condition initiales atmosphériques

Formation enseignants : 10ème Forum météo/climat
De l’échelle météorologique à l’échelle climatique,
que peut-on prévoir et
avec quelles incertitudes?
Christophe Cassou
(CNRS-Cerfacs)
Notion de prévisibilité (1)
Prévisibilité : ensemble des propriétés de ce
qui est prévisible, capacité à prévoir.
• sources de prévisibilité : « pourquoi peut-on prévoir ? »
• niveaux de prévisibilité :
o « comment évolue la prévisibilité en fonction du temps i.e.
l’échéance?
o « quelles sont les limites de prévisibilité? »
o « quelles sont les incertitudes associées à la prévisibilité?
o etc.
Qu’est ce que la météo? Qu’est ce que
le climat? Amalgame tentant, facile … et pourtant…
Notion de prévisibilité (2)
Il existe deux sources de prévisibilité (qui nous permettent de prévoir)
pour un système physique donné.
1. La connaissance de l’état initial du système (c’est a dire du moment présent)
2. La connaissance des conditions aux limites du système (c’est a dire de son
environnement externe et/ou de ses propriétés intrinsèques).
L’exemple du professeur poli et de l’orateur convaincant
Peut-on prévoir l’activité du professeur poli :
• dans 1 heure ? oui: il sera toujours en train d’écouter l’orateur
METEO
convaincant => prévision possible et fiable car on sait que le prof
est dans la salle au moment où l’on fait la prévision
• a 20h ce soir ? bof…. impossible de savoir si le professeur poli sera en
train de manger, de faire des courses, de raconter une histoire a ses
enfants etc. => perte de prévisibilité au sens déterministe (plusieurs
scenarios possibles)
• a 4h du matin ? oui, il sera en train de dormir… très probablement =>
regain de prévisibilité : une prévision très fiable (1% d’insomniaque),
prévision possible par la connaissance de contraintes extérieures
CLIMAT
Météo versus Climat
Il existe deux sources de prévisibilité (qui nous permettent de prévoir)
pour un système physique donné.
1. La connaissance de l’état initial du système (c’est a dire du moment présent)
2. La connaissance des conditions aux limites du système (c’est a dire de son
environnement externe et/ou de ses propriétés intrinsèques).
METEO
CLIMAT
Météo : prévision de l’enchainement temporel d’événements
« atmosphériques » ou de paramètres atmosphériques
(prévisibilité due à l’état initial atmosphérique : 1ere espèce)
Climat : prévision de la statistique d’événements ou de
paramètres « atmosphériques + océaniques + glace » etc.
(exemple: la moyenne, l’ écart-type, les extrêmes etc.)
(combinaison, en fonction de l’échéance, d’une prévisibilité
due aux conditions initiales – essentiellement océaniques
et aussi aux conditions aux limites : 2eme espèce).
Le système climatique
CLIMAT
Le climat est un système couplé très complexe formé de l’atmosphère, de
l’hydrosphère, de la biosphère, de la cryosphère, tous ces compartiments
interagissant à toutes les échelles de temps. Les échanges impliquent des
processus physiques, chimiques et dynamiques
La météo dans le système climatique
METEO
Un problème essentiellement atmosphérique
Le système climatique
Pourquoi le système climatique varie-t-il?
CLIMAT
Le climat est un système couplé très complexe formé de l’atmosphère, de
l’hydrosphère, de la biosphère, de la cryosphère, tous ces compartiments
interagissant a toutes les échelles de temps. Les échanges impliquent des
processus physiques, chimiques et dynamiques
Nature chaotique de l’atmosphère
Atmosphère et océan sont des fluides en mouvements qui sont de nature chaotique
(croissance d’ instabilité et cascade d’échelles)
Un chaos, certes, mais organisé à grande échelle
Atmosphère et océan sont des fluides en mouvements qui sont de nature chaotique
(croissance d’ instabilité et cascade d’échelles)
Nature chaotique de l’océan
Atmosphère et océan sont des fluides en mouvements qui sont de nature chaotique
(croissance d’ instabilité et cascade d’échelles)
Québec
~8oC
New
York
~18oC
Floride
Tourbillons
(mélange)
Évolution de la température de surface de la mer
(Groupe Mercator, simulation MNATL 1/16 degré)
~25oC
Température de surface de la Mer
observée par satellite
Le couplage entre composantes de nature très diverse
COUPLAGE
INTENE
PHYSICS
DYNAMICS
CHEMISTRY
Pourquoi le système climatique varie-t-il?
PERTURBATION
EXTERNE
NATUREL
Influence humaine
par les gaz a effet de serre
+
+
+
utilisation
COUPLAGE RETROACTION
des sols
RETROACTION
INTENE
PHYSICS
DYNAMICS
CHEMISTRY
L’ omniprésence des incertitudes
METEO
CLIMAT
Météo : prévision de l’enchainement temporel d’événements
« atmosphériques » ou de paramètres atmosphériques
(prévisibilité due a l’ état initial atmosphérique : 1ere espèce)
Climat : prévision de la statistique d’événements ou de
paramètres « atmosphériques + océaniques + glace » etc.
(exemple: la moyenne, l’ écart-type, les extrêmes etc.)
(combinaison, en fonction de l’échéance, d’une prévisibilité
due aux conditions initiales –essentiellement océaniques
et aussi aux conditions aux limites : 2eme espèce).
INCERTITUDES
Elles sont intrinsèques à toutes les prévisions
de par la nature même du système
Les incertitudes
INCERTITUDES
Elles sont intrinsèques à toutes les prévisions
de part la nature même du système : elles sont
de 3 types:
1. Stochastique: variabilité climatique interne et chaotique : Existence d’une
barrière de prévisibilité : elle est irréductible selon l’échelle considérée.
2. Epistémique: connaissance imparfaite des phénomènes (rôle des nuages et
des aérosols, le couplage entre l’océan et l’atmosphère, dynamique de la
banquise etc.) : on peut la réduire ! (progrès de la science, observations etc.)
3. Réflexive: la société fait partie à la fois du problème (émission des gaz a effet
serre, déforestation) et de la solution (atténuation et adaptation) : on peut la
contraindre par les scénarios d’émission ou de modifications des sols!
L’outil du climatologue et du météorologue : les modèles
• Modèle = Représentation simplifié, d’un système en vue de le décrire, de
l’expliquer et/ou de le prévoir
• Modèle = Conceptualisation mentale de lois physiques/mathématiques
représentant les structures essentielles d’une réalité et capable à son niveau d’en
reproduire dynamiquement le fonctionnement.
Conditions initiales
(contraintes sur le temps)
Définition du problème
Loi physique
Conditions de sortie
(prévision/description)
Conditions aux limites
(contraintes sur la loi)
Pb: Prévoir l’heure d’arrivée d’un cycliste, connaissant la distance parcourue et sa vitesse
Heure de départ
10H20
T=distance
vitesse
Présence d’une côte
Heure d’arrivée
11H40
11H45
Les modèles : véritable maquette du système Terre
Découpage en maille
Lois physiques
Conditions initiales
(Observations)
Les modèles : maquette du système Terre pour prévoir
Equation
mathématiques
Prévision
Conditions initiales
(Observations)
Le chaos dans les modèles
INCERTITUDES
1. Stochastique: variabilité climatique interne et chaotique : Existence d’une
barrière de prévisibilité : elle est irréductible selon l’échelle considérée.
Température de surface
Le chaos dans les modèles
INCERTITUDES
1. Stochastique: variabilité climatique interne et chaotique : Existence d’une
barrière de prévisibilité : elle est irréductible selon l’échelle considérée.
Température de surface
Simulation de 15 jours
Le chaos dans les modèles
INCERTITUDES
1. Stochastique: variabilité climatique interne et chaotique : Existence d’une
barrière de prévisibilité : elle est irréductible selon l’échelle considérée.
+0.50C
Température de surface
Simulation de 15 jours
de référence
Température de surface
Simulation de 15 jours
perturbée dans ses conditions initiales
Modification artificielle de la température en 1 point au large de l’Australie au 1er jour de la prevision
(erreur compatible avec la mesure)
Le chaos dans les modèles
INCERTITUDES
1. Stochastique: variabilité climatique interne et chaotique : Existence d’une
barrière de prévisibilité : elle est irréductible selon l’échelle considérée.
Température de surface
Simulation de 15 jours
de référence
Température de surface
+0.5 au large
de l’Australie
Simulation de 15 jours
perturbée dans ses conditions initiales
La météo versus le climat
INCERTITUDES
1. Stochastique: variabilité climatique interne et chaotique : Existence d’une
barrière de prévisibilité : elle est irréductible selon l’échelle considérée.
=
Température de surface
Simulation de 15 jours
de référence
Propagation des erreurs au bout de 10 jours sur
l’ensemble de la planete
Température de surface
Simulation de 15 jours
perturbée dans ses conditions initiales
La méthode ensembliste
Jour 0
Jour 1
Jour 2
Jour 3
Jour 4
Prévision très raffinée
Jour 5
Jour 6
DETERMINISTE
Prévision d’ensemble
In.2
Prévision d’ensemble
In.3
Prévision d’ensemble
In.4
Prévision d’ensemble
PROBABILISTE
Prévision d’ensemble
Indice de confiance
In.1
In.N
Jour 7
La prévision Météo est un problème
de conditions initiales qui doit se traiter de manière probabiliste
Un cas concret: la prévision de cette semaine (1)
Prévision initialisée mardi 26 Mars a minuit
(merci Nicole Girardot)
Hauteur de geopotential (500 hPa) ~ ligne d’iso-pression
Un cas concret: la prévision de cette semaine (2)
Ligne 5440metres
Relation forte entre pression
atmosphérique et température
Hauteur de geopotential (500 hPa) ~ ligne d’iso-pression
Temperature
Un cas concret: la prévision de cette semaine (3)
Ligne 5440metres
Un cas concret: la prévision de cette semaine (4)
Ligne 5440metres
1 spaghetti=1 membre
Un cas concret: la prévision de cette semaine (5)
Prévisibilité due aux
conditions initiales perdue
après 5-6 jours
Peut-on quand même dire quelque chose
aux échéances plus éloignées?
De la météo au climat…
De la météo au climat… : l’anomalie!
Anomalie
Positive
~ +3oC
Température climatologique
ou normale
Anomalie
Négative
~ -6oC
Même si la prévision de la séquence temporelle des événements
Météo est perdue, subsiste quand même de l’information
Source de prévisibilité dans les conditions aux limites pour l’atmosphère
Initialisation le lundi 25 Mars
Prévision pour la Semaine du 1er Avril au 7 Avril
Couverture neigeuse du 25 Mars
Probabilité que la température soit
supérieure a la normale
Prévisibilité due aux
conditions aux limites après
qques jours
Anomalie de température de la mer du 25 Mars
L’ océan : source de prévisibilité pour l’ atmosphère
Anomalies du 25 Mars
Temperature moyenne
Anomalie
L’ océan : source de prévisibilité pour l’ atmosphère
Anomalies du 25 Fevrier
Temperature moyenne
Anomalie
El Nino/La Nina
El Niño
Anomalies de température du 13 Nov. 1997
La Niña
Les alizés
Anomalies de température du 15 Oct. 2007
Les prévisions pour l’ été 2013
Prévision de la température de surface de la mer sur le Pacifique
Probabilité que la température soit
supérieure à la normale pour l’ été 2013
La tendance de la température en France
2003
Anomalie de Temperature moyenne sur la France
2010
2011
Les projections climatiques
Canonical
CSTE
11yr(1850)
cycle
Emission
CSTE
[1995-2100]
(1850)
Scenario pessimiste
Scenario médian
Scenario optimiste
Global temperature evolution
IPCC models
Un réchauffement entre
~1.4o et ~5o a la fin du
siècle
Observations
Source: IPCC AR4
La mauvaise interpretation
des incertitudes
Un scenario futur
Les disparités régionales s’expliquent par une combinaison de dynamique atmosphérique et
océanique et d’effets locaux amplificateurs
• Les continents se réchauffent plus vite que les océans et les hautes latitudes
plus vite que les tropiques
• Un refroidissement local (e.g. Mer du Labrador) n’est pas du tout
incompatible avec un réchauffement global
Importance de la
variabilité naturelle
Personne n’a dit que le réchauffement
en réponse aux gaz a effet de serre
devait être continu!
Attention a ne pas confondre
FORCAGE (F)
avec
REPONSE (T)
T=λF
Le caractère réflexif de l’incertitude
Scenario pessimiste
Scenario médian
Scenario optimiste
INCERTITUDES
Réflexive: la société fait partie à la fois du problème (émission des gaz a effet
serre, déforestation) et de la solution (atténuation et adaptation) : on peut la
contraindre par les scénarios d’émission ou de modifications des sols!
Source : Rapport GIEC 2007
Conclusion
• sources de prévisibilité : 2 types :
1.
2.
Conditions initiales
Conditions aux limites
• niveaux de prévisibilité :
o
o
condition initiales atmosphériques : quelques jours
condition initiales océaniques : quelques mois à quelques
années
o
conditions aux limites :
toutes les échelles (du mois a la paleo)
• omnipresence des incertitudes :
o stochastique (nature du système chaos)
o épistémique (la connaissance et les outils : la science progresse)
o réflexive (l’homme au centre de tous… peut-être la plus difficile!)
Merci de votre attention
Attribution (2)
Observed
CSTE
[1850-2010]
(1850)
Tous les forcages
Observed
CSTE
[1950-2010]
(1850)
Tous les forcages
sauf les gaz a effet
de serre
Observations
Modele
Source: IPCC AR4
Costal ecosystems vulnerability to global change and extreme events
7. Température/Precip sur l’Europe
3. Prévisibilité et modèles
MOYENNE
21 modèles
Changement de température et précipitation dans le
scenario A1B pour la période [2080-2099] (GIEC 2007)
Les modèles : véritable maquette du système Terre
Modèle de
météo
Modèle
couplé
Au jour d’aujourd’hui
Emission de CO2
D’origine fossile
Niveau de la mer
Source: http://www.copenhagendiagnosis.com
Extension des glaces sur les oceans et les continents
Importance des retroactions
Il y a
20 000 ans
Seulement 5 degres de moins qu’aujourd’hui !!!
Aujourd’hui
El Nino / La NINA
1998
Sea surface temperature
El NINO
2008
LA NINA
La température globale planétaire est fortement
influencée par les fluctuations naturelles que sont El
Nino /La Nina (ENSO)
Anomalies de la température globale par rapport
a la période de référence 1900-2000 (données HadCRUT3)
El NINO 1997-1998
LA NINA 2008-2009
Anomalies de la température globale par rapport
a la période de référence 1900-2000 (données HadCRUT3)
Ce que +4o signifie sur la France? (1)
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
1900
+4oC
1920
1940
1960
Température moyenne observée
sur la France
1980
2000
2020
2040
2060
2080
2100
Temperature moyennes simulee
depuis 1950 jusqu’à 2100
Ce que +4o signifie sur la France? (1)
Anomalie de 2003= 3,7°
°C
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
1900
2003
+4oC
1920
1940
1960
1980
2000
2020
2040
2060
2080
L’été 2003 peut être considéré comme un avant gout de nos étés a la fin du siècle:
Ce sera l’été « normal » (cad une fois sur deux de 2080), et un été froid pour 2100.
+
4oC
(climat)
40oC
(meteo)
2100
La glace de mer
Observations
Projection du GIEC AR4