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Le climat à découvert

 | 
Catherine Jeandel
, 
Rémy Mosseri

Septième partie. Prévision et projection climatique

4. Les simulations historiques : xxe siècle et dernier millénaire

Myriam Khodri, David Salas y Mélia et Jean-Louis Dufresne

Texte intégral

1La température moyenne globale a augmenté de 0,74 ±0,18 °C sur la période 1906-2005. Pour distinguer l’action des forçages naturels (solaire, volcan, etc.) de celle des forçages anthropiques (GES, utilisation des sols, etc.), les observations directes du climat récent (depuis 1850 environ) apportent une réponse partielle. La modélisation climatique est un formidable recours pour comprendre les grandes tendances et/ou équilibres climatiques. Aujourd’hui, grâce à l’augmentation des capacités de calcul, il est possible d’effectuer des simulations avec des modèles globaux sur plusieurs centaines d’années (cf. V-2, V-4).

Climat préindustriel

2Estimer la variabilité naturelle liée à la dynamique interne au système climatique* est une première étape essentielle. Cette estimation est réalisée grâce aux simulations de « contrôle » qui doivent être les plus longues possible (plusieurs siècles) et correspondent à un climat où l’influence des forçages externes* est maintenue constante. On choisit traditionnellement les forçages de 1850, dits « préindustriels » et les données actuelles du climat pour initialiser le modèle couplé. Lorsque le climat ainsi simulé atteint un équilibre relatif avec les forçages de 1850 imposés de manière constante, il peut être utilisé comme état initial à une simulation des 150 dernières années ou des 1 000 dernières années. Dans ces simulations dites « historiques » c’est l’évolution temporelle des forçages observés ou reconstruits qui sera imposée.

3Dans ce type de simulations, on ne s’attend pas à ce que les trajectoires climatiques simulées à l’échelle d’une région soient comparables à une série de mesures locales dominées par la variabilité interne. On cherche à quantifier et à attribuer l’impact de la variabilité des forçages externes sur les grandes tendances climatiques à grande échelle spatiale. Comme pour les prévisions et projections climatiques présentées dans ce chapitre, il est essentiel d’effectuer un ensemble de simulations historiques pour prendre en compte l’incertitude sur l’état initial des simulations en 1850 et l’influence des processus aléatoires et de la variabilité interne. Les techniques d’ensemble permettent en particulier de séparer la variabilité interne (différence entre les membres de l’ensemble), de la variabilité forcée (commune aux membres en réponses aux forçages). Cependant, les ressources informatiques étant limitées, la réalisation de plusieurs simulations de 1 000 ans implique un compromis entre le degré de complexité du modèle, sa résolution spatiale et le nombre de membres souhaité. Cette réalisation est davantage envisageable pour les simulations dites « du XXe siècle » sur la période 1850-2000.

Climat du XXe siècle

4Les simulations du climat du XXe siècle démarrent en 1850 à partir de la simulation de contrôle. À partir de ce point, on peut choisir d’appliquer un jeu de forçages complet, incluant les facteurs naturels et les facteurs anthropiques, ou un jeu plus restreint, par exemple pour étudier l’impact climatique d’un des facteurs. L’évolution des GES (CO2, CH4, N2O, ozone…) est ainsi prescrite dans les modèles, en fonction de mesures directes (depuis 1958 pour le CO2) ou indirectes quand elles proviennent des bulles d’air piégées dans les glaces (cf. III-16). La plupart des modèles climatiques simulent le XXe siècle en prenant également en compte les concentrations d’aérosols calculées par des modèles de chimie-transport (cf. II-7). D’autres facteurs sont également intégrés : les changements d’usage des sols par les activités humaines, les variations de l’irradiance solaire) (cf. II-3), les éruptions volcaniques majeures du XXe siècle (cf. VI-5), etc. La prise en compte des forçages naturels et anthropiques est nécessaire pour bien capturer l’évolution des tendances observée depuis 1850.

Fig. 1 – Comparaison entre les anomalies de température globale de surface (°C) observée (en noir) et simulée par plusieurs modèles climatiques couplés globaux. En (a) les forçages anthropiques et naturels sont pris en compte, tandis qu’en (b), seuls les forçages naturels ont été considérés. GIEC, 2007

Fig. 2 – Reconstructions des forçages radiatifs en moyenne globale depuis l’an 1 000 en W/m2 pour (a) l’activité volcanique ; (b) l’activité solaire (deux reconstitutions différentes, la plus récente étant en rouge) ; (c) tous les autres forçages incluant les GES et les aérosols troposphériques sulfatés. GIEC, 2007

5La plupart des groupes internationaux de modélisation climatique ont effectué de telles simulations dans le cadre du 3e exercice d’intercomparaison de modèles couplés (CMIP3). Comme le montre la figure 1a, l’évolution de la température de surface en moyenne globale est correctement simulée par l’ensemble des modèles. La figure 1b, quant à elle, montre que le signal de réchauffement en fin de XXe siècle ne peut être simulé par aucun modèle lorsque l’augmentation des concentrations des GES n’est pas prise en compte. Ainsi, malgré la diversité des modèles, il s’agit là d’une indication (parmi d’autres) suggérant que les émissions des GES d’origine anthropique ont très probablement contribué à l’augmentation de la température globale d’environ 0,7 °C depuis 1900.

Climat du dernier millénaire

6Avant le XIXe siècle, les forçages naturels liés l'activité solaire et volcanique sont prépondérants par rapport aux autres forçages. Néanmoins, une grande source d’incertitude concerne l’amplitude de la tendance séculaire de l’irradiance solaire totale depuis la fin du dernier minimum d’activité solaire, dit « de Maunder », à la fin du XVIIe siècle (figure 2).

7L’activité solaire conduit à une modulation d’environ 0,1 % de la quantité d’énergie solaire perçue par la Terre au cours des cycles de 11 ans. À l’échelle séculaire, les dernières estimations indiquent que ces variations n’ont sans doute pas dépassé cette amplitude (figure 2b, courbe rouge). Sur de plus longues échelles de temps, l’énergie solaire reçue par la planète est également contrôlée par les variations de paramètres astronomiques, dont l’impact est négligeable en moyenne globale sur les 1 000 dernières années (cf. I-8). Cependant, cette évolution lente de la configuration orbitale de la Terre a un impact sur la répartition régionale et saisonnière de l’insolation, qu’il faut prendre en compte pour le réalisme d’une simulation climatique du dernier millénaire. Le forçage naturel le plus fort en termes de signature radiative reste le volcanisme, mais son action est limitée dans le temps et influence essentiellement les variations interannuelles du climat ainsi que le contenu en chaleur des océans.

8L’intérêt des modélisateurs pour l’étude du climat du dernier millénaire tient aussi à la richesse en informations historiques et en indicateurs permettant de reconstruire certaines variables climatiques auxquelles confronter les résultats des simulations. Les observations directes de certains paramètres météorologiques issus de documents historiques, même si elles ne sont disponibles que pour des régions restreintes, apportent des informations d’une grande valeur (cf. indicateurs issus de sources biologiques ou géologiques peuvent être également exploités, comme les cernes d’arbres, les spéléothèmes*, les sédiments* lacustres et marins, les coraux, etc. (cf. III-13, III-14, III-17). Toutes ces sources de données permettent de reconstruire des variables comme les températures, la salinité ou les précipitations, dans les régions où elles ont été collectées, avec une résolution temporelle pouvant atteindre la saison.

9La compilation de l’ensemble des données couvrant le dernier millénaire révèle que l’hémisphère Nord a connu des conditions climatiques relativement chaudes jusqu’au XIIIe siècle environ, « l’optimum médiéval », période suivie d’un « petit âge glaciaire » (du milieu du XVIe siècle au milieu du XIXe siècle environ), durant laquelle l’activité solaire était faible, l’activité volcanique relativement intense et la concentration en CO2 atmosphérique inférieure d’environ 4 ppm* par rapport à 1850. Ces grandes évolutions décrites par les données ne peuvent être attribuées au forçage des GES, ceux-ci évoluant trop peu sur les périodes concernées. Bien qu’il existe encore des incertitudes dans la datation et l’amplitude de ces événements pluriséculaires passés, les compilations d’indicateurs climatiques à l’échelle hémisphérique montrent que le réchauffement climatique des dernières décennies n’a pas d’équivalent sur le dernier millénaire.

10La température de l’hémisphère Nord simulée par la plupart des modèles se situe dans la gamme d’incertitude des reconstructions. En particulier, l’optimum médiéval et le petit âge glaciaire sont correctement simulés (figure 3). La capacité des modèles climatiques à reproduire les grandes tendances observées du dernier millénaire suggère un rôle dominant de l’irradiance solaire totale, sauf sur le XXe siècle, le volcanisme et l’utilisation des sols jouant un rôle secondaire. Néanmoins, l’interprétation de la plupart des résultats de simulations est limitée par la mauvaise prise en compte de la dynamique des forçages solaire et volcanique opérant notamment dans la stratosphère*. Cette dernière est en effet le théâtre de réactions physico-chimiques permettant à la fois l’amplification et la propagation vers la surface terrestre de ces forçages naturels. De nouvelles simulations sont en cours de préparation pour le prochain exercice du GIEC*, dans lesquels ces verrous scientifiques ont été en partie traités via notamment une meilleure représentation de la stratosphère et les progrès réalisés dans la reconstruction des forçages.

Années Fig. 3 – (a) Forçages radiatifs au sommet de l’atmosphère (en W/m2). La courbe noire représente l’évolution de l’irradiance solaire totale reconstruite. La courbe bleue correspond au forçage radiatif* lié aux changements de la concentration en CO2 atmosphérique. La courbe orange correspond au forçage radiatif cumulé des autres GES et des aérosols anthropiques depuis 1850. Les anomalies de forçages radiatifs sont calculées par rapport à la période 1500-1899. (b) Forçage radiatif local à 65 °N, lié à la fois aux variations des paramètres orbitaux (ligne noire) et aux variations de l’irradiance solaire totale. Les anomalies sont calculées par rapport à la période de référence 1000-2000. (c) Évolution de la moyenne des températures de l’hémisphère Nord simulée par le modèle par rapport à la période de référence 1500-1899. La zone grisée représente l’amplitude des incertitudes des températures reconstruites pour l’hémisphère Nord. La courbe rouge correspond aux températures simulées en réponse aux forçages représentés en (a) et (b). La courbe en pointillés rouges correspond à une simulation complémentaire sur la période industrielle avec en plus l’utilisation du forçage volcanique (non illustré ici). La courbe vert clair correspond à la simulation de contrôle avec le même modèle mais soumis aux forçages constants de 1850. La courbe vert foncé correspond à la tendance à long terme des températures de l’hémisphère Nord dans la simulation de contrôle. Servonnat et al., 2010

Bibliographie

Références bibliographiques

• S. JOUSSAUME - Climat d’hier à demain, CNRS Éditions, 1999.

• G. LAMBERT - La Terre chauffe-t-elle ?, EDP Sciences, 2001.

• E. LE ROY LADURIE - L’histoire du climat depuis l’an mil, Flammarion, 1967.

• C. LORIUS - Glaces de l’Antarctique, Point Seuil, 1993.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Comparaison entre les anomalies de température globale de surface (°C) observée (en noir) et simulée par plusieurs modèles climatiques couplés globaux. En (a) les forçages anthropiques et naturels sont pris en compte, tandis qu’en (b), seuls les forçages naturels ont été considérés. GIEC, 2007
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Légende Fig. 2 – Reconstructions des forçages radiatifs en moyenne globale depuis l’an 1 000 en W/m2 pour (a) l’activité volcanique ; (b) l’activité solaire (deux reconstitutions différentes, la plus récente étant en rouge) ; (c) tous les autres forçages incluant les GES et les aérosols troposphériques sulfatés. GIEC, 2007
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11491/img-2.jpg
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Légende Années Fig. 3 – (a) Forçages radiatifs au sommet de l’atmosphère (en W/m2). La courbe noire représente l’évolution de l’irradiance solaire totale reconstruite. La courbe bleue correspond au forçage radiatif* lié aux changements de la concentration en CO2 atmosphérique. La courbe orange correspond au forçage radiatif cumulé des autres GES et des aérosols anthropiques depuis 1850. Les anomalies de forçages radiatifs sont calculées par rapport à la période 1500-1899. (b) Forçage radiatif local à 65 °N, lié à la fois aux variations des paramètres orbitaux (ligne noire) et aux variations de l’irradiance solaire totale. Les anomalies sont calculées par rapport à la période de référence 1000-2000. (c) Évolution de la moyenne des températures de l’hémisphère Nord simulée par le modèle par rapport à la période de référence 1500-1899. La zone grisée représente l’amplitude des incertitudes des températures reconstruites pour l’hémisphère Nord. La courbe rouge correspond aux températures simulées en réponse aux forçages représentés en (a) et (b). La courbe en pointillés rouges correspond à une simulation complémentaire sur la période industrielle avec en plus l’utilisation du forçage volcanique (non illustré ici). La courbe vert clair correspond à la simulation de contrôle avec le même modèle mais soumis aux forçages constants de 1850. La courbe vert foncé correspond à la tendance à long terme des températures de l’hémisphère Nord dans la simulation de contrôle. Servonnat et al., 2010
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© CNRS Éditions, 2011

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