Modélisation

Programme National d'Etude de la Dynamique du Climat
Appel d’Offres 2002
I - Cadre général
Le PNEDC répond à la nécessité de développer une compréhension intégrée du système climatique et
de ses changements en tenant compte des différentes composantes (atmosphère, océan, cryosphère,
biosphère, ...) et de leurs interactions depuis l’échelle globale jusqu’à l’échelle régionale. Son activité
scientifique s'oriente suivant les axes suivants :
- Changement du climat global et de sa variabilité depuis le début de l’ère industrielle et sur les cent
prochaines années (suivi des sources et puits des gaz à effet de serre et des aérosols et intégration
dans des scénarios, interaction entre chimie et climat à l’échelle globale, identification des
mécanismes de retroactions et réduction des incertitudes...) ;
- Nature et mécanismes de la variabilité climatique (depuis l’échelle de temps saisonnière
/interannuelle jusqu’au millier d’années pour le climat récent et les derniers cycles climatiques),
sensibilité du système climatique et détection des phénomènes abrupts ou irréversibles (transitions
rapides, processus à seuil, événements extrêmes ...) ;
- Etude du potentiel de prévision depuis l’échelle saisonnière jusqu’à l’échelle décennale,
caractérisation des composantes prévisibles ou imprévisibles, impacts régionaux du changement
climatique et de sa variabilité (mise au point et évaluation des systèmes de prévision, étude de
prévisibilité, pertinence des diagnostics ...) ;
Ce programme contribue à la visibilité de l’effort national des différents organismes français dans le cadre
de CLIVAR. Il apporte des éléments d’expertise pour dialoguer avec le secteur des impacts
environnementaux et socio-économiques dans le domaine de la prévision à longue échéance ou celui
des modifications du climat d’origine anthropique (en coordination avec le programme GICC du MATE). Il
s’appuie sur des études de processus de petites et moyennes échelles effectuées au sein des
programmes complémentaires de l’INSU (PNCA, PATOM, PROOF) avec lesquels il collabore. Des
relations étroites existent aussi avec le programme interdépartemental ECLIPSE du CNRS, axé vers
l’étude des liens entre changements climatiques, systèmes environnementaux et écologiques.
Le PNEDC souhaite renforcer son rôle d’animation de la communauté nationale en travaillant avec une
géométrie différente du précédent exercice. Il propose de développer des interactions scientifiques plus
importantes entre les études du climat du passé, de la variabilité actuelle, et du changement climatique et
pour cela, il propose, en parallèle d’une réflexion scientifique sur le changement global, de mettre en
place une animation scientifique renforcée sur trois thèmes : le climat de l’Europe et du bassin
Méditerranéen et leurs liens avec l’Atlantique nord et le bassin arctique, les mécanismes de variabilité du
climat en régions tropicales et leurs impact sur le climat global, la dynamique du système couplé
océan/glace/atmosphère aux latitudes australes et son rôle dans le climat. Cette animation par thème a
pour objectif de renforcer les liens entre les campagnes (par essence régionales), le développement de
méthodes d’analyse, et les interprétations diagnostiques des modèles. Cette approche permettra
également de s’interroger sur la méthodologie de l’évaluation des modèles et des données et sur la
pertinence de la régionalisation. En parallèle se maintiendra une activité de modélisation et d’analyse à
l’échelle globale qui donnera un cadre intégrateur à l’ensemble des activités.

II - Thèmes de recherche
Le contexte global
Comprendre et quantifier les mécanismes d'ajustement climatique et les modifications du climat moyen et
de sa variabilité sont d'une importance majeure et de la responsabiilté de la communauté scientifique du
PNEDC. Des réponses solides et eficaces demandent d'améliorer la coordination nationale et
européenne, en tenant compte d’une analyse de nos forces et faiblesses dans un contexte international.
Une des richesses de notre communauté est certainement de pouvoir rassembler des compétences
diverses sur une même thématique; cette richesse de compétence s’est aussi avérée une faiblesse dans
certains domaines (comme la modélisation) puisqu’elle a entraîné une multiplicité des outils dispersant le
potentiel de la communautét. Un effort structurant est indispensable pour maintenir une capacité de
mobilisation sur le thème du changement climatique au niveau international. La réflexion scientifique sur
le changement climatique global s'oriente autour de plusieurs thèmes :
Les études des mécanismes d’ajustement climatique sont indispensables pour réduire la marge
d’incertitude dans les simulations de scénario, elles permettent d’identifier les processus responsables
des rétroactions positives ou négatives à l’œuvre dans le système climatiques, et de mieux comprendre
et d’améliorer la représentation du comportement du système climatique.
La stratégie pour mener à bien ce type d’études s’appuie sur deux axes. Le premier utilise la synergie
entre le secteur spatial et la simulation numérique. La recherche va bénéficier de différentes missions
spatiales qui devraient permettre de mieux cerner le rôle d’un certain nombre de mécanismes clés
comme par exemple, les nuages et les aérosols (missions CALIPSO-CENA, AQUA, CLOUDSAT,
PARASOL, … ), processus de surface, humidité et salinité (GRACE, SMOS, … ), variation du niveau
des mers (JASON, GOCE, … ). Ces nouvelles observations devraient permettre un meilleur contrôle des
performances des modèles et une amélioration de leur paramétrisation.
Dans un second axe, la sensibilité des modèles qui sera estimée et évaluée sur le climat présent sera
évaluée sous des conditions de forçage externe du passé pour identifier les liens formels d’interactions
entre les composantes. La robustesse des mécanismes qui contrôlent les rétroactions climatiques reste
une des questions majeures pour s'assurer de la capacité de ces modèles à prévoir le climat du futur.
Comprendre l’évolution du climat sous l’impact des émissions anthropiques et à quel niveau il faudrait
réduire les émissions pour atteindre un objectif climatique donné est l’objectif des études d’interaction
entre climat et chimie. Les retroactions entre les composés à impact climatique (CO2, méthane, autres
gaz, aérosols, … ) doivent être étudiées par une stratégie incrémentale sur le système intégré. Différents
éléments doivent progressivement être mis en évidence (impact de la ventilation océanique des hautes
latitudes, prise en compte de la spéciation biologique, rôle de la biosphère terrestre…). A l’échelle locale,
les modifications de l’usage des sols (déforestation, irrigation, érosion) jouent aussi un rôle essentiel – en
particulier sur les ressources en eau, les flux de gaz et d’aérosols. La prise en compte des échanges
entre surfaces continentales, hydrologie, biosphère et atmosphère permettra d’introduire de nouveaux
processus dans l’évolution du changement climatique.
L’histoire de la Terre montre que son évolution passée a été marquée d’événements rapides qui ont
conduit à de nouveaux états du système climatique. Y-a-t-il un risque d’évolution irréversible du
climat lors du prochain siècle ? De nombreuses interrogations sont posées par le changement de la
cryosphère, des sols gelés, et des instabilités des calottes et de la circulation océanique profonde. Pour
aborder ces problématiques, une approche interdisciplinaire s’impose pour prendre en compte les
composantes lentes du climat telles que les glaciers, la circulation océanique profonde, la dynamique de
la végétation et des sols où peuvent se produire des processus irréversibles. L’étude des données
paléoclimatiques sera intensifiée pour chercher ce genre de comportement dans les climats du passé. Ce
domaine également devrait bénéficier de la collaboration entre les équipes de modélisation et les
observateurs.
Il est très difficile, sur les enregistrements actuels de faire la part des choses entre les variations
naturelles, les variations liées à l’impact grandissant des activités humaines, et dans ce dernier cas,
d’identifier l’origine et la nature de la pollution. Ce thème de la détection des changements climatiques
devrait se développer au niveau national en utilisant mieux les bases de données qui nous sont
particulières tout en veillant à leur intercalibration avec les autres base de données; d’autres études sont
également possibles en exploitant les données satellitaires disponibles sur une durée de plus de 20 ans,
ou à travers les archives disponibles à résolution annuelle (dendrochronologie, glaciers, sédiments

varvés, coraux, spéléothèmes…). L’utilisation de méthodes statistiques performantes est à encourager,
afin d’extraire des signaux fiables à partir des séries de mesures. Il sera fructueux de stimuler une
collaboration avec les historiens pour compiler les archives historiques d’événements climatiques et les
mesures instrumentales anciennes (collaboration avec le programme ECLIPSE).
Pour aborder pleinement ce sujet , il sera nécessaire de quantifier les facteurs de variabilité tels que les
fluctuations de l’irradiance solaire, le volcanisme, le changement de la composition chimique de
l’atmosphère, ou les modifications de l’usage des sols et d’évaluer l’impact des forçages externes et des
rétroactions internes du système climatique à la fois sur le climat moyen (optimum médiéval, petit âge
glaciaire) et sur sa variabilité (stabilité des modes de grande échelle). De multiples simulations de longue
durée seront nécessaires pour évaluer et étudier le comportement du système climatique sur ces
périodes.
En parallèle, un gros effort doit être fait autour de l’utilisation et de l'interprétation des proxies en
terme de variables climatiques à partir d’une analyse plus précise de l’enregistrement sédimentaire de
la variabilité annuelle et interannuelle sur des périodes instrumentées et à l’actuel
1
. Une approche
“ multi-proxies ” sera privilégiée car la confrontation de signaux variés et complémentaires permet une
interprétation plus robuste. La constitution de bases de données permet à la fois de rassembler (et donc
de sauvegarder) les informations disponibles et de faciliter leur combinaison. Enfin un effort majeur de
méthodologie reste à poursuivre pour synchroniser les différents enregistrements, qu’ils soient marins ou
continentaux. La comparaison puis le raccordement des mesures satellitaires aux mesures
instrumentales puis isotopiques sur des archives diverses (coraux, sédiments marins et continentaux,
glaces…) à haute résolution temporelle est un défi majeur.
Pour caractériser le climat moyen et sa variabilité dont celle liée aux événements extrêmes à l’échelle de
la centaine de km, pour déterminer et comprendre les mécanismes à l’origine de cette variabilité, pour
définir des scénarios d’évolution en réponse à des forçages locaux ou provenant d’autres régions, pour
explorer la possibilité de détection et d’attribution du changement climatique à cette échelle, l'approche
doit passer de l'échelle globale à l'échelle régionale. Les scénarios d’évolution peuvent ensuite servir
de base aux études d’impact dans le cadre du GICC, ou des projets européens. Comprendre le climat et
sa variabilité à l'échelle régionale soulève des questions spécifiques :
- Quelles sont les caractéristiques du climat moyen et de sa variabilité sur les régions d’intérêt de
l’échelle intrasaisonnière à l’échelle séculaire ? Cette caractérisation est utile à la mise en
perspective du changement climatique, pour permettre l’interprétation de données anciennes ne
couvrant qu’un domaine restreint de l’espace et du temps.
- Quelles sont les interactions d’échelles qui conditionnent les caractéristiques statistiques des
événements extrêmes ? Les tempêtes de l’hémisphère nord en particulier sont conditionnées par la
structure thermique de l’ensemble de la troposphère mais elles agissent en retour sur cette structure
thermique et sur le jet d’altitude associé.
- Quels sont les mécanismes qui sous-tendent la variabilité climatique naturelle et anthropique à
l’échelle régionale ? Sont-ils locaux tels ceux liés au contrôle radiatif ou au contrôle hydrologique du
bilan énergétique à la surface, ou mettent-ils en jeu la circulation à grande échelle ?
- Quels sont les facteurs régionaux (naturels tel que le relief et la couverture végétale, anthropiques
tels que la répartition des sources d’émissions, l’occupation des sols, …) et les échelles qui doivent
être pris en compte dans l’évaluation du changement climatique régional ?
- Quels sont les scénarios de changement climatique à l’échelle régionale, incluant l’impact sur les
propriétés statistiques des événements extrêmes? La réponse à cette question implique la mise en
œuvre combinée de méthodes de régionalisation dynamiques et statistiques. Cela implique la
réalisation de simulations coordonnées de changement climatique avec des GCMs servant de
modèles d’environnement et des modèles régionaux, ainsi que la mise en œuvre de méthodes de
désagrégation d’échelle. Quelles en sont les incertitudes respectives ?
1
i.e. indicateurs biologiques, géochimiques et/ou sédimentaires permettant de quantifier (empiriquement) les
paramètres climatiques et environnementaux pour les reconstitutions paléo-climatiques. Ce thème est également
mentionné dans l’Appel d’Offres du programme PROOF (PROcessus biogéochimiques dans l'Océan et Flux),
avec lequel une coordination devra être recherchée.

L’absence de longues séries de données homogènes de haute résolution spatiale demeure un handicap
majeur pour améliorer les modèles régionaux ; l’autre difficulté est liée à l’essence même de la démarche
régionale : chaque région d’étude présente des spécificités propres et doit bénéficier d’une approche
adaptée. D’importants efforts sont nécessaires sur les développement méthodologique, l’extension des
bases de données existantes et le perfectionnement des modèles existants. Chaque région demande une
étude particulière. Il sera donc nécessaire de focaliser les efforts sur un nombre limité de régions
particulièrement intéressantes scientifiquement, ou stratégiquement.
Thème 1 : le climat de l’Europe et du bassin Méditerranéen et leurs liens avec l’Atlantique
nord et le bassin arctique
Quel sera le climat de la région Europe/Méditerranée lors des cent prochaines années ? Quelles seront
les conséquences régionales du changement climatique ? Peut-on s’attendre à des évolutions rapides
des conditions climatiques ? A quelle échéance et avec quelle probabilité ? Quels en seront les effets sur
la variabilité de type NAO/AO, et plus généralement sur la variabilité atmosphérique au dessus de
l'Atlantique (événements extrêmes) ? Quel en sera l'impact sur la circulation océanique (en particulier, sur
la circulation méridienne dans l’océan Atlantique nord) , sur la couverture de glace dans l'Arctique, sur le
bassin hydrologique de la Méditerranée ?
On s’interrogera en particulier sur la concurrence pour l'intensité de la circulation méridienne entre un
effet de réchauffement "anthropique" et le refroidissement "local" du gyre subpolaire associé à un
renforcement possible de NAO. L’évolution du bilan d'eau douce sous les effets anthropiques dans la
région Méditerranéenne et celle de la cellule de circulation subpolaire devra être investiguée.
La compréhension du changement climatique s’appuie sur une meilleure connaissance du climat présent
et passé et de sa variabilité. En ce qui concerne la nature de la variabilité de la NAO, les rôles respectifs
de la variabilité interne de l'atmosphère et du couplage avec l’océan et la glace de mer, des liens avec la
variabilité de l’Atlantique tropical doivent être approfondis par l'analyse des observations et de simulations
dans un contexte couplé. L’accent sera mis sur la compréhension du rôle du bilan d’eau douce (salinité,
glace de mer, run-off, précipitations ... ) sur la variabilité climatique et l’occurrence des transitions rapides.
Quel est le couplage dans l'océan entre circulation horizontale et circulation méridienne, comment bien
prendre en compte le bilan d'eau douce des régions arctiques et l'exportation d'eau douce par les
courants de bord ouest, préciser les mécanismes de couplage entre glace de mer et atmosphère.
Progresser sur ce point requiert aussi des observations in situ ayant trait à la branche froide de la
circulation océanique, en surface et en profondeur, ainsi que l'inclusion de l'océan Arctique dans les
études ayant trait au domaine Atlantique.
On s’interrogera également sur la stabilité spatiale et temporelle du mode NAO/AO. Est-il modifié en
fonction de variations lentes du climat terrestre (que ce soit de la variabilité naturelle du passé récent ou
des variations induites par l’homme). Quels sont les autres modes pouvant intervenir sur le climat
européen ? Quelles en sont les implications pour l'interprétation de données "proxy" du climat, en
particulier continental? Peut-on préciser la structure et les caractéristiques des modes plus lents
(séculaires) de la variabilité du climat sur le secteur Atlantique à partir des observations instrumentales
ou paléoclimatiques ?
Enfin on cherchera à déterminer le potentiel de prévision aux échelles saisonnière à décennale, sur
l'Europe et les régions avoisinantes: dans quelles régions, et à quelle échelle de temps, peut-on espérer
prévoir les tendances climatiques ? quels sont les paramètres pertinents ? quelles sont les causes de
cette prévisibilité ? quels sont les poids respectifs des mécanismes locaux et des mécanismes de
connexion de grande échelle (téléconnexions avec les régions tropicales) ?
Dans quelle mesure peut-on isoler le secteur Atlantique/Europe/Méditerranée du reste des océans et de
l'atmosphère (la variabilité dans ces régions résulte t-elle du secteur Atlantique, ou de couplage
océan-atmosphère dans des régions plus éloignées, par exemple, El Niño)? Quel est le rôle respectif des
régions tropicales, tant océaniques que continentales par rapport à la variabilité locale de type NAO et
aux autres modes de variabilité de l'Atlantique extra-tropical ?

Thème 2 : les mécanismes de variabilité du climat en régions tropicales et leurs impact
sur le climat global
Les régions tropicales sont particulièrement vulnérables aux anomalies climatiques de par la forte
amplitude des contrastes climatiques qui s’y manifestent, de par leur peuplement important et leur
économie très dépendante des ressources en matières premières. De plus, une modification climatique
locale aux basses latitudes se propage rapidement aux autres régions tropicales, ainsi qu’aux plus
hautes latitudes par l’intermédiaire de mécanismes appelées les téléconnexions, dont les caractéristiques
peuvent évoluer lors d’un changement climatique.
Plusieurs interrogations guident les recherches sur les interactions océan-atmosphère en région
tropicale :
- par quels mécanismes, à quelles échelles, et dans quelle région, l’atmosphère peut-elle développer
une réponse cohérente à de faibles modifications de la température de surface de l’océan et de ses
gradients ? quels sont les rôles respectifs des régions d’upwelling océanique, d’eaux chaudes
(réservoir, ou région localisée sous la convergence atmosphérique), ou zone de gradient ? peut-on
identifier les structures océaniques critiques qui sont à l’origine des perturbations atmosphériques de
grande échelle, et par quels mécanismes celles-ci peuvent être entretenues pour contribuer à la
variabilité climatique (croissance d’instabilité, dépendance entre la variabilité océanique et son état
moyen, blocage saisonnier de la variabilité, rôle des téléconnexions) ;
- les parts respectives de la redistribution verticale, zonale et méridienne de la chaleur et du sel
(notamment la barrière de sel) dans l’émergence et le maintien des gradients de température en
région équatoriale doivent être explorées par une analyse comparée des mécanismes de circulation
et de ventilation dans les océans Pacifique, Indien et Atlantique; les échelles de temps nécessaires
pour ventiler la région équatoriale (et donc l’efficacité de ce processus, notamment dans les liens
potentiels entre variabilité interannuelle et variabilité décennale) doivent être identifiées ainsi que la
nature interne océanique, ou l’influence des téléconnexions, dans la variabilité décennale ;
- enfin, il faut approfondir la description de la variabilité des régions équatoriales à l’échelle des
derniers siècles et préciser la stabilité statistique de cette variabilité et l’évolution des connexions
entre les différentes régions ; documenter sa dépendance avec l’évolution des conditions climatiques.
Contrairement aux régions océaniques, l'excédent d'énergie reçu est peu emmagasiné par la surface
continentale, qui restitue rapidement cette énergie aux basses couches de l'atmosphère par les flux
turbulents. Les circulations de mousson sont donc fortement déterminées par les gradients méridiens
d'énergie liant les régions équatoriales excédentaires, principalement océaniques, et les zones
continentales tropicales moins excédentaires ou déficitaires (comme le Sahara). Reste à déterminer
quelles sont les influences respectives des deux milieux pendant l’évolution de la mousson. De plus, la
mousson interagit fortement avec les complexes convectifs de méso-échelle en Afrique, ou les
dépressions tropicales en Inde, principaux pourvoyeurs des précipitations dans ces régions. La nature
même de ces interactions doit être précisée. Les anomalies de températures de surface de mer, de
grande extension spatiale comme dans les évènements El Niño, et d’échelle régionale, comme les
évènements chauds dans le Golfe de Guinée ou dans l’océan Indien, modulent aussi fortement la
variabilité de l'intensité des systèmes de mousson. Ces connexions sont complexes et leur stabilité doit
être analysée dans un contexte de variabilité décennale ou de changement climatique. Enfin les
conditions hydriques des surfaces continentales ainsi que la couverture végétale ont un impact non
seulement sur le rendement pluviométrique des moussons, mais aussi sur la circulation de mousson
elle-même en modifiant les gradients méridiens d’énergie ainsi que la stratification verticale de
l’atmosphère. L’ensemble de cette physique complexe devra être étudiée et quantifiée.
Enfin un effort important doit être fait sur la prévision en région tropicale. Des anomalies climatiques
majeures y prennent naissance et persistent de quelques mois, à quelques années. Le potentiel de
prévision peut varier fortement d’une région, ou d’une saison à l’autre compte tenu de la complexité des
mécanismes qui peuvent y agir. Il sera important d’étudier le potentiel de prévision dans les régions
d’intérêt et d’y déterminer les facteurs limitants. Dans la région du Pacifique tropical, par exemple, on
regardera les interactions entre la variabilité de type ENSO et le changement climatique global, qui peut
affecter l’état moyen du système. Dans l’océan Indien, le rôle spécifique du cycle de mousson pourra
interagir fortement avec la prévisibilité.