4. La reconstruction de la variabilité climatique contemporaine et le

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4. La reconstruction de la variabilité
climatique contemporaine et le
futur climatique au XXI° siècle
Plan du chapitre
4.1. La reconstruction climatique de la température de surface des 4 derniers siècles
4.1.1. Rappel sur le lien entre température moyenne planétaire et bilan
radiatif
4.1.2. Exemples de reconstruction de la variabilité de la TMS depuis 1000
environ
4.2. L’évolution future du système climatique au XXI° siècle
4.2.1. l’évolution future des forçages « naturels »
4.2.2. Les stratégies politiques et le contrôle des émissions anthropiques
4.2.3. La réponse du système climatique à l’augmentation des gaz à effet de
serre
4.3. A retenir
4.1. La reconstruction climatique de la température de
surface des 4 derniers siècles
4.1.1. Rappel sur le lien entre température moyenne planétaire et bilan radiatif
• Quand on considère une moyenne spatiale planétaire (TMS = température moyenne en
surface), on gomme bien sûr les différences entre les régions qui dépendent non seulement des
variations des bilans radiatifs locaux mais aussi de celles liées la redistribution de chaleur, c’està-dire les modifications de la circulation atmosphérique et océanique.
• le fait de prendre une moyenne temporelle annuelle gomme les effets liés à la saisonnalité.
• la variation de la TMS est surtout la résultante des variations du bilan radiatif moyen
planétaire et de l’efficacité de la répartition de la chaleur dans le sens vertical.
• Le lien entre les variations du bilan radiatif planétaire et la réponse thermique est réalisé par
le paramètre de sensibilité climatique, qui établit la réponse théorique linéaire (0.27°C) par
W/m2 de changement du bilan radiatif. Il ne faut pas oublier que cette mesure est simpliste et
ignore les rétroactions du système climatique susceptibles d’amplifier ou d’atténuer la réponse.
• Il faut notamment pondérer l’amplitude des variations du bilan radiatif par la durée du
forçage ; toutes choses égales par ailleurs, un forçage s’inscrivant sur le long terme aura plus
d’impact qu’un forçage s’inscrivant sur le court terme.
4.1. La reconstruction climatique de la température de
surface des 4 derniers siècles
4.1.2. Exemples de reconstruction de la variabilité de la TMS depuis 1000 environ
a. les forçages radiatifs sur cette période
Figure 4.1. : synthèse des forçages radiatifs de 1000 à 1998 (valeur annuelle) estimés à partir de diverses méthodes. Les échelles sont
différentes pour chaque forçage (source : Crowley, T.J., 2000, Causes of Climate Change Over the Past 1000 Years, IGBP PAGES/World Data
Center for Paleoclimatology Data Contribution Series #2000-045. NOAA/NGDC Paleoclimatology Program, Boulder CO, USA).
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surface des 4 derniers siècles
4.1.2. Exemples de reconstruction de la variabilité de la TMS depuis 1000 environ
Figure 4.2 : synthèse des forçages radiatifs de 1750 à 2000 (moyenne planétaire) (source : IPCC).
4.1. La reconstruction climatique de la température de
surface des 4 derniers siècles
4.1.2. Exemples de reconstruction de la variabilité de la TMS depuis 1000 environ
b. Approche diagnostique
Figure 4.3 : quantification de l’évolution thermique de 1600 à 1998 et causes possibles et partielles de ces variations. « NH » représente les
anomalies thermiques (moyenne annuelle de l’hémisphère nord) par rapport à la moyenne ??
4.1. La reconstruction climatique de la température de
surface des 4 derniers siècles
4.1.2. Exemples de reconstruction de la variabilité de la TMS depuis 1000 environ
Tableau n°4.1 : corrélations entre deux forçages et la TM de surface dans l’hémisphère Nord (moyenne décennale) (Lean et Rind 1998).
4.1. La reconstruction climatique de la température de
surface des 4 derniers siècles
4.1.2. Exemples de reconstruction de la variabilité de la TMS depuis 1000 environ
c. Approche par simulation : le rôle des forçages naturels et anthropique depuis 1850
Figure 4.4 : variations thermiques (moyenne annuelle planétaire) pour 3 simulations de 1000 ans utilisant des modèles couplés océanatmosphère-cryosphère et variations thermiques observées sur 1856-2000 à droite (source : http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/fig12-1.htm).
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surface des 4 derniers siècles
4.1.2. Exemples de reconstruction de la variabilité de la TMS depuis 1000 environ
Figure 4.5 : température moyenne planétaire annuelle observée (en rouge) et simulée (en noir) avec uniquement les variations de la
constante solaire et du volcanisme (a), uniquement les variations induites par les activités anthropiques (gaz à effet de serre, aérosols
soufrés (b) et les deux types de forçages (c). Les valeurs sont en anomalies (°C) par rapport à la moyenne 1880-1920 (source :
http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/figts-15.htm).
4.1. La reconstruction climatique de la température de
surface des 4 derniers siècles
4.1.2. Exemples de reconstruction de la variabilité de la TMS depuis 1000 environ
d. Synthèse
• La température moyenne de surface a de 0.8°C à 1°C depuis 1600 environ. Au XX° siècle, la se
concentre principalement dans deux phases : entre 1920 et 1940 puis depuis 1970-75 environ. Cette hausse
aboutit aux températures les plus chaudes enregistrées (ou reconstruites) depuis 1000 ans.
• Les forçages naturels contemporains (constante solaire et activité volcanique) semblent suffisants pour
expliquer les variations de la TMS jusqu’en 1930-40 environ.
• La première importante de la TMS enregistrée de 1920 à 1940 semble due à une de la constante
solaire et à la de l’activité volcanique au début du XX° siècle. La des gaz à effet de serre, depuis 1800
semble jouer un rôle assez mineur même si cette va dans le même sens que la des température.
• La des températures enregistrées dans l’hémisphère Nord de 1940 à 1970 environ peut être aussi bien
attribuée à une de la constante solaire (qui est enregistrée plus fortement dans l’hémisphère nord
continental) qu’à la forte charge des aérosols soufrés dans cet hémisphère.
• La seconde (depuis 1970-75) ne semble pas pouvoir être expliquée uniquement par les forçages
naturels. Il faut donc invoquer la hausse des gaz à effet de serre qui s’accélèrent nettement dans la seconde
moitié du XX°.
• Les aérosols anthropiques semblent avoir eu un rôle modérateur par rapport à l’évolution des gaz à effet
de serre.
• Ces conclusions sont soumises aux incertitudes ; (i) de la mesure et de la reconstruction de la température
de surface observée ; (ii) des erreurs systématiques des modèles climatiques.
4.2. L’évolution future du système climatique au XXI° siècle
4.2.1. L’évolution future des forçages « naturels »
• A cette échelle, seules la constante solaire est (un peu) prévisible (d’après les évolutions
passées). Notons qu’à des échelles temporelles supérieures, nous allons inexorablement vers
une nouvelle glaciation culminant vers +60000 ans par rapport au présent.
• Les autres forçages ne sont pas prévisibles de façon déterministe mais uniquement de façon
probabiliste (éruptions volcaniques ?? et collision majeure avec un objet stellaire (par exemple ;
il existe une probabilité non nulle que la comète de Swift-Tuttle heurte la terre en août 2126…))
; l’impact exact de ces forçages aux conséquences refroidissantes plus ou moins majeures sont
donc pratiquement inconnus.
• Pour la constante solaire, la « prévision » revient à superposer les cycles connus (de Schwabe,
Gleissberg et Suess) et à, supposer que leur régularité constatée au cours de derniers siècles ne
sera pas altérée au cours du XXI° siècle.
• Dans ce cas (qui reste quand même hypothétique…), la constante solaire devrait augmenter
jusqu’en 2040 avec une forte croissance après 2010 et pourrait avoir un impact sur la TMS de
+0.4°C environ par rapport à l’actuel.
• La constante solaire devrait ensuite diminuer vers la fin du XXI° siècle.
• La seule certitude » naturelle » du XXI° siècle serait donc plutôt une hausse de la TMS jusque
vers 2040.
4.2. L’évolution future du système climatique au XXI° siècle
4.2.2. Les stratégies politiques et le contrôle des émissions anthropiques
a. L’exemple des CFCs
• Les CFCs sont des molécules synthétiques créées à partir de 1928..
• Découverte du trou d’ozone (= baisse brutale et presque totale de l’ozone au-dessus de l’Antarctique) en
septembre-octobre 1985 par une équipe anglaise (Fairman et al., 1985)
• 1ère conférence sur l’émission des CFCs à Montréal en 1987 : de la production des CFCs de 50% en 2000
• Amendement de Montréal en 1990 : arrêt total de la production de CFCs en 2000.
• Amendement de Copenhague en 1992 : arrêt total de la production des CFCs en 1995. + arrêt de la
production des HCFCs (= hydro-chloro-fluoro-carbones) remplaçants des CFCs ayant un impact faible mais
non nul sur la couche d’ozone) en 2029 avec diminution de la production des HCFCs de 90% en 2014.
• Amendement de Vienne en 1995 : mesure restrictive sur d’autres produits chlorés que les CFCs.
• Du point de vue politique, cette rapidité est malgré tout exemplaire mais elle s’explique par un ensemble
de raisons dont ;
(i) le pouvoir néfaste de la destruction de la couche d’ozone a été très rapidement estimé et il était
catastrophique car il touchait directement à la vie humaine (multiplication très rapide des cancers cutanés) ;
(ii) les solutions industrielles pour remplacer les CFCs par des autres produits (HCFCs puis HFCs – hydrofluoro-carbones- ne contenant plus de chlore) étaient assez simples et peu coûteuses à mettre en place.
• Csq importante ; Le niveau de certains CFCs commencent cependant à décroître de manière visible depuis
1990, et la couche d’ozone devrait revenir à un état pré-1930 vers 2050 selon l’amendement de
Copenhague.
4.2. L’évolution future du système climatique au XXI° siècle
4.2.2. Les stratégies politiques et le contrôle des émissions anthropiques
b. Les gaz à effet de serre et la conférence de Kyoto
• Le protocole de Kyoto découle de la conférence qui s’est déroulée en décembre 1997 dans
l’ancienne capitale impériale japonaise. C’est l’aboutissement de négociations internationales qui
ont véritablement commencé à la fin des années 1980 avec notamment la première conférence
des nations unis sur le “changement climatique” à Rio de Janeiro en 1992. L’objectif principal de
cette réunion était de “stabiliser les concentrations atmosphériques en gaz à effet de serre à un
niveau acceptable afin d’éviter des conséquences fâcheuses sur le climat”.
• La première difficulté importante est la définition du « niveau acceptable »
• La décision majeure du protocole de Kyoto est la baisse des émissions de gaz à effet de serre
des 39 paysles + développés
• Les gaz à effet de serre concernés par le protocole de Kyoto sont le CO2, le CH4, le N2O, les
HFCs, les PFCs (Per-fluoro-carbones) et l’hexafluorure de soufre (SF6).
• Le protocole de Kyoto a été ratifié (en avril 2004) par une centaine de pays représentant un
peu plus de 44% des émissions totales. Manquent évidemment les EU et la Russie, qui ne
semblent pas en voie de le ratifier…
4.2. L’évolution future du système climatique au XXI° siècle
4.2.2. Les stratégies politiques et le contrôle des émissions anthropiques
c. Bilan radiatif prévu : les différents scénarii
Figure 4.6 : évolution des émissions anthropiques selon 7 scénarii possibles
4.2. L’évolution future du système climatique au XXI° siècle
4.2.2. Les stratégies politiques et le contrôle des émissions anthropiques
- concentrations atmosphériques presque
dans tous les cas, plus ou moins rapidement,
sauf pour le méthane dans trois scénarii (B1,
A1B et A1T).
- Le méthane a une durée de vie limitée dans
l’atmosphère (une douzaine d’années) et une
baisse de l’émission se traduit assez
rapidement par une de la concentration
Figure 4.7 : évolution des concentrations atmosphériques en dioxyde
de carbone, en méthane et en protoxyde d’azote selon 7 scénarii
possibles.
4.2. L’évolution future du système climatique au XXI° siècle
4.2.2. Les stratégies politiques et le contrôle des émissions anthropiques
Figure 4.8 : forçage radiatif lié aux scénarii du SRES (moyenne planétaire et annuelle en référence à la période pré-industrielle).
4.2. L’évolution future du système climatique au XXI° siècle
4.2.3. La réponse du système climatique à l’augmentation des gaz à effet de serre
a. Réponse transitoire et réponse à l’équilibre
Figure 4.9 : illustration de la différence entre la réponse transitoire et la réponse à l’équilibre : évolution de la température de surface
moyenne (moyenne planétaire et annuelle) en rouge pour un doublement et un quadruplement de la concentration atmosphérique en CO2.
4.2. L’évolution future du système climatique au XXI° siècle
4.2.3. La réponse du système climatique à l’augmentation des gaz à effet de serre
b. Réponse thermique
- pour un même scénario, il y a en général 2°C
d’écart entre le modèle le moins et le plus
sensible).
Figure 4.10 : évolution de la température moyenne annuelle de surface
selon les 7 scénarii du SRES.
4.2. L’évolution future du système climatique au XXI° siècle
4.2.3. La réponse du système climatique à l’augmentation des gaz à effet de serre
Figure 4.11 : évolution des températures moyennes annuelles en surface entre 1961-1990 et 2070-2100 dans le cadre du scénario IS92a (BaU).
-T°C en moyenne de +3°C : la est globalement plus importante au-dessus des continents
qu’au-dessus des océans
- moyenne de la température est logique et correspond à l’ du Rn.
4.2. L’évolution future du système climatique au XXI° siècle
4.2.3. La réponse du système climatique à l’augmentation des gaz à effet de serre
Figure 4.12 : évolution des températures moyennes en Décembre-Février (haut) et Juin-Août (bas) en surface entre 1961-1990 et 2070-2100
dans le cadre du scénario IS92a (BaU)
- Amplification du réchauffement hivernal au-dessus des intérieurs sub-polaires (+ bassin arctique) ?
- Amplification du réchauffement estival au-dessus des continents tempérés – sub-tropicaux ?
4.2. L’évolution future du système climatique au XXI° siècle
4.2.3. La réponse du système climatique à l’augmentation des gaz à effet de serre
c. Réponse de la circulation atmosphérique et océanique
Figure 4.13 : évolution des précipitations totales (en mm) en Décembre-Février (haut) et Juin-Août (bas) en surface entre 1961-1990 et 20702100 dans le cadre du scénario IS92a (BaU)
- Les perturbations tempérées ?
- L’enrichissement de l’air en vapeur d’eau est plutôt un facteur favorable à l’instabilisation de la colonne d’air
- Il semble néanmoins que les précipitations hivernales ont tendance à augmenter aux latitudes
subpolaires en hiver et à diminuer aux latitudes subtropicales en été.
- Dans la ZIT
- Les cyclones tropicaux
4.3. A retenir
L’évolution contemporaine des températures moyennes en surface comporte
principalement deux phases de à partir de 1920 jusqu’en 1940, puis à partir de 1975.
Cette évolution est partiellement reproduite par des modèles climatiques ; les forçages «
naturels » (+ la variabilité interne générée par les modèles climatiques) sont capables
d’expliquer à eux seuls, la première phase de hausse des température (augmentation de la
constante solaire et diminution de l’activité volcanique), mais ils ne sont pas suffisants pour
expliquer la seconde phase de hausse.
Cette dernière est assez bien reproduite par les simulations tenant compte des forçages liés
aux activités anthropiques. Cela constitue une preuve indirecte, mais hautement probable,
que l’homme a déjà une influence significative sur l’évolution des températures (depuis la fin
du 20ème siècle).
L’évolution du système climatique au cours du 21ème siècle ne peut être abordée qu’au
travers des simulations climatiques car il n’y a pas d’analogues suffisamment proches
montrant une hausse des gaz à effet de serre telle que celle qui risque de se produire au cours
de cette période.
Les forçages « naturels » (constante solaire + éruption volcanique) vont continuer
d’influencer le climat au cours du temps mais les prévisions sont excessivement incertaines à
part une hausse de la constante solaire jusque vers 2040 puis une baisse.
4.3. A retenir
Les forçages liés aux activités anthropiques sont théoriquement contrôlables mais il y a un
degré d’incertitude (estimé sous la forme de « scénarii »).Un élément fondamental semble
cependant ne guère faire de doute ; la concentration en gaz à effet de serre va augmenter plus
ou moins fortement selon les choix effectués de façon globale et la concentration en aérosols
soufrés va diminuer. Le niveau de concentration atmosphérique en CO2 en 2100 va de 500
ppmv à 950 ppmv.
Malgré le protocole de Kyoto (décembre 1997) qui prévoyait une baisse des émissions chez
les grands producteurs de gaz à effet de serre de 1992 à 2008-2012, l’évolution des émissions
depuis 1992 nous place plutôt dans le cadre d’un scénario « BaU » (Business-as-Usual).
Dans le cadre d’un scénario BaU, la température moyenne de surface devrait augmenter de
près de 3°C à l’horizon 2100 avec de fortes modulations temporelles et spatiales liées à l’
enclenchement de boucles de rétroactions positives/négatives qui amplifient/régulent le
signal global (hausse de la température).
La réponse du cycle hydrologique est beaucoup plus difficile à cerner que celle des
températures.
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