Les projections climatiques à échelle régionale

Les changements climatiques
• Les projections climatiques à échelle globale
• Les projections climatiques à échelle régionale
• Les extrêmes
D’après les supports de David Salas, Michel Deque, Samuel Somot
Météo-France, CNRM-GAME
Comment modéliser le climat futur ?
L’effet de serre et le forçage radiatif
Sommet de l’atmosphère: contribution au
déséquilibre (*) radiatif induit (2011: 2,29 W.m-2)
Rayonnement
solaire net
Rayonnement infrarouge
net
(*) S’il n’y avait pas de rétroactions liées à l’ajustement de la température de la surface
et de la troposphère
(surface et atmosphère plus chaude réémettent plus d’énergie dans le canal IR).
Comment modéliser le climat futur ?
Les profils représentatifs d’évolution de concentration
Representative Concentration Pathways (RCPx, x=forçage radiatif en W/m2 en 2100, par rapport à
1850). Ex. RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0, RCP8.5
Forçage radiatif (anthropique et naturel)
Les 4 scénarios RCP
(Representative Concentration Pathways) (Moss et al, 2010)
Nom
Forçage radiatif
Concentration (ppm)
Trajectoire
RCP8.5
>8,5Wm-2 en 2100
>1370 eq-CO2 en
2100
croissante
~6Wm-2
RCP6.0
au niveau de
stabilisation après 2100
~850 eq-CO2
au niveau de
stabilisation après
2100
Stabilisation
sans
dépassement
~4,5Wm-2
RCP4.5
au niveau de
stabilisation après 2100
~660 eq-CO2
au niveau de
stabilisation après
2100
Stabilisation
sans
dépassement
Pic ~490 eq-CO2
avant 2100 puis déclin
Pic puis déclin
RCP2.6
Pic à ~3Wm-2
avant 2100 puis déclin
Les 4 scénarios RCP
(Representative Concentration Pathways) (Moss et al, 2010)
Forçage radiatif (Wm-2)
Emissions (GtCO2)
Moyennes multi-modèles du réchauffement global en
surface par rapport à 1986-2005 (GIEC, 2013)
Les projections du changement climatique
Incertitudes liées aux modèles et aux scénarios d’émissions (GIEC, 2013)
T2m en 2081-2100
par rapport à
1986-2005:
RCP2.6: +0,3-1,7°C
RCP4.5: +1,1-2,6°C
RCP6.0: +1,4-3,1°C
RCP8.5: +2,6-4,8°C
Changement de température globale en surface (°C)
Moyenne multi-modèles du réchauffement global en surface 18502300 par rapport à 1986-2005 - ensemble de simulations CMIP5(*)
42 modèles
Année
(*) CMIP: Coupled Model Intercomparison Project
[Projet d’Intercomparaison de Modèles Couplés]
Incertitudes des projections:
Températures moyennes globales décennales en surface
Evolutions simulées et
sources d’incertitude
Fraction de variance
expliquée par source
Variabilité
interne
scénario
modèle
Changements moyens en 2081-2100
par rapport à 1986-2005 (GIEC, 2013)
RCP2.6
Température
Précipitations
RCP8.5
Les projections du changement climatique
Changement de température simulé pour trois périodes futures (GIEC, 2013)
Changement de température moyenne annuelle de l’air en surface (°C), par rapport à 1986-2005
(multi-modèle)
2046-2065
RCP2.6
RCP4.5
RCP6.0
RCP8.5
2081-2100
2181-2200
Les projections du changement climatique
Changements de température à 2m - simulations pour le 4ème rapport du GIEC
CNRM
A2
B1
IPSL
Quelles sont les projections du changement climatique?
 Par rapport à 1986-2005 Le changement de la température
moyenne à la surface du globe pour la période 2016–2035 sera
probablement compris entre 0,3°C et 0,7°C. Pour la période
2081–2100, l’augmentation sera probablement comprise entre
0,3°C à 4,8°C.
• Par rapport à 1850-1900, le changement de la température
moyenne à la surface du globe pour la fin du XXIe siècle
dépassera probablement 2°C
GIEC, 2013
Quelles sont les projections du changement climatique ?
• Les changements concernant le cycle de l’eau mondial en
réponse au réchauffement sur le XXIe siècle ne seront pas
uniformes. Le contraste de précipitations entre régions
humides et régions sèches, et entre saisons humides et
saisons sèches augmentera, bien qu’il puisse exister des
exceptions régionales.
GIEC, 2013
Changements d’extension de la banquise de
l’hémisphère nord au cours du XXIe siècle (GIEC, 2013)
RCP2.6
RCP8.5
Extension de la banquise arctique (moyenne 2081-2100)
Les projections du changement climatique
Evolution de l’extension des banquises arctique et antarctique
Février
Arctique
Antarctique
Septembre
Changement du niveau moyen des mers au cours
du XXIe siècle par rapport à 1986-2005 (GIEC, 2013)
Quelles sont les projections du changement climatique ?
• Il est très probable qu’au cours du XXIe siècle, l’étendue et
l’épaisseur de la banquise arctique continueront à diminuer, de
même que l’étendue du manteau neigeux de l’hémisphère
Nord au printemps, au fur et à mesure de l’augmentation de la
température moyenne à la surface du globe. A l’échelle
mondiale, les glaciers continueront de perdre de leur volume.
• Le niveau moyen de la mer continuera à s’élever au cours du
XXIe siècle. La vitesse d’élévation du niveau de la mer
dépassera très probablement la vitesse observée sur la
période 1971-2010 pour tous les scénarios RCP, en raison du
réchauffement accru des océans et de l’augmentation de la
perte de masse des glaciers et des calottes glaciaires.
GIEC, 2013
Les projections du changement climatique
La circulation thermohaline
Sud
Quadfasel (2005)
Nord
Les projections du changement climatique
Evolution de la circulation thermohaline (GIEC, 2013)
Changement de l’indice de circulation méridienne océanique atlantique (Sv)
(1 Sv = 106 m3/s)
Les projections du changement climatique
Le CO2
C
O
O
Anomalie de température par rapport à 1861-1880 (°C)
Lien entre émissions de CO2 cumulées et changement de T à 2m (GIEC, 2013)
Émissions anthropiques cumulées de CO2 depuis 1870 (GtCO2)
Masses atomiques:
C=12, O=16
=> CO2=44
44g CO2 contiennent
12g C
1 GtC =
1 milliard de tonnes de C
= 3,66 GtCO2
Émissions anthropiques cumulées de CO2 depuis 1870 (GtC)
Conclusion
Constantes de temps
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• Les extrêmes
D’après les supports de David Salas, Michel Deque, Samuel Somot
Météo-France, CNRM-GAME
Changements de températures de surface
simulés pour la fin du 21ème siècle
DJF
JJA
MED
IPCC, 2001
Changements de précipitations simulés
pour la fin du 21eme siècle
DJF
JJA
MED
IPCC, 2001
Changements de température et précipitations
en moyenne annuelle (GIEC, 2007)
MEAN
21 modèles
scénario A1B, 2080-2099 vs 1980-1999
Notion de « régionalisation »
• Les modèles du GIEC peuvent nous donner des informations régionales
• Ils permettent de couvrir une large gamme d’incertitudes
• L’Europe est une région de bon accord entre les modèles du GIEC
Mais
• Ces modèles ont une faible résolution spatiale
• Ils ne représentent pas les processus physiques du climat régional
• Ils représentent mal les extrêmes
• Résolution trop faible pour les études d’impact
(agriculture, tourisme, neige, économie, océanographie côtière, santé, …)
On a donc besoin de « régionaliser » leur signal
• On va zoomer « intelligemment » leurs résultats … régionaliser
• Il existe différentes techniques de régionalisation (défauts/qualités)
• C’est une branche encore jeune de la recherche climatique
• On ajoute des sources d’incertitudes supplémentaires
Pourquoi régionaliser ?
Bolle, 2003
 Processus physiques régionaux …
– relief, vents régionaux, cyclogenèse, contraste terre-mer
– besoin de haute résolution spatiale
 … mais influence du climat global
– NAO, moussons indienne et africaine, dépressions atlantiques,
cellule de Hadley
Pourquoi régionaliser ?
Changement de température en été dans les années 2080, scénario A2
(Giorgi, 2004)
Modèle type GIEC
300km
Modèle régional
50km
Pourquoi régionaliser ?
300km
modèle global
50km
modèle régional
25km
modèle régional
Observations :
Précipitations en hiver
Structure spatiale des précipitations
Pourquoi régionaliser ?
Extrêmes de précipitations
quotidiennes (Alpes)
Les solutions techniques
Régionalisation : plusieurs solutions techniques
– La descente en échelle statistique : Régimes de temps
– Les GCM à maille variable : ARPEGE-Climat
– Les modèles à aire limitée, emboîtés dans des GCM :
ALADIN-Climat
– Les méthodes mixtes (dynamique / statistique)
projet CYPRIM
Le modèle ARPEGE-Climat
à résolution variable
Le modèle ALADIN-Climat à aire limitée
Le climat Euro-Méditerranéen
Changement moyen des températures (t2m)
Hiver
Scénario A2, 2070-2099 vs 1960-1989
(ARPEGE-Climat, projet PRUDENCE, 2004)
Eté
En °C
Dans les modèles régionaux, même structure du signal que dans les modèles
globaux mais en plus marqué.
• Réchauffement plus important sur terre que sur mer quelque soit la saison.
• En hiver, réchauffement plus important à l’est que sur l’ouest (rétroaction du
à la couverture neigeuse)
• En été, réchauffement avec un gradient Nord-Sud du à l’assèchement des
sols au Sud de l’Europe
Le climat Euro-Méditerranéen
Changement moyen des précipitations
Scénario A2, 2070-2099 vs 1961-1990
(ARPEGE-Climat, projet PRUDENCE, 2004)
Hiver
Eté
En
mm/jour
Exemple de sorties de simulation régionale :
température moyenne d’été en France (°C)
Observations
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
1900
1920
1940
1960
ARPEGE étiré, scénario A2
1980
2000
2020
2040
2060
2080
2100
Série temporelles des températures moyennes en été en observations et en projections (scénario A2).
Un été moyen c’est 18.5° mais avec un variabilité interne importante. Il y a des extrêmes (2003).
Pour les projections : très réalistes reproduit la variabilité observées. Dans le futur, tendance linéaires.
On voit très bien la place de 2003 dans le futur. 2003 devrait rester exceptionnel jusqu’en 2040 mais
serait un été « moyen » autour de 2060.
2003 n’est pas un signal du changement climatique mais peu servir d’un analogue.
Température (°C) – A2 / SST_CNRM
[2070-2099] - [1960-1989]
hiver
printemps
été
automne
ARPEGE-Climat étiré
Réchauffement plus fort en été qu’en hiver.
Les saisons sont intermédiaires (printemps, automne sont aussi intermédiaires
en terme de réchauffement)
Température (°C) – SST_CNRM
[2070-2099] - [1960-1989]
Scénario A2
Scénario B2
hiver
hiver
été
été
Incertitude liée au scénario
Température (°C) – Scénario A2
[2070-2099] - [1960-1989]
SST / CNRM
SST / Hadley Center
hiver
hiver
été
été
Incertitudes liés aux SST.
Structures spatiales inchangés
Précipitations (mm/j) – A2 / SST_CNRM
[2070-2099] - [1960-1989]
hiver
été
printemps
automne
Pour les précipitations :
Augmentation des RR en hiver quasiment partout, diminution partout l’été.
Précipitations (mm/j) – SST_CNRM
[2070-2099] - [1960-1989]
hiver
été
Scénario A2
hiver
Scénario B2
été
Incertitude lié au scénario
Le scénario plus optimiste en terme de GES donne plus de RR en hiver
La diminution des RR est plus faible en été
Incertitudes pour les modèles régionaux
 Incertitudes pour les modèles globaux
– Choix du scénario (B1, A1B, A2, …)
– Choix du modèle global (21 modèles pour le GIEC)
– Choix de modélisation, de physique pour un modèle global particulier
 Incertitudes pour les modèles régionaux
– Celles héritées des modèles globaux
PLUS
– Choix du modèle régional
– Choix de la température de surface de la mer
– Choix du modèle global forceur (si modèle à aire limitée)
 Le coût numérique des modèles régionaux et l’accroissement
de la gamme d’incertitude rend quasi-impossible l’évaluation
exhaustive des incertitudes dans les modèles régionaux
– Des méthodes restent à inventer
– Combinaison des modèles du GIEC et des modèles régionaux
– Utilisation des méthodes statistiques
Conclusion
 Probable ou très probable
– Réchauffement plus fort sur terre que sur mer
– Réchauffement plus fort en été qu’en hiver
– En été, réchauffement plus fort au Sud de l’Europe/France
– En hiver, réchauffement plus fort à l’Est de
l’Europe/France
– Moins de pluie au Sud de l’Europe/France/Méditerranée
– Plus de pluie au Nord de l’Europe/France
 On ne sait pas
– Position de la ligne de démarcation entre +/- de pluie en
Europe/France
– L’évolution des vents forts liés aux dépressions
– Comment bien évaluer les incertitudes en régionalisation
Les changements climatiques
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• Les extrêmes
D’après les supports de David Salas, Michel Deque, Samuel Somot
Météo-France, CNRM-GAME
Approche des extrêmes
Définition d’un phénomène extrême ?
Tempête de 1999 (tempête du siècle) -> phénomène trop rare
(observé une fois au 20ème siècle) : on ne peut pas conclure
quand à son évolution dans le climat futur
On s’intéresse à des extrêmes « pas trop rares » pour pouvoir
faire des statistiques
Par exemple : nombre de jour où Tn < -10dg à Paris en 2050
Tx > 30 dg
Approche des extrêmes
1,2
1
0,8
présent
futur
0,6
0,4
Pour l’étude des extrêmes, on
s’intéresse aux queues de distributions
0,2
0
La distribution d’une série de données (par ex Tn)
peut évoluer de plusieurs façons
Variation de la moyenne
Variation de l’écart type
Variation de la forme
Température (°C) été
Observé
Simulé
ARPEGE-CLIMAT, 50km ( 1961-1990)
Représentation du climat passé – résultats OK, pour la température
C’est la base de la modélisation afin de faire des projections.
Travail de fond : améliorer cette représentation du climat présent dans les modèles
Précipitations (mm/j) été
Simulé
Observé
ARPEGE-CLIMAT, 50km ( 1961-1990)
Pour les précipitations, c’est plus difficile.
Les structures spatiales sont présentes
(RR supérieures sur les reliefs, moins en méditerranée).
Une modèle régional est capable de faire cette distinction
contrairement aux modèles du GIEC
49
Tmax été (Paris)
Outil utilisé pour corriger les modèles :
diagramme quantile-quantile
50
observations
Tmin hiver (Paris)
modèle
51
observations
Précipitations été (Paris)
modèle
52
observations
Précipitations hiver (Paris)
modèle
Les extrêmes
ACTIVITE N°5
54
Température (Paris)
Tn DJF
Tx JJA
Climat présent
Climat futur
55
Précipitations (Paris)
DJF
JJA
Climat présent
Climat futur
56
Nbre jours/an Tx>35°C
Référence
Scénario
57
MAM
DJF
Nbre jours/an Précipitations>20mm
Référence
Scénario
58
SON
JJA
Nbre jours/an Précipitations>20mm
Référence
Scénario
59
Indices STARDEX





Projet Européen
Plus de 50 indices pour chaque saison
Base annuelle
Modèles et observations
Voir page
http://medias.cnrs.fr/imfrex
60
Durée de la plus longue période sèche en été
Référence
Scénario
61
Nombre de jours de canicule en été
Référence
Scénario
62
Synthèse
 Température:
 augmentation des vagues de chaleur
 réduction des vagues de froid
 Hydrologie
 augmentation des sécheresses estivales
 augmentation des crues hivernales (Nord)
 Vents
 augmentation faible (Nord)
 diminution faible (Sud)