuages, l’air, les aérosols 195 Emis par l’atmosphère et les nuages 519 Absorbé par l’atmosphère et 67 les nuages 24 78 350 Rayonnement IR vers le sol 492 168 Absorbé par la surface Gaz à effet de serre 324 519 Réfléchi par la surface 40 Fenêtre atmosphérique 24 Chaleur sensible 78 ETR 390 Absorbé par la Rayonnement 324 surface IR émis par la surface Bilan d’energie: sources de variation 1. Les gaz a effets de serre D’origine anthropique (énergies fossiles, chimie) D’origine naturels (CO2, CH4) 235 Rayonnement solaire incident 342 W m-2 Rayonnement solaire réfléchi 107 Emission IR vers l’espace 235 Réflexion par les nuages, l’air, les aérosols 195 Emis par l’atmosphère et les nuages 519 Absorbé par l’atmosphère et 67 les nuages 24 78 350 Rayonnement IR vers le sol 492 168 Absorbé par la surface Gaz à effet de serre 324 519 Réfléchi par la surface 40 Fenêtre atmosphérique 24 Chaleur sensible 78 ETR 390 Absorbé par la Rayonnement 324 surface IR émis par la surface Bilan energie: sources de variation 2. La couverture continentale et océanique l’albedo Rn = Rg – a . Rg = (1 – a ) Rg a = albedo = rapport entre l energie solaire reflechie et incidente albedo 20% 80% 10% Bilan energie: sources de variation Rn = (1 – a ) Rg Remplacement des espèces (décidus/sempervirents) Mise en cultures Phénologie LAI Glaces/neiges LAI Surface de glace Changements à long terme: l’occupation du sol Changes in Shortwave flux emitted from terrestrial surface IPCC 2013, 8.9 235 Rayonnement solaire incident 342 W m-2 Rayonnement solaire réfléchi 107 Emission IR vers l’espace 235 Réflexion par les nuages, l’air, les aérosols 195 Emis par l’atmosphère et les nuages 519 Absorbé par l’atmosphère et 67 les nuages 24 78 350 Rayonnement IR vers le sol 492 168 Absorbé par la surface Gaz à effet de serre 324 519 Réfléchi par la surface 40 Fenêtre atmosphérique 24 Chaleur sensible 78 ETR 390 Absorbé par la Rayonnement 324 surface IR émis par la surface Bilan energie: sources de variation 3. Partition entre Chaleur sensible/ chaleur latente Chaleur sensible: quantité de chaleur échangée, sans changement de Phase entre de 2 corps. Chaleur latente: chaleur qui provoque un changement d’état sans modifier la temperature Dépend de la capacité de la surface continentale à Évapo-transpirer 235 Rayonnement solaire incident 342 W m-2 Rayonnement solaire réfléchi 107 Emission IR vers l’espace 235 Réflexion par les nuages, l’air, les aérosols 195 Emis par l’atmosphère et les nuages 519 Absorbé par l’atmosphère et 67 les nuages 24 78 350 Rayonnement IR vers le sol 492 168 Absorbé par la surface Gaz à effet de serre 324 519 Réfléchi par la surface 40 Fenêtre atmosphérique 24 Chaleur sensible 78 ETR 390 Absorbé par la Rayonnement 324 surface IR émis par la surface Saisonnalité de la partition chaleur latente/sensible Teneur en eau du sol: forêt de chêne vert (Péuchabon) Effet à long terme de changement d’utilisation du sol Exemple: conversion agricole en Amerique du sud Loarie et al. 2011 nature climate change Cerrado -> paturage -> cane a sucre +1.55°C -0.93°C T° Albedo – ET = albedo = ET + ET Albedo 4. CHANGEMENTS GLOBAUX observations/quantification des contraintes au bilan radiatif global • 1. CO2 et gaz à effets de serre – Mesures atmosphériques – Identification des processus • 2. land cover changes Bilan de carbone A: estimates B: measured A1: A2: C: D: 6.3 (+/-0.4) 1.6(+/-0.8) -1.4(+/-0.7) -1.7(+/-0.5) Tot: +4.8 ?: -1.6 (-3.8/0.3) C: estimates D: estimates B: PgC = 10 15g +3.2 Occupation du sol Utilisation par l’agriculture (1990) Vegetation naturelle potentielle Scenario 2050 DeFries et al. 2002 Global Emissions from Land Use Change Historically Total emissions of C [deforestation and fossil-fuel burning] 450 PgC (= 450 . 10 15gC) [180-200 PgC from land use change] + 90 ppm CO2 in the atmosphere [40 ppm due to changes in land use] From 1850 to 1990 124 Pg emitted due to land use change 60% in tropical areas 90% due to %40 in temperate areas deforestation [20% decrease Forest Area] Houghton et al. 1999, Houghton 1999, Defries et al. 1999, IPCC-TAR 2001 6,3 Fossil Fuel Net Annual Flux of Carbon from Changes in Land Use 1.4 1.2 Tropical Asia 1.0 Latin America 0.8 0.6 Africa 0.4 0.2 North America China 0.0 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Year Houghton 1999 Houghton 2002 – APN-GCTE Special Issue, 2002 Northern Hemisphere Forest Sinks - Disturbances Pg C yr-1 Goodale et al. 2002 Carbon Stocks in Live Forest Vegetation [1950-1995] Live Vegetation (Pg C) 30 Asian Russia 25 20 15 Canada Coterminous US 10 Forest Expansion • Cropland abandonment • Declining logging • Reforestation Euro Russia 5 0 Europe 1950 1960 China 1970 1980 1990 2000 Goodale et al 2002 Canadian Forest Net Carbon Uptake Land Uptake (Tg C /yr-1) Disturbed Area (M ha) 10 8 6 4 2 0 1920 1940 ClearCut 1960 1980 Fire Insects 2000 Total 400 300 200 100 0 -100 -200 1920 1940 1960 Variable Temp 1980 Constant Temp 2000 Kurz & Apps 1999 Trends in C Emissions from Fires 3500 Tg C yr-1 3000 total 2500 1800 tropical savanna 1400 1000 600 temperate forest 200 tropical forest boreal forest 1905 1925 1945 1965 1995 Mouillot et al. 2006 Pechony et al. Les gaz à effets de serre dans l atmosphere Contributions des GHG à l’effet de serre Vapeur d’eau: 36 à 72% CO2: 9-26% Methane: 4-9% Ozone: 2-7% Modification des GHG: Vapeur d’eau: augmente avec les T° (faible… irrigation) CO2: +1.46 W.m-2 CH4 methane +0.48 N2O +0.15 CFC + 0.17 Emissions anthropiques de CO2 6.3 1015gC Gaz Pétrole Charbon Les gaz à effet de serre au niveau de la biosphère Type de gaz CO2 CH4 N2O CFC11 CFC12 Avant la période industrielle (ppm) 280 0.80 0.288 0 0 En 1990 354 1.70 0. 310 Accroissement annuel de concentration % 0.5 .9 0.25 4 4 Durée de séjour dans l’atmosphère (an) 50-200 10 150 60 120 Pouvoir radiatif / CO2 1 23 298 4000 6000 280.10-6 84 .10-6 Hypothèse 1: Role des gaz à effets de serre sur le climat: une théorie ancienne Arrhenius S. 1896. On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground. Philos. Mag, 41, 237-275 In Bard E 2004. Greenhouse effect and ice ages: historical perspective. CR Geosciences 603-638. Concentration of Carbon Dioxide and Methane Have Risen Greatly Since Pre-Industrial Times Carbon dioxide: 33% rise BW 5 The MetOffice. Hadley Center for Climate Prediction and Research. Methane: 100% rise 5. Les changements climatiques récents sont ils dans(/hors?) la gamme de variabilité à long terme? 5.1 Reconstruire le CO2 atmosphérique passé 700 Des niveaux de CO2 exceptionnels 600 Double pre-industrial CO2 500 Lowest possible CO2 stabilisation level by 2100 400 CO2 now 300 10 200 0 –10 160 120 80 40 Time (thousands of years) Now 100 CO2 concentration (ppmv) Teneur de l’atmosphère en CO2 depuis 160 000 ans (courbe verte) CO2 in 2100 (with business as usual) Les carottes glacières: 400.000 years CH4 (ppbv) CO2 (ppmv) t 1800 370 1800 1600 350 300 1200 4 CH (ppbv) 1000 2 CO (ppmv) 1400 250 800 600 200 400 150 200 4 10 5 3 10 5 2 10 5 Tid (år bp) Source: Petit, et al., Nature 399, 429-436, 1999 1 10 5 0 Les indicateurs biologiques: la densité stomatique Relation C02/stomates en conditions contrôlées Exemple: Gingko biloba, 200 My Royer et al. 2001, Science Reconstruction du C02 atm. Selon plusieurs proxy climatiques et biologiques IPCC 2013 5.2. Indicateurs de T°…avant les thermomètres Variations of the Earth’s surface temperature for the past 1,000 years Début de la révolution industrielle Période chaude du moyen-âge Petit âge glaciaire Les indicateurs à long terme: thermomètre isotopique discrimination isotopique H20 dans les carottes sédiments et glace Rappel: Discrimination isotopique R= heavy iso / light iso δ(%o)=(R ech. / R stand. - 1) . 1000 Ex: 2H:1H = 1:6410 d <0 => R ech <R stand => moins de heavy dans Rech d 180 et d 2H Isotopes dans les processus d’évap./ condens.: + d’énergie pour évaporer isotope lourd condensation plus rapide des isotopes lourds T° diminue : évaporation appauvrie en iso lourd => d plus négatif thermometre isotopique Jouzel et al. 1994. CR. Ac. Sci. Sediment data: 2,500,000 years ca. 5 peaks in 500,000 years - a period of ca. 100.000 years ca. 12 peaks in 500,000 years - a period of ca. 40,000 years Sediment core Conclusion: une forte variabilité CO2/Temp variabilité CO2/Temp en phase Temperature, methane and CO2 have co varied for the last 400.000 years Vostok, Antarctica Questions: le CO2 est il donc responsable de la variation des températures? Si oui, quels mécanismes expliquent sa variabilité en l’absence de pression anthropique? Ou…les températures sont elles responsables de la variation de C02? 6. Quelles autres sources de modification du climat que la composition de l’atmosphère en gaz a effets de serres? fluctuations du rayonnement solaire Cycles de Milankovitch 3 janv. Obliquity 42Ka 22.1 to 24.5 (23.45) 4 juillet Eccentricity Cycle:95Ka 3.4% distance 6.8% radiation Max 23% Precession Orientation de l inclinaison de l’axe 26Ka Influence la distribution spatiale et saisonnière Influence la quantité d’énergie reçue du rayonnement solaire à la surface terrestre http://earthobservatory.nasa.gov/Library/Giants/Milankovitch/milankovitch_2.html Calculated June insolation A. Berger & M.F. Loutre (1991) Énergie solaire: mylankovitch T° groenland Indice hydrologique Standardisé (Brésil) L’activité solaire 1370 W/m2 Stability and instability in climate Temperature, methane and CO2 have co varied for the last 400.000 years Vostok, Antarctica Le cycle de milankovitch explique t il la variabilité climatique à lui seul? Cycle de milankovitch => variation de T° <1°C MAIS observation de -9°C Effet amplificateur : le cycle du C atmosphere/biosphere 1. T°C augmente => [CO2] ocean diminue => [CO2] atm. augmente 2. T°C augmente => glace fond => albedo stocks de C du sol Vers un modélisation de l intéraction ocean/biosphère atmosphère pour la variabilité climatique globale Les émission gaz a effets de serre améliorent les simulations pour la période 1950-présen Polémique…des climato-sceptiques: la période 2000-2010 Débat et polémiques: emission 1er octobre 2013, invité jean jouzel http://www.france5.fr/c-dans-l-air/environnement/le-climat-le-monde-s-en-fout-39927 Climate hiatus: pas de pause dans les extrêmes climatiques Tx95 Tmoy 1980 2010 Seneviratne 2014, Nature Clim. change
