An Introduction to Simple Climate Models Used in the IPCC Second Assessment Report - French

8/3/2019 An Introduction to Simple Climate Models Used in the IPCC Second Assessment Report - French

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Introduction aux modles climatiques simples

employs dans le Deuxime Rapport

dvaluation du GIEC

Publi sous la direction de

John T. Houghton L. Gylvan Meira Filho David J. Griggs Kathy Maskell

Fvrier 1997

Ce document a t prpar sous les auspices du Groupe de travail I du GIEC,coprsid par sir John T. Houghton du Royaume-Uni et L. Gylvan Meira Filho du Brsil.

UNEP

PNUE

WM O

OMM

GROUPE D'EXPERTS INTERGOUVERNEMENTALSUR L'VOLUTION DU CLIMAT

Le prsent document technique du Groupe dexperts intergouvernemental sur lvolution du climat a t labor la demande des parties la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques. Les l-ments dinformation rassembls ici ont t vrifis par des experts et divers gouvernements, mais nont pas texamins par le Groupe aux fins dune ventuelle acceptation ou approbation.


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1997, Groupe dexperts intergouvernemental sur lvolution du climat

ISBN : 92-9169-201-8


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Table des matires

Prface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v

Rsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2. Utilit des modles climatiques pour les tudes scientifiques et l'analyse des stratgies . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2. Climat et systme climatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1 Perturbations anthropiques de la composition de l'atmosphre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2 Nuages, surface terrestre et interactions dynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2.1 Nuages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.2 Surface terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.3 Ocans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2.4 Mouvements atmosphriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3 Forage radiatif, rtroactions et sensibilit du climat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.1 Forage radiatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.2 Rtroactions rapides et lentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.3 Sensibilit du climat : dfinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.4 Sensibilit du climat : constance et indpendance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3.5 Rponses climatiques rgionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3. Simulation des changements climatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.1 Hirarchie des modles climatiques de l'atmosphre et des ocans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.2 Modles du cycle du carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.3 Modles de ractions chimiques et d'arosols atmosphriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.4 Modles des inlandsis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.5 Calcul de l'lvation du niveau de la mer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.6 Utilisation des modles simples et complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.6.1 Comparaison des modles simples et complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.6.2 Limites des modles biosphriques du point de vue des donnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.6.3 Etablissement de stratgies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4. Modles climatiques simples utiliss dans le Deuxime Rapport d'valuation du GIEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.1 Composante biogochimique d'un modle climatique simple Conversion des missions en forage radiatif . 25

4.1.1 Gaz concentration homogne et dure de vie dfinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.1.2 Dioxyde de carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.1.3 Gaz non directement mis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.1.4 Arosols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.1.5 Calcul du forage radiatif partir des concentrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2 Conversion du forage radiatif en variations de la temprature moyenne mondiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.3 Calcul des variations du niveau de la mer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.3.1 Calculs partir du modle unidimensionnel remonte-diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.3.2 Calculs partir du modle bidimensionnel remonte-diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.3.3 Incertitudes dans les projections du niveau de la mer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5. Comparaison des variations de la temprature en surface et de la dilatation thermique des ocans simules l'aide de MCGAO et de MCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35


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Rfrences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Appendice 1 Rsum des mthodes utilises pour calculer les concentrations des gaz effet de serre dans le Rapport

du GTI (Chapitre 2 et section 6.3) et dans le document technique III du GIEC intitul Stabilisation desgaz atmosphriques effet de serre : consquences physiques, biologiques et socio-conomiques . . . . 41

Appendice 2 Effets fonctionnels des gaz effet de serre et des arosols sur le forage appliqus dans le Rapportdu GTI (section 6.3) et dans le document technique III du GIEC (1997) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Appendice 3 Valeurs de paramtres pour le module de fonte des glaces dcrit dans le texte et servant tablir lesvaluations basses, moyennes et hautes de llvation du niveau de la mer pour le prsent documenttechnique et dans le document technique III (1997) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Appendice 4 Glossaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Appendice 5 Acronymes et abrviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Appendice 6 Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Appendice 7 Etablissements auxquels sont affilis les auteurs principaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Appendice 8 Liste des publications du GIEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Table des matiresiv


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Prface

Le prsent document technique du Groupe d'experts intergouver-nemental sur l'volution du climat (GIEC), intitul "Introductionaux mthodes climatiques simples employes dans le DeuximeRapport d'valuation du GIEC" est le deuxime publi dans la sriedes documents techniques du GIEC et a t labor la demandede l'Organe subsidiaire de conseil scientifique et technologique(SBSTA) qui relve de la Confrence des Parties la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques.

Les documents techniques du GIEC sont labors soit lademande des organes de la Confrence des Parties, et agrs par

le Bureau du GIEC, soit sur la propre initiative du GIEC. Ilss'inspirent de textes contenus dans les rapports d'valuation etles rapports spciaux du GIEC et sont rdigs par des auteursprincipaux slectionns dans ce but. Une fois le projet de textetabli, il est soumis simultanment des experts et aux diversgouvernements pour rvision, puis une nouvelle fois aux gou-vernements pour vrification finale; dans le cas particulier, desobservations ont t fournies par 81 personnes reprsentant26 pays. Le Bureau du GIEC tient le rle de comit de rdac-tion et veille ce que les auteurs principaux, lors de la miseau point dfinitive du document, tiennent dment compte desremarques issues des rvisions.

Lors de sa douzime session (Genve, 3-5 fvrier 1997), leBureau du GIEC a examin les principales remarques que lesgouvernements avaient communiques aprs vrificationfinale. Les auteurs principaux ont ensuite termin le documenttechnique sa demande et en tenant compte de ses observa-tions. Le Bureau du GIEC a constat que les rgles tablies enla matire avaient t respectes et il a donn son autorisationpour que ce document technique soit communiqu au SBSTA,puis publi.

Nous devons une grande reconnaissance aux auteurs princi-paux, qui ont trs gnreusement consacr leur temps cedocument et qui, malgr de courts dlais, l'ont termin entemps voulu. Nous remercions John Houhgton et GylvanMeira Filho, coprsidents du Groupe de travail I du GIEC,qui ont supervis les efforts dploys cet gard, lesgraphistes duMeteorological Office du Royaume-Uni, quiont prpar les figures pour la publication, et en particulierDavid Griggs, Kathy Maskell et Anne Murrill, du Serviced'appui technique du Groupe de travail I du GIEC, qui ontveill la qualit de l'ensemble et au respect des dlais.

B. Bolin N. SundararamanPrsident du GIEC Secrtaire gnral du GIEC


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Introduction aux modles climatiquessimples employs dans le DeuximeRapport dvaluation du GIECCe document a t prpar sous les auspices du Groupe de travail I du GIEC.

Auteurs principaux :Danny Harvey, Jonathan Gregory, Martin Hoffert, Atul Jain, Murari Lal, Rik Leemans,

Sarah Raper, Tom Wigley, Jan de Wolde


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Le prsent document technique d'introduction au systme cli-matique et aux modles climatiques simples (MCS) vise deuxobjectifs : a) expliquer le mode de fonctionnement des MCS,les processus qui y sont intgrs, leurs avantages et leurs in-convnients par rapport aux modles plus complexes, leursapplications et les raisons de leur emploi frquent par le Groupede travail I dans le Deuxime Rapport d'valuation duGIEC (IPCC WGI, 19961) et b) justifier les procdures et leshypothses sur lesquelles reposent les projections relatives la concentration des gaz en trace, aux variations de latemprature moyenne mondiale et l'lvation du niveaumoyen de la mer l'chelle du globe, figurant dans leRapport du GTI (section 6.3) et dans le document technique IIIdu GIEC sur la stabilisation des gaz atmosphriques effetde serre.

Les principales composantes du systme climatique qui inter-

viennent dans les changements climatiques et leurs consquen-ces, comme l'lvation du niveau de la mer, attendus le sicleprochain sont l'atmosphre, les ocans, la biosphre terrestre,les glaciers, les inlandsis et la surface terrestre. Si l'on veutprvoir les rpercussions des perturbations d'origine anthro-pique sur le systme climatique, il faut calculer les effets de tousles processus cls en jeu ainsi que leurs interactions. On peutreprsenter ces processus sous forme mathmatique en s'ap-puyant sur des lois physiques, notamment celles de laconservation de la masse, de la quantit de mouvement et del'nergie. La complexit du systme climatique rend l'ordina-teur indispensable la ralisation de ce type de calculs. Les

formules mathmatiques sont intgres un programme infor-matique appel modle. Si ce dernier renferme suffisammentde composantes du systme climatique pour assurer la simula-tion du climat, on parle de modle climatique. A cet gard,les modles climatiques diffrent fondamentalement des modlesstatistiques purs auxquels on a recours dans certaines sciencessociales et qui reposent sur des corrlations indpendantes deslois physiques.

On peut reprsenter le systme climatique au moyen de mod-les plus ou moins complexes. Il est donc possible d'tablir unehirarchie de modles pour chaque composante. Les princi-pales diffrences entre les modles d'une mme hirarchie sont

les suivantes :

Nombre de dimensions spatiales. Dans un modle, il estncessaire de reprsenter les quantits physiques qui varientconstamment dans l'espace (p. ex. la temprature, l'humiditet la vitesse du vent) par leurs valeurs un nombre fini depoints. L'espacement entre les points de la grille correspond la rsolution spatiale. Dans les modles les plus com-plexes de l'atmosphre et des ocans servant l'tude du cli-mat (appels modles de la circulation gnrale atmosphre-

ocan ou MCGAO), ces quantits sont introduites au moyend'une grille tridimensionnelle longitude-latitude-hauteur ayantgnralement une rsolution horizontale de plusieurs cen-taines de kilomtres. Les modles plus simples, quant eux, utilisent des moyennes dans une ou plusieurs dimen-sions spatiales. On peut, par exemple, remplacer une grilletridimensionnelle par une grille bidimensionnelle latitude-hauteur, dont chaque point reprsente une moyenne detoutes les longitudes, une latitude et une hauteur donnes.

Degr de prcision dans la reprsentation des processusphysiques. Mme dans les modles climatiques les pluscomplexes employs pour prvoir l'volution du climat aucours du prochain sicle (MCGAO), la rsolution est gn-ralement de plusieurs centaines de kilomtres dans le planhorizontal. De nombreux lments importants du systmeclimatique (p. ex. nuages, surface terrestre) ont en ralit

des chelles plus rduites. Il existe des modles dtaillshaute rsolution pour ces processus mais ils sont trop lourdspour tre inclus dans un modle climatique. Avec sa rso-lution insuffisante, ce dernier doit malgr tout reprsenterles effets de ces processus sur le systme climatique. Le faitde reporter les incidences d'un processus petite chelle surune grande chelle est appel paramtrisation (Rapportdu GTI : section 1.6.1). Lorsque l'on rduit la dimension-nalit du modle, comme cela est dcrit plus haut, il fautparamtriser un plus grand nombre de processus.

Niveau d'introduction des paramtrisations empiriques.

Tous les modles ont recours la paramtrisation pourreprsenter les processus qui ne sont pas rendus explicitementpar les grilles. En consquence, ce qui diffrencie surtout lesmodles rsolution et dimensionnalit variables, c'est leniveau auquel les paramtrisations sont intgres, non pas lefait d'employer cette technique. Toutefois, mme dans lesMCGAO tridimensionnels, le comportement grande chelledu modle et la nature des processus calculs de manireexplicite (p. ex. vents et courants ocaniques) peuventtre fortement influencs par la faon dont sont param-triss les processus une chelle infrieure la maille desgrilles.

Temps d'excution. Plus efficaces du point de vue des calculsque les modles complexes, les modles climatiques simplespermettent d'tudier l'volution future du climat en fonctiond'un grand nombre de scnarios des missions de gaz effet de serre. Une telle analyse serait impossible avec lesMCGAO.

Les modles climatiques sont galement plus ou moinsreprsentatifs, selon le nombre de composantes intgres. Parexemple, un modle peut ne simuler que l'atmosphre, alorsqu'un autre, plus complet, combinera l'atmosphre (et les rac-tions chimiques qui y interviennent), l'ocan et les biosphres

terrestre et marine.

RSUM

1 Dnomm ci-aprs le Rapport du GTI.


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Dans le prsent rapport, nous employons le terme modlesclimatiques simples (MCS) pour dsigner les modles simpli-fis qui ont t utiliss dans le Rapport du GTI (sections 6.3,7.5.2 et 7.5.3) afin d'obtenir des projections relatives latemprature moyenne mondiale et l'lvation du niveau moyende la mer l'chelle du globe, partir des scnarios d'missionsIS92 et de profils de stabilisation du CO2. Ces MCS renfermentdes modules qui calculent a) les concentrations des gaz effet deserre en fonction des missions prvues, b) le forage radiatifcorrespondant ces concentrations et aux missions de prcur-seurs d'arosols, c) les variations de la temprature moyennemondiale lies au forage radiatif calcul et d) l'lvation duniveau de la mer provoque par la dilatation thermique desocans et par la rponse des glaciers et des inlandsis. Ces tapessont dcrites brivement dans les paragraphes qui suivent.

Des missions aux concentrations

Le calcul des concentrations futures des gaz effet de serre partir d'missions donnes ncessite la modlisation des proces-sus qui transforment et liminent les gaz de l'atmosphre. Dansle Rapport du GTI, on a calcul, par exemple, les concentrationsde CO2 l'aide de modles du cycle du carbone qui reprsententles changes de CO2 entre l'atmosphre, les ocans et la bio-sphre terrestre. Au lieu de circuler d'un rservoir l'autre,certains gaz effet de serre sont dtruits par ractions chi-miques. Il est possible de dduire les concentrations des mis-sions en intgrant des quations simples dans les MCS, une foisobtenues les dures de vie des gaz dans l'atmosphre partirde modles bidimensionnels et tridimensionnels des ractions

chimiques atmosphriques.

Des concentrations au forage radiatif moyen l'chelle du

globe

Lorsque l'on connat les concentrations des gaz teneur homo-gne, on peut calculer le forage radiatif moyen direct l'chelledu globe l'aide de formules simples dont les rsultats corres-pondent troitement ceux obtenus par les calculs dtaills dutransfert radiatif. Dans le cas de l'ozone troposphrique, la situa-tion est complique par le fait que ce gaz provient de l'missionde gaz prcurseurs transforms par ractions chimiques et par le

fait que sa concentration varie normment dans l'espace et dansle temps. Les teneurs ne sont alors pas directement calculeset on considre que le forage radiatif fluctue en fonction decertains liens simples avec d'autres gaz, lesquels reprsentent uneapproximation de l'ensemble des ractions chimiques. De mme,on calcule directement le forage radiatif attribuable la rarfac-tion de l'ozone atmosphrique par une relation simple avec lesmissions de composs chimiques renfermant du chlore et dubrome, relation talonne d'aprs les rsultats obtenus avec desmodles dtaills. Enfin, la quantit d'arosols prsents dans labasse atmosphre rpond de manire quasi instantane auxvariations des missions, en raison de la courte dure de vie de

ces particules; dans ce cas, spcifier un scnario d'missions

revient spcifier un scnario de concentrations. Ainsi, dans lesmodles climatiques simples employs dans le Rapport du GTI,les missions d'arosols mondiales sont directement associes auforage radiatif moyen l'chelle du globe (composantes directeset indirectes). On se sert pour cela des rsultats fournis par lesmodles tridimensionnels de la circulation gnrale de l'atmo-sphre (MCGA) qui tentent de reprsenter explicitement lesprocessus influant sur la quantit, la rpartition et les propritsdes arosols atmosphriques et sur le forage moyen mondialqui en dcoule. Etant donn que ces processus sont encore malconnus, les forages ainsi calculs demeurent trs incertains.

Du forage radiatif moyen l'chelle du globe la

temprature moyenne mondiale

A partir d'un scnario du forage radiatif moyen l'chelle duglobe, on peut calculer la rponse transitoire (variable dans letemps) du climat. Celle-ci dpend la fois de la sensibilit du

climat et du taux d'absorption de la chaleur par les ocans. Lasensibilit du climat correspond la variation de la tempraturemondiale en surface pour un forage radiatif donn. Elle int-gre les processus complexes qui dfinissent le mode de rponsedu systme climatique un forage radiatif, notamment les pro-cessus de rtroaction (p. ex. nuages, glace de mer, vapeur d'eau).

La rponse d'un MCS un scnario donn d'missions de gaz effet de serre et de prcurseurs d'arosols est lie la sensibilitdu climat et un nombre rduit de paramtres qui dterminentl'absorption de la chaleur par les ocans. Il existe quatre m-thodes diffrentes d'valuation de la sensibilit climatique :

a) simulations l'aide de MCGA tridimensionnels, b) obser-vations directes, aux chelles spatio-temporelles voulues, desprocessus cls qui influent sur l'amortissement radiatif versl'espace et, par consquent, sur la sensibilit du climat, c) recons-titutions du forage radiatif pass et de la rponse des climatsanciens, ou paloclimats et d) comparaisons des rsultats obte-nus au moyen des modles ocan-climat avec les relevs de latemprature mondiale du pass.

Le module climatique des MCS ne fournit que des informationssur la temprature mondiale. Pour dterminer les variationsclimatiques rgionales, les fluctuations d'autres variables (p. ex.les prcipitations) et l'volution de la variabilit et des extrmes,

il faut des MCGAO tridimensionnels.

De la temprature moyenne mondiale l'lvation du niveau

moyen de la mer l'chelle mondiale

Dans les MCS, l'lvation du niveau moyen de la mer estcalcule partir des apports suivants : a) dilatation thermiquedes ocans, lie aux variations de la temprature ocanique etb) glaciers, petites calottes glaciaires et inlandsis, dont lacontribution est value avec des modles simples de cescomposantes qui utilisent les variations de la temprature

moyenne mondiale calcules par un MCS.

Introduction aux modles climatiques simples employs dans le Deuxime Rapport dvaluation du GIEC4


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5Introduction aux modles climatiques simples employs dans le Deuxime Rapport dvaluation du GIEC

La plus importante source d'incertitude dans les projections desmodifications temporelles de la temprature moyenne mondialeest la sensibilit du climat l'tat d'quilibre, qui devrait s'ta-blir entre 1,5 et 4,5 C pour un doublement du CO2. Les MCSpostulent que la rponse de la temprature moyenne mondiale une perturbation du forage radiatif ne dpend que de la valeurmoyenne mondiale de cette perturbation et que la sensibilit duclimat demeure la mme, quelle que soit l'ampleur ou la direc-tion du forage radiatif. Dans la plupart des cas, l'effet del'ampleur, de la direction et de la nature du forage est jugngligeable au regard de l'incertitude qui entache la sensibilitelle-mme (facteur de trois).

La sensibilit du climat l'tat d'quilibre constitue aussi l'l-ment le plus incertain dans les projections de l'lvation duniveau moyen de la mer, mme si les variations des change-ments de temprature en fonction de la profondeur des ocanset la rponse des glaciers et des inlandsis prsentent par ailleursd'importantes incertitudes. En ce qui a trait l'accumulation de

dioxyde de carbone dans l'atmosphre, ce sont les valeurs asso-cies la biosphre terrestre et au climat qui sont les plusdouteuses. Les incertitudes entourant les valuations de l'accu-mulation de CO2 sont censes tre rduites pour les projectionssur deux ou trois dcennies, mais elles seraient plus dtermi-nantes dans le cas de prvisions plus longues.

Les modles simples et complexes nous aident beaucoup mieux cerner l'ventail des changements climatiques futurs,leurs incidences et leurs effets interactifs. Les modles plussophistiqus conviennent particulirement bien l'tude desprocessus fondamentaux qui ne peuvent tre reprsents par les

modles simples. Ils permettent galement d'tablir des projec-tions crdibles des fluctuations des moyennes et de la variabilitclimatiques l'chelle rgionale. Quant aux modles simples,ils peuvent servir reproduire le comportement moyen des mo-dles complexes et tre talonns en fonction des observations

l'chelle mondiale. En raison de leur efficacit de calcul et deleur clart sur le plan conceptuel, on les utilise aussi pourlaborer et analyser les scnarios des changements mondiauxainsi que pour tudier les effets interactifs des proprits dessous-systmes. L'emploi de MCGAO, pour la simulation deschangements climatiques rgionaux variation temporelle, etde MCS, pour une analyse plus pousse de la sensibilit et desscnarios, est dict par des considrations pratiques liesaux ressources informatiques disponibles et au degr de dtaildsir en vue du couplage des composantes. A long terme, lascience du systme terrestre vise mettre au point des modlescoupls du systme climatique toujours plus perfectionns.

Tous les modles du systme climatique employs dans leRapport du GTI ont t valus quant leur capacit de repro-duire les caractristiques cls du climat actuel ainsi que leschangements passs et paloclimatiques. Mme s'il est impos-sible de confirmer la validit de ces modles pour la prvisiondes conditions futures, leur aptitude rendre compte de diverses

caractristiques du systme atmosphre-ocan-biosphre et dechangements observs rcemment dmontre leur utilit dans laprparation de projections sur l'volution du climat.

Toutefois, de nombreuses incertitudes entachent encore lamodlisation du systme climatique. On apprcie trs mal leschangements qui pourraient survenir dans certains processus,comme ceux associs aux nuages, au sein d'un climat modifi.L'effet des arosols sur le bilan radiatif du climat reste incertain.Les fluctuations, difficiles prvoir, de la circulation ocaniquepourraient avoir des rpercussions significatives sur les change-ments climatiques rgionaux et mondiaux. Il pourrait se pro-

duire des variations imprvues du flux de carbone entre l'atmo-sphre, la biosphre terrestre et les ocans. On peut cependantaffirmer que la recherche amliore notre comprhension desprincipaux processus en jeu et affine leur reprsentation aumoyen de modles.


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1.1 Objectifs

Le prsent document technique d'introduction au systmeclimatique et aux modles climatiques simples vise deux objec-tifs : a) expliquer le mode de fonctionnement des MCS, lesprocessus qui y sont intgrs, leurs avantages et leurs incon-vnients par rapport aux modles plus complexes, leursapplications et les raisons de leur emploi frquent dans leRapport du GTI et b) justifier les procdures et les hypothsessur lesquelles reposent les projections relatives la concentra-tion des gaz en trace, aux variations de la temprature moyennemondiale et l'lvation du niveau moyen de la mer l'chelledu globe, figurant dans le Rapport du GTI (section 6.3) et dansle document technique III du GIEC sur la stabilisation des gazatmosphriques effet de serre.

1.2 Utilit des modles climatiques pour les tudesscientifiques et l'analyse des stratgies

La comprhension du systme climatique prsente un grandintrt du point de vue scientifique. L'enrichissement de notresavoir concernant les interactions entre l'atmosphre, les ocans,la biosphre, la cryosphre et la surface terrestre est en trainde rvolutionner les sciences de la Terre. Ces dernires annes,un sentiment d'urgence a stimul la recherche sur la mod-lisation du systme climatique, quand on a commenc entre-voir les effets potentiels des activits humaines sur la compo-sition de l'atmosphre, sur le climat rgional et mondial, sur

les cosystmes naturels et enfin, sur l'ensemble de la vieconomique.

Il est essentiel de disposer d'outils qui permettent d'analyser demanire efficace et crdible les stratgies envisages avant quele changement climatique en tant que tel ne soit amorc. Ainsi,les modles du systme climatique employs par les chercheursayant particip la rdaction du Rapport du GTI visent-ils, aumoins en partie, prvoir rapidement l'incidence des missionsanthropiques de gaz effet de serre et d'arosols, travers lesdiffrents maillons de la chane qui relie la cause ses effets.

La hirarchie des modles selon leur niveau de complexit, de

dimensionnalit et de rsolution spatiale est une notion impor-tante dans la modlisation du systme climatique. Il seraitabsurde d'affirmer, hors du contexte d'analyse, qu'un niveau estsuprieur ou infrieur un autre, car chaque modle peut treparfaitement adapt l'tude d'une question donne.

On recherche toujours un certain quilibre afin que chaquecomposante du systme climatique soit reprsente avec leniveau de dtail voulu. Ce difficile exercice relve de l'art dumodlisateur. Il n'y a pas de recette, mais il convientd'observer certains principes gnraux. Par exemple, il seraitpeu efficace de coupler un modle dtaill d'une partie du

systme ayant peu d'effet sur la question tudie avec un

modle reprsentant de manire grossire les processus phy-siques qui influent de faon prpondrante sur les rsultatsobtenus. Einstein pensait que tout devrait tre aussi simpleque possible, mais pas plus. Des gnrations de modlisateursse sont heurts ce dilemme. Il en a t largement question lorsdes valuations du changement climatique anthropique menespar le GIEC.

Les modles informatiques du changement climatique les plusgnraux employs par le GIEC sont les MCGAO coupls(voir la section 3.1), qui rsolvent de manire approximativeles quations de l'atmosphre et des ocans en divisant leursdomaines en grilles volumtriques, galement appeles botes.Chacune d'elles reoit une valeur moyenne pour certainesproprits comme la vitesse, la temprature, l'humidit (atmo-sphre) et le sel (ocans). La taille de la bote correspond larsolution spatiale du modle. Plus elle est petite, plus la rso-

lution est leve. Dans les recherches effectues l'aide demodles de la circulation gnrale, on considre que le ralismedes simulations climatiques s'amliorera avec la finesse de larsolution.

En pratique, les limites de calcul ne permettent pas d'obtenirune rsolution suffisante pour rendre compte des importantsprocessus survenant une chelle infrieure la maille. Lesphnomnes qui se produisent des chelles plus petites quecelles des MCG haute rsolution, et qui ne peuvent tre ignors,comprennent : la formation des nuages et les interactions avecle rayonnement atmosphrique; la dynamique des arosols sul-

fats et la diffusion de la lumire; les plumes ocaniques et lescouches limites; les tourbillons turbulents dans l'atmosphre etdans les ocans; les changes de masse, d'nergie et de quantitde mouvement atmosphre-biosphre; le dveloppement et ladgradation de la biosphre terrestre et les interactions entre lesespces; et enfin, la dynamique des cosystmes dans la bio-sphre marine pour n'en nommer que quelques-uns. Ledcalage entre l'chelle de ces processus et l'chelle des grillesralisables dans les modles mondiaux est un problme courantde la science du systme terrestre.

Pour rendre compte des processus climatiques dont l'chelle estinfrieure la maille, il faut paramtriser c'est--dire

employer des relations empiriques ou semi-empiriques afind'valuer les effets nets (ou moyenns par zone) l'chelle dumodle (voir la section 3 pour plus de dtails). Il est importantde souligner que tous les modles du systme climatique renfer-ment des paramtrisations empiriques et qu'aucun ne drive sesrsultats des seuls principes de dpart. La grande diffrenceconceptuelle entre les modles simples et complexes est leniveau hirarchique auquel est introduit l'empirisme.

Il est essentiel, par exemple, de rendre compte de l'apport dechaleur et de carbone dans les ocans lorsque le climat serchauffe en raison de l'effet de serre imputable au CO2 mis

lors du brlage de combustibles fossiles. Le mlange et le

1. INTRODUCTION


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transport ocaniques de cette nergie et de cette masse intro-duites au niveau de l'interface air-mer sont des processus clsqu'il faut reprsenter dans tout modle servant prvoir les vari-ations du climat, du niveau de la mer et de la teneur en dioxydede carbone. La vitesse de pntration de la chaleur et ducarbone dissous dans la thermocline (qui correspond, peuprs, au premier kilomtre de profondeur ocanique) dtermine,d'une part, le rchauffement global attribuable un forageradiatif donn et, d'autre part, la quantit de CO2 retenue dansl'atmosphre. En thorie, les MCGAO pourraient calculer cesprocessus, mais leur excution est encore trop longue pourtudier un grand nombre de scnarios d'missions. C'est pour-quoi on a employ des modles simples pour les projections desvaleurs moyennes mondiales de CO2, de temprature et duniveau de la mer associes aux scnarios IS92 et pour les cal-culs de la stabilisation du CO2 prsents dans le Rapport duGTI, ainsi que pour des calculs similaires figurant dans le docu-ment technique III du GIEC.

Quand on cherche modliser le systme climatique, le choix duniveau de paramtrisation le plus adquat doit reposer sur les con-naissances scientifiques du moment et tenir compte des contrain-tes informatiques. Prenons l'ocan unidimensionnel remonte-diffusion introduit par Hoffert et al. (1980, 1981), perfectionnensuite par de nombreux chercheurs (section 3.1) et utilis par leGIEC pour paramtriser les ocans du monde dans plusieurscalculs du cycle du carbone, du climat et du niveau de la mer.Dans ce paradigme, les ocans tridimensionnels sont remplacspar une colonne unique moyenne horizontale dans laquelle laconcentration du carbone et la temprature varient en fonction dela profondeur. Dans sa partie suprieure, la colonne change de

la masse et de l'nergie avec une couche de surface homogne;dans sa partie infrieure, elle est alimente par de l'eau froideprovenant d'une plonge polaire. Ce paradigme unidimensionnelsimule bien les variations historiques du climat et du cycle ducarbone. Remplacer la colonne par une bote homogne ou unocan purement diffusif donnerait un modle trop simple. Unebote de ce type ne rendrait pas compte du long dlai de mlangedes ocans par rapport la vitesse de variation des missions decarbone et du forage radiatif. On obtiendrait des taux d'absorptionde chaleur et de masse incorrects dans le temps. La reprsentationtant dj aussi simple que possible avec un ocan unidimen-sionnel remonte-diffusion, la simplification doit s'arrter l.

Une autre question frquemment pose est la suivante : commentsavoir si les prvisions fournies par un modle sont crdibles ?De nos jours, les scientifiques reconnaissent que la validit abso-lue d'une hypothse ou d'un modle ne saurait tre prouve, car ilest toujours possible qu'une autre explication rende compte desmmes phnomnes. En ce sens, mme les lois physiques lesmieux tablies ne sont pas immuables. Il faut plutt chercher dmontrer le caractre erron d'une thorie ou d'un modle. Plusune thorie ou un modle rsiste aux critiques, plus le degr deconfiance est lev. En fait, la testabilit d'une hypothse estdevenue une condition ncessaire pour que celle-ci soit accepte

dans le domaine scientifique. Comme l'a affirm Sir Karl RaimundPopper, philosophe des sciences et auteur de la doctrine de la fal-sifiabilit, la validit d'une loi naturelle repose sur son aptitude subir avec succs des tentatives de rfutation (Popper, 1969).

Par exemple, on a appliqu la rgle de falsifiabilit aux valeurs dela sensibilit climatique (section 2.3) (correspondant au change-ment de la temprature d'quilibre pour un doublement du CO2),qui se situeraient vraisemblablement entre 1,5 et 4,5 C d'aprs leRapport du GTI (rsum technique,section D.2). Dans les MCGA,la sensibilit du climat est calcule partir de lois physiques et deparamtrisations une chelle infrieure la maille de la grille.Au contraire, elle est directement spcifie dans les modles sim-ples ocan-climat. On a eu recours quatre mthodes diffrentesau moins pour valuer cette sensibilit : a) simulations l'aide deMCGA tridimensionnels (Cess et al., 1989); b) observations di-rectes, aux chelles spatio-temporelles appropries, des processuscls qui dterminent l'amortissement radiatif dans l'espace etdonc la sensibilit du climat (p. ex. Soden et Fu, 1995); c) recons-

titutions du forage radiatif pass et de la rponse des climatsanciens, ou paloclimats (Hoffert et Covey, 1992) et d) comparai-sons des rsultats obtenus au moyen des modles ocan-climatavec les relevs de la temprature mondiale du pass (voir lasection 4.2 et la figure 10). Chaque mthode comporte ses pro-pres inconvnients et incertitudes. Elles donnent cependanttoutes des rsultats qui concordent avec les valeurs indiquesdans le Rapport du GTI (1,5 4,5 C) et qui ne concordent pasavec des valeurs sensiblement plus basses ou plus leves.

Enfin, les modles simples du systme climatique ne consid-rent que les moyennes mondiales ou zonales, alors qu'il faut

tenir compte des variations rgionales des tempratures et desprcipitations pour valuer de manire intgre le lien entre lesmissions et les incidences. Ici aussi, en pratique, de nom-breuses valuations intgres sont ralises l'aide de modlesdont les principaux calculs du climat transitoire sont effectuspar des modles simples ocan-climat, partir de distributionsrgionales des tempratures et des prcipitations (provenantgnralement de MCGAO) mises la mme chelle que lesmodifications de la temprature moyenne mondiale (Santer etal., 1990; Hulme et al., 1995).

Ces considrations expliquent pourquoi on a employ des mo-dles simplifis du systme climatique dans le Deuxime Rapport

d'valuation. Elles ne cherchent pas dmontrer la suprioritinhrente d'une mthodologie de modlisation ou d'un niveau decomplexit dans toutes les circonstances. De fait, il est gnrale-ment admis qu' long terme, la science du systme terrestre vise mettre au point des modles tridimensionnels dtaills de ladynamique de l'atmosphre et des ocans ainsi que des modleshaute rsolution du biote terrestre et marin. Ces efforts de mod-lisation, mens paralllement, devront renforcer les modlesidaliss du systme climatique employs dans l'analyse desscnarios et l'valuation des stratgies climatiques, mesure quele processus d'valuation du GIEC voluera.


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Le climat est habituellement dfini comme le temps moyenou, de manire plus rigoureuse, comme la description statistiquedu temps partir de moyennes et de la variabilit temporelle decertaines valeurs, releves sur plusieurs dcennies (gnralementtrois selon la dfinition de l'OMM). Ces valeurs sont le plussouvent des variables de surface comme la temprature, lesprcipitations et le vent. Enfin, plus gnralement, le climat estla description de l'tat du systme climatique.

Le systme climatique comprend les lments suivants :a) l'atmosphre, b) les ocans, c) les biosphres terrestre etmarine, d) la cryosphre (glace de mer, couverture neigeusesaisonnire, glaciers de montagne et inlandsis) et e) la surfaceterrestre. Par leurs interactions, ces diffrentes composantesfaonnent le climat la surface du globe. Les interactions seproduisent par l'intermdiaire de flux d'nergie de formes diver-ses et d'changes d'eau, par la circulation de gaz en trace effet

radiatif important, tels le dioxyde de carbone (CO2) et le m-thane (CH4), et par le cycle des substances nutritives. L'nergiesolaire, qui alimente le systme climatique, est contrebalancepar l'mission d'nergie infrarouge (thermique) vers l'espace.Elle est l'origine des mouvements de l'atmosphre et desocans, des flux de chaleur et d'eau, et de l'activit biologique.La figure 1 prsente un schma du systme climatique, avecles principales interactions entre les diverses composantes et

les proprits qui peuvent varier (voir le Rapport du GTI :section 1.1).

Les composantes du systme climatique faonnent le climatmondial et rgional de diverses faons : a) en modifiant lacomposition de l'atmosphre terrestre, modulant ainsi l'absorp-tion et le transfert de l'nergie solaire ainsi que le rayonnement del'nergie infrarouge vers l'espace, b) en altrant les proprits ensurface de mme que la nbulosit et la nature de la couverturenuageuse, ce qui a des effets sur le climat l'chelle rgionale etmondiale et c) en redistribuant horizontalement et verticalementla chaleur d'une rgion l'autre par les mouvements de l'atmo-sphre et des ocans.

Dans les conditions naturelles, les diffrents flux entre les compo-santes sont gnralement trs proches de l'tat d'quilibre, lorsquel'on considre les moyennes tablies sur une plusieurs dcennies.

Par exemple, avant la rvolution industrielle, l'absorption de CO2par photosynthse tait presque exactement compense par lalibration due la dcomposition des vgtaux et des matires ausol, comme en tmoigne la concentration quasi constante dudioxyde de carbone atmosphrique pendant des millnaires,

jusqu'au dbut du XIXe sicle (voir le rapport du GIEC 19942 :

2. CLIMAT ET SYSTME CLIMATIQUE

Ocean

Atmosphre

Couplageair-glace

Prcipitations-vaporation

Couplageair-biomasse

Echangethermique

Variations

des apportssolaires

Couplageterre-biomasse

Biomasse

Terre

Mer-glace

Couplage glace-ocan

ArosolsH2O, N2, O2, CO2, O3, etc.

Tensiondu vent

Incidences anthropiques

Rayonnementterrestre

Nuages

Cours d'eauet lacs

Variations ducycle hydrologique

Ocan

Variations de la composition etde la circulation atmosphriques

Variations de l'orographie, de l'utilisation des sols, dela vgtation et des cosystmes la surface de la terre

.

Variations de la circulation et des rac-tions biogochimiques dans les ocans

Figure 1. Schma reprsentant les composantes du systme climatique mondial qui jouent un rle dans les changements climatiques lchelle scu-

laire (gras), avec leurs processus et interactions (petites flches) et certains lments pouvant varier (grosses flches). Tire du Rapport du GTI (figure 1.1).

2 IPCC (1995), dnomm ci-aprs GIEC 94.


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chapitre 1). Il peut toutefois survenir, d'une anne l'autre, delgres fluctuations positives ou ngatives, attribuables la va-riabilit naturelle du systme climatique. L'homme influe sur lesprocessus climatiques et drange l'quilibre naturel du systme enmodifiant constamment la composition de l'atmosphre et lesproprits de la surface terrestre l'chelle rgionale et mondiale.

2.1 Perturbations anthropiques de la composition del'atmosphre

Les activits humaines font varier la concentration des gaz effet de serre et des arosols, lesquels influencent et sont in-fluencs par le climat. Les gaz effet de serre rduisent la pertenette de rayonnement infrarouge en direction de l'espace tout enayant peu d'impact sur l'absorption du rayonnement solaire, cequi lve la temprature en surface et produit l'effet dit de serre(voir le Rapport du GTI : sections 1.2.2 et 1.3.1). Par ailleurs,les arosols sont importants par leur incidence sur le rayon-

nement solaire et par leur effet essentiellement refroidisseur(voir le Rapport du GTI : section 1.3.2).

Certains gaz effet de serre existent l'tat naturel mais sontlis directement ou indirectement l'activit humaine, alors qued'autres sont purement d'origine anthropique. Les principauxgaz effet de serre d'origine naturelle sont la vapeur d'eau(H2O), le dioxyde de carbone (CO2), l'ozone (O3), le mthane(CH4) et l'oxyde nitreux (N2O). Les grands groupes de gazpurement anthropiques sont les CFC, les HCFC et les HFC (quifont tous partie de la famille des halocarbures) et les espcesentirement fluores comme l'hexafluorure de soufre (SF6) (voir

le Rapport du GTI : chapitre 2).La vapeur d'eau est le principal responsable de l'effet de serrenaturel; c'est aussi le gaz effet de serre le plus troitementassoci au climat et, par consquent, le moins dpendant desactivits humaines. Cela est d au fait que l'vaporation estfortement lie la temprature en surface et que le cycle de lavapeur d'eau dans l'atmosphre est assez rapide, soit environ huit

jours en moyenne. Au contraire, les concentrations des autresgaz effet de serre sont sensiblement et directement dterminespar les missions imputables au brlage des combustiblesfossiles, par la sylviculture et la plupart des activits agricoles etpar la production et l'utilisation de divers produits chimiques.

Tous les gaz effet de serre qui sont directement fonction desmissions anthropiques, sauf l'ozone, sont bien rpartis dansl'atmosphre; cela explique le fait que leur concentration soitpresque identique partout et ne dpende pas du lieu d'origine desmissions. L'ozone diffre galement des autres gaz effet deserre en ce qu'il n'est pas directement mis dans l'atmosphre; ilprovient plutt de ractions photochimiques mettant en caused'autres substances appeles prcurseurs qui sont, elles,directement mises. A part la vapeur d'eau et le dioxyde de car-bone, tous les gaz effet de serre sont limins en grande partiepar ractions chimiques ou photochimiques se produisant dans

l'atmosphre. Le dioxyde de carbone, quant lui, se dplace

continuellement entre un certain nombre de rservoirs, oulieux d'accumulation provisoire (atmosphre, vgtaux terrestres,sols, et eaux et sdiments ocaniques). Les sources de gaz effet de serre naturels et les processus d'limination de l'ensem-ble des gaz effet de serre dpendent eux-mmes du climat (voirle Rapport du GTI : sections 1.2 et 2.2).

Les arosols sont de petites particules en suspension dans l'airqui interviennent principalement dans le climat en rflchissantune partie de l'nergie solaire en direction de l'espace (effetdirect) et en rgulant dans une certaine mesure la nbulosit etles proprits optiques des nuages (effet indirect). Ils absorbentgalement une fraction du rayonnement infrarouge. Les aro-sols sont d'origine naturelle et artificielle; les arosols naturelscomprennent le sel marin, les poussires et les particules volca-niques, alors que les arosols anthropiques proviennent notam-ment du brlage de la biomasse et des combustibles fossiles.Certains arosols, comme les poussires, sont directement misdans l'atmosphre, mais la majorit d'entre eux sont le produit,

comme l'ozone troposphrique, de la transformation chimiquedes gaz prcurseurs. Tous les arosols troposphriques ont unecourte dure de vie car ils sont rapidement emports par lapluie. Pour cette raison et tant donn que l'intensit des sour-ces d'mission varie fortement d'une rgion l'autre, la quantitd'arosols prsents dans l'atmosphre fluctue beaucoup. Lanature, la quantit et la rpartition des arosols atmosphriquessont elles-mmes influences par le climat (voir le Rapport duGTI : sections 2.3 et 2.4).

2.2 Nuages, surface terrestre et interactions dynamiques

Outre la composition de l'atmosphre terrestre, un certain nom-bre de processus mettant en cause les nuages, les propritsen surface et les mouvements atmosphriques et ocaniquesagissent sur le climat l'chelle rgionale et mondiale.

2.2.1 Nuages

La quantit, l'emplacement, la hauteur, la dure de vie et les

proprits optiques des nuages jouent un rle important dans le

climat de la Terre; les modifications de ces caractristiques

pourraient fortement contribuer aux changements climatiques.

L'effet radiatif d'une fluctuation donne des proprits, de laquantit ou de la hauteur des nuages dpend du lieu, de la p-

riode de l'anne et du moment de la journe o elle se produit.

Ces variations sont lies aux champs de temprature et d'humi-

dit tridimensionnels et aux processus dynamiques de l'atmo-

sphre (associs aux vents). C'est pourquoi seuls les modles en

trois dimensions prsentant une rsolution spatiale leve et un

cycle diurne sont en mesure de simuler correctement l'effet net

des modifications des nuages sur le climat. Toutefois, comme la

plupart des processus importants touchant les nuages se situent

bien en de de la rsolution des modles mondiaux, on est

contraint de recourir des reprsentations simples fondes sur

des moyennes par zone (paramtrisations), ce qui introduit un



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risque d'erreur significative dans la simulation des changements

(voir le Rapport du GTI : sections 4.2 et 5.3.1.1.4, et la section

3 du prsent document).

2.2.2 Surface terrestre

Les caractristiques physiques de la surface terrestre, notam-ment la couverture vgtale, influent fortement sur l'absorptionde l'nergie solaire et sur les flux de chaleur, de vapeur d'eau etde quantit de mouvement entre le sol et l'atmosphre. A quel-que endroit que ce soit, ces flux dterminent en grande partie leclimat de surface local et ont sur l'atmosphre des effets quis'tendent parfois toute la plante. Soulignons, cet gard,l'aspect primordial des modifications des couvertures de glace etde neige rflexion leve; mesure que le climat se rchauf-fera, l'tendue de ces couvertures diminuera et provoquera uneabsorption accrue de l'nergie solaire et un rchauffementsupplmentaire. Cette volution aura des rpercussions sur la

nbulosit qui compliqueront normment les efforts de prvi-sion. Pour bien simuler les modifications des terres merges etleur effet net, il faut employer des modles rsolution spatio-temporelle leve afin de tenir compte des interactions poten-tielles avec les nuages et de l'htrognit spatiale de la surface(voir le Rapport du GTI : sections 1.4.3 et 4.4). Sur une chellede quelques dcennies quelques sicles, les altrations de lacouverture vgtale et des proprits des sols perturberont gale-ment les changes de chaleur, d'humidit et de quantit de mou-vement entre la surface et l'atmosphre, de mme que les sourceset les puits d'un certain nombre de gaz effet de serre.

2.2.3 Ocans

Les ocans jouent un rle important et multiple dans le systmeet le changement climatiques. Ils constituent d'abord un vasterservoir de carbone, ayant dj absorb une partie du CO2anthropique mis jusqu' prsent. Ils continueront jusqu' uncertain point d'assurer cette fonction dans l'avenir. Deuxi-mement, les courants ocaniques transportent des quantitsapprciables de chaleur, ce qui a des consquences marquessur les climats rgionaux. Des changements dans le transportde chaleur ocanique pourraient avoir un effet significatif surles modifications climatiques rgionales et refroidir provisoire-

ment certaines zones ou en rchauffer d'autres bien davantageque la moyenne mondiale. Troisimement, l'absorption et lemlange descendant de la chaleur par les ocans ralentissentconsidrablement le rchauffement en surface. Si cela rduitles impacts lis la vitesse du changement climatique, celasignifie galement que la tendance se poursuivra mme aprs lastabilisation des concentrations des gaz effet de serre. Lescourants ocaniques et le taux d'absorption de la chaleur parles ocans sont fonction des configurations des vents et del'change de chaleur et d'eau douce (par les prcipitations etl'vaporation) entre les ocans et l'atmosphre. Aux latitudesleves, la prsence de glace de mer agit trs fortement sur ces

changes, ce qui rend d'autant plus essentielle une simulation

correcte de la glace (voir le Rapport du GTI : sections 1.4.2, 4.3et 6.2; et chapitre 10).

2.2.4 Mouvements atmosphriques

Les mouvements atmosphriques (vents) transportent la

chaleur et l'humidit et modrent les tempratures dans les

rgions polaires et quatoriales. Ils ont des effets considrables

sur la formation, la nature et la dure de vie des nuages, assu-

rant par l un couplage direct avec les bilans du rayonnement

solaire et du rayonnement infrarouge. Le transport de chaleur

atmosphrique et la modification de celui-ci influenceront

par ailleurs la rponse de la glace de mer et de la couverture

neigeuse terrestre aux variations de la temprature moyenne

mondiale, crant un autre lien avec le bilan radiatif global de la

Terre. Les changements dans les vents atmosphriques, ou les

fluctuations de l'vaporation et des prcipitations dues en partie

ces changements, pourraient modifier sensiblement et de

manire sans doute rapide la circulation ocanique (voir leRapport du GTI : sections 4.2, 4.3 et 6.2).

2.3 Forage radiatif, rtroactions et sensibilit du climat

La temprature de la Terre tend s'ajuster de manire quili-brer l'absorption d'nergie solaire et l'mission de rayonnementinfrarouge provenant du systme surface-atmosphre. Si, parexemple, l'nergie solaire absorbe excde le rayonnementinfrarouge mis (comme c'est le cas quand on rejette des gaz effet de serre dans l'atmosphre), les tempratures augmentent,

ce qui a pour effet d'accrotre les missions infrarouges versl'espace et de rduire le dsquilibre initial; un nouvel quilibrepourrait tre atteint, une temprature plus leve (voir leRapport du GTI : sections 1.2 et 1.3.1).

2.3.1 Forage radiatif

Les arosols et les gaz effet de serre anthropiques influent surle systme climatique en modifiant l'quilibre entre le rayon-nement solaire absorb et le rayonnement infrarouge mis,comme cela est dcrit dans le Rapport du GTI (section 2.4).Ce dsquilibre est appel forage radiatif, dfini comme la

variation du rayonnement descendant net (solaire et infrarougecombin) dans la tropopause aprs, par exemple, modificationdes concentrations de gaz effet de serre ou d'arosols et entenant compte de l'ajustement des tempratures stratosphriquesuniquement. Le climat de surface ragit l'volution initiale durayonnement net dans la tropopause plutt qu'en surface ou dansla haute atmosphre, car la surface et la troposphre sont forte-ment couples par les changes de chaleur et rpondent commeun tout la perturbation thermique combine. L'ajustement dela stratosphre est inclus dans le forage radiatif parce que lastratosphre ragit rapidement et indpendamment du syst-me surface-troposphre. Les forages radiatifs naturels,

une chelle allant de la dcennie au sicle, comprennent les



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variations de la luminosit solaire et les ruptions volcaniques,ces dernires produisant des arosols sulfats rflchissants,dont la dure de vie est de plusieurs annes s'ils sont injectsdans la stratosphre.

Le forage radiatif pour un doublement de la concentration deCO2 est de 4,0-4,5 Wm-2 avant l'ajustement des tempraturesstratosphriques (Cess et al., 1993); cet ajustement rduit leforage d'environ 0,5 Wm-2, ce qui donne 3,5-4,0 Wm-2. Si latemprature tait la seule variable climatique touche par cephnomne, le climat se rchaufferait de 1,2 C afin de rtablirl'quilibre radiatif. Cette lvation de temprature modifieraittoutefois d'autres proprits atmosphriques et de surface,ce qui altrerait encore le bilan nergtique et provoqueraitd'autres changements de temprature par une srie de processusde rtroactions, dont il est question dans la section suivante etdans le Rapport du GTI (Rsum technique, section D).

2.3.2 Rtroactions rapides et lentes

On peut dcrire comme suit le processus de rtroaction : la fluc-

tuation d'une variable (A) modifie une variable (B), modi-

fication qui a son tour une incidence sur la premire variable.

La rtroaction est positive quand le changement en B renforce le

changement en A, elle est ngative quand elle rduit l'effet

initial. Voici quelques-unes des rtroactions dont il faut tenir

compte dans le calcul du changement climatique moyen mon-

dial : a) Teneur en vapeur d'eau : dans un climat plus chaud,

la concentration de vapeur d'eau dans l'atmosphre augmente.

Comme la vapeur d'eau est un gaz effet de serre, il s'agit d'une

rtroaction positive. b)Nuages : il est difficile de calculer avecprcision les modifications des nuages, comme cela a t souli-

gn dans la section 2.2.1. Etant donn que les nuages prsentent

une effet radiatif marqu, ils sont susceptibles de causer une

rtroaction notable. Celle-ci varie en fonction de la nbulosit,

de l'altitude et des caractristiques des nuages, de mme que du

coefficient de rflexion de la surface sous-jacente, ce qui veut

dire que mme le sens de la rtroaction est incertain. c)Etendue

de la glace et de la neige : la rduction de l'tendue de la glace de

mer et de la couverture neigeuse saisonnire au sol pendant le

rchauffement climatique abaissera le coefficient de rflexion en

surface et aura tendance renforcer le rchauffement (rtroaction

positive). Comme nous l'avons mentionn dans la section 2.2.2,

les modifications de la nbulosit compliquent sensiblement lasituation. d) Vgtation : les changements dans la rpartition des

diffrents biomes ou dans la nature de la vgtation l'intrieur

d'un biome donn peuvent aussi modifier le coefficient de rfle-

xion en surface et produire un effet de rtroaction sur le change-

ment climatique. e) Cycle du carbone : les incidences du climat

sur la biosphre terrestre et les ocans devraient altrer les sources

et les puits de CO2 et CH4, modifier leurs concentrations atmo-

sphriques et provoquer une rtroaction radiative (voir le Rapport

du GTI : sections 1.4, 2.1, 4.2 et 4.4; et les chapitres 9 et 10).

Parmi ces rtroactions, celles mettant en cause la vapeur

d'eau et les nuages rpondent de manire quasi instantane

aux changements climatiques alors que celles associes la glace de mer et la neige ont un temps de rponse dequelques annes. Nous parlons dans ce cas de rtroactionsrapides. Certains processus lis la vgtation et au cycledu carbone se situent l'chelle des dcennies, tandis qued'autres non numrs plus haut, comme la rduction de lasuperficie des inlandsis, la dissolution des sdiments carbo-nats dans les ocans et le renforcement de l'altration chimi-que mtorique sur terre (ces deux derniers tendant rduire laconcentration de CO2 dans l'atmosphre), s'tendent sur descentaines, voire des milliers d'annes. Ce sont les rtroactionslentes.

2.3.3 Sensibilit du climat : dfinition

L'expression sensibilit du climat dsigne l'augmentation cons-tante de la temprature moyenne annuelle de l'air en surface, l'chelle du globe, associe un forage radiatif moyen mondial

donn. Il est courant de n'inclure que les processus de rtroac-tion rapide, notamment les variations de la vapeur d'eau, dans lecalcul de la sensibilit du climat et d'ignorer les modificationsinduites dans la concentration des autres gaz effet de serre(ainsi que d'autres processus de rtroaction lente).

Comme nous l'avons vu (en introduction la section 2.3), latemprature de la Terre s'ajuste de manire quilibrer le rayon-nement solaire absorb et le rayonnement infrarouge mis. Enprsence d'un excdent d'nergie, les tempratures tendent s'lever et accrotre les missions de rayons infrarouges versl'espace. Plus les missions infrarouges en direction de l'espace

augmentent en fonction de la temprature (c'est--dire plusl'amortissement radiatif est important), moins la tempraturedoit s'lever pour ramener zro le bilan nergtique net, etmoins la sensibilit du climat est grande. Les modifications del'albdo (coefficient de rflexion) du systme atmosphre-terrecontribuent galement (de manire positive ou ngative) l'amortissement radiatif. Les processus de rtroaction rapideinfluent sur la sensibilit du climat en facilitant plus ou moins lerayonnement du surplus de chaleur vers l'espace, c'est--dire enaltrant l'amortissement radiatif.

Gnralement, on utilise le doublement de la concentrationde CO2 comme repre pour comparer les sensibilits des

modles climatiques. D'aprs le Rapport du GTI (Rsumtechnique, section D.2), la sensibilit pour un doublement deCO2 devrait se situer entre 1,5 et 4,5 C. Dans la mesure o larponse de la temprature moyenne mondiale ne dpend que duforage moyen mondial, toute combinaison de forages (gaz effet de serre/luminosit solaire/arosols) correspondant lamme valeur nette pour un doublement de CO2 produira lamme lvation de la temprature moyenne mondiale l'tat d'quilibre. Lorsque la sensibilit du climat est constante,la rponse de la temprature d'quilibre varie proportionnel-lement au forage net. Toutefois, comme nous le verronsplus loin, ces deux conditions ne sont que de grossires

approximations.



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2.3.4 Sensibilit du climat : constance et indpendance

Etant donn les nombreuses non-linarits associes aux proces-sus de rtroaction rapide, qui dterminent la sensibilit du climattelle que dfinie plus haut, on peut s'attendre ce que la sensibi-lit soit fonction de l'intensit du forage et de sa distributionverticale, latitudinale et saisonnire. Les expriences menesavec divers modles indiquent toutefois que pour des valeurs deforage allant jusqu' celles prvues pour le sicle prochain, lasensibilit du climat est peu prs constante (c'est--dire que larponse de la temprature moyenne mondiale en surface est peuprs proportionnelle au forage moyen mondial). Par ailleurs,pour un certain nombre de forages, la sensibilit est large-ment indpendante de la combinaison spcifique des facteurs l'origine d'un forage moyen mondial donn. En particulier,l'lvation de la temprature suite une augmentation de laconcentration d'un ensemble de gaz effet de serre correspond environ 10 pour cent de la raction une augmentation duseul CO2 ayant la mme valeur de forage moyen mondial

(GIEC94 : sections 4.1.1 et 4.8; et Rapport du GTI : section 6.2.1.1).

La proportionnalit relative entre le forage moyen mondial et larponse de la temprature moyenne mondiale, pour les variationsdes gaz concentration homogne et de la luminosit solaire,peut disparatre quand les forages sont trs intenses et ht-rognes du point de vue spatial ou saisonnier (dus notammentaux fluctuations de l'orbite terrestre sur plusieurs dizaines demilliers d'annes) ou quand il y a des interactions particulire-ment fortes entre le forage et les nuages. C'est le cas desvariations de l'ozone et des arosols troposphriques, qui fontbeaucoup plus fluctuer le forage radiatif dans l'espace que les

changements des teneurs en gaz effet de serre concentrationhomogne et qui prsentent une configuration verticale deforage trs diffrente (GIEC94 : sections 4.1.1 et 4.8).

Mme s'il est possible que la sensibilit du climat moyen mondialaux variations des arosols et de l'ozone troposphrique soitdiffrente de celle associe l'volution des autres gaz effet deserre, les MCS employs dans le Rapport du GTI (section 6.3)postulent la mme sensibilit pour tous ces forages. Toutefois, larponse du climat une augmentation donne des arosols dpend la fois de la sensibilit du climat cette augmentation etdu forage d aux arosols, ce dernier tant trs incertain (de

-0,2 Wm-2 -2,3 Wm-2; voir le Rapport du GTI : section 2.4.2).Ainsi, l'incertitude du changement climatique attribuable auxvariations de la rponse climatique face la hausse des concen-trations d'arosols et de gaz effet de serre teneur homogne est,pour le moment, ngligeable au regard de l'incertitude lie auforage des arosols lui-mme.

2.3.5 Rponses climatiques rgionales

Que la rponse de la temprature moyenne mondiale dpendebeaucoup ou peu du forage moyen mondial net, les diffrentescombinaisons de forages mettant en cause l'ozone, les arosolset les gaz effet de serre concentration homogne produirontdes changements climatiques trs spcifiques dans une rgiondonne. C'est particulirement vrai dans le cas des augmenta-tions d'arosols troposphriques, o un refroidissement rgionalpeut survenir pendant un rchauffement moyen mondial et,dans une moindre mesure, dans le cas des variations de l'ozone

stratosphrique et troposphrique (Rapport du GTI : chapitre 6).Ainsi, en combinant les forages des arosols et de l'ozone ceux des gaz effet de serre concentration homogne, lechangement climatique survenant dans une rgion, associ un forage moyen mondial donn, dpend des forages spci-fiques en jeu, mme si la rponse de la temprature moyennemondiale est en gros la mme. Par ailleurs, quand on observe l'chelle rgionale d'importants forages ngatifs nets dusaux arosols, on voit que le refroidissement ne se limite pas auxrgions dans lesquelles se trouvent les arosols, en raison deseffets du transport thermique par les vents et les courantsocaniques.

Il y aura aussi de fortes variations rgionales de la rponseclimatique aux augmentations de la concentration des gaz effet de serre mme lorsqu'il s'agit de gaz concentrationhomogne, comme le CO2 et le CH4, dont le forage est rela-tivement uniforme d'une rgion l'autre. Cela est attribuableaux diffrences spatiales dans la nature et l'intensit des proces-sus de rtroaction (comme ceux associs la couvertureneigeuse, la glace de mer et aux nuages) ainsi que dans lesvents atmosphriques et les courants ocaniques, qui devraienttre modifis suite aux changements globaux du climat mondial(voir le Rapport du GTI : chapitre 6).


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Si l'on veut prvoir les effets des perturbations humaines sur lesystme climatique, il faut calculer les incidences de tous lesprocessus cls en jeu. Ces processus peuvent tre reprsentssous forme mathmatique, mais la complexit du systme obligel'emploi d'un ordinateur pour les calculs. Les formules math-matiques sont donc intgres un programme informatique quenous appelons modle. Si le modle renferme un nombresuffisant de composantes du systme climatique pour permettrela simulation du climat, on parle alors de modle climatique.

L'ordinateur le plus puissant au monde ne pourrait excuter unmodle climatique qui engloberait toutes les connaissancesactuelles sur le systme climatique. On doit donc faire certainscompromis. La question fondamentale est la suivante : avec queldegr de dtail doit-on reprsenter les processus et les compo-santes du systme climatique ? Si la reprsentation est simplifie,il est possible d'excuter le modle plus rapidement ou sur un

ordinateur moins puissant car il y a moins de calculs effectuer.

Le modle le plus dtaill possible d'un processus donn estcelui qui repose sur des principes physiques fondamentauxrputs invariants. Un tel modle serait applicable tout climat.Mais, pour que la reprsentation du processus soit exploitabledans un modle climatique, il faut introduire certaines hypo-thses simplificatrices. On doit aussi, dans certains cas, incluredes relations drives empiriquement, ce qui limite obligatoire-ment la porte du modle. Dans la mesure du possible, lesmodles climatiques font appel des principes physiques fonda-mentaux ou des simplifications qui comportent le minimum

d'incertitude; en effet, les conditions sous un climat modifipourraient tre trs diffrentes des conditions actuelles, auquelcas les relations drives empiriquement ou statistiquement partir du climat que nous connaissons ne seraient pas nces-sairement valables (Rapport du GTI : section 1.6).

Dans les modles climatiques les plus complexes, les quantitsphysiques qui varient constamment dans les trois dimensions sontreprsentes par leurs valeurs un nombre fini de points disposssur une grille tridimensionnelle. Cela est ncessaire car nous nepouvons excuter qu'un nombre fini de calculs. L'espacemententre les points de la grille correspond la rsolution spatiale.Plus elle est leve, plus il y a de points et plus il y a de calculs

effectuer. La rsolution est donc limite par la puissance decalcul disponible. On utilise gnralement dans un modleclimatique une rsolution de l'ordre des centaines de kilomtresdans le plan horizontal. De nombreux lments impor-tants du systme climatique (p. ex. nuages, variations de la

surface terrestre) ont des chelles plus rduites. Il existe desmodles dtaills haute rsolution pour tudier ces processus ensoi, mais ils sont trop lourds pour tre inclus dans un modleclimatique. Avec sa rsolution insuffisante, ce dernier doitmalgr tout reprsenter les effets de ces processus sur le systmeclimatique. Le fait de reporter les incidences d'un processus petite chelle sur une grande chelle est appel paramtrisation

(Rapport du GTI : section 1.6.1). Tous les modles climatiquesont plus ou moins recours cette technique.

Une autre simplification consiste tablir une moyenne pour unedimension spatiale. Au lieu, par exemple, d'une grille tridimen-sionnelle longitude-latitude-hauteur, on peut se servir d'une grillebidimensionnelle latitude-hauteur, la valeur chaque point tantla moyenne pour toutes les longitudes. Lorsque la dimension-nalit est rduite, il faut paramtriser davantage de processus.

Les sous-sections suivantes prsentent brivement les princi-paux types de modles qui ont t mis au point pour chacune desgrandes tapes associes la simulation de la rponse du climatet de l'lvation du niveau de la mer aux missions anthropiques.Cela met en perspective les modles climatiques simples donts'est servi le GIEC et qui sont dcrits dans la section 4.

3.1 Hirarchie des modles climatiques de l'atmosphreet des ocans

Voici quelques-uns des grands types de modles qui simulent lescomposantes atmosphrique et ocanique du systme climatique.

Modles atmosphriques unidimensionnels radiatifs-convectifs.

Ces modles sont moyenns l'chelle du globe (dans le planhorizontal) mais ils renferment de nombreuses couches atmo-sphriques. Ils traitent en dtail les processus lis au transfert durayonnement solaire et infrarouge dans l'atmosphre et sont parti-

culirement utiles pour calculer le forage radiatif associ auxvariations de la composition de l'atmosphre. Il faut spcifier lesmodifications de la quantit de vapeur d'eau dans l'atmosphredues aux changements climatiques ( partir des observations),mais les effets sur le rayonnement causs par les fluctuations de lavapeur d'eau peuvent tre calculs de faon prcise. Les modlesradiatifs-convectifs permettent donc de dterminer l'une des prin-cipales rtroactions intervenant dans la sensibilit du climat,grce des observations et des processus physiques bien tablis.

Modles ocaniques unidimensionnels remonte-diffusion.L'atmosphre est reprsente comme une bote homogne quichange de la chaleur avec les ocans et les terres merges sous-

jacents. L'absorption du rayonnement solaire par l'atmosphre etle sol varie selon le coefficient de rflexion en surface et le coef-ficient de transmission et de rflexion de l'atmosphre. Dans cesmodles, l'mission de rayonnement infrarouge vers l'espace estune fonction croissante linaire de la temprature atmosphrique,la constante de proportionnalit correspondant l'amortissementradiatif infrarouge. L'ocan est reprsent par une colonne unidi-mensionnelle moyenne dans le plan horizontal par rapport l'ocan rel. Seules les quelques rgions dans lesquelles seforment les eaux profondes et se produisent les plonges vers lefond sont traites sparment. La figure 2 illustre ce modle. Laplonge des eaux dans les rgions polaires est reprsente par le

tube sur le ct de la colonne. Cette plonge et la remonte d'eau

3. SIMULATION DES CHANGEMENTS CLIMATIQUES


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qui la compense l'intrieur de la colonne correspondent lacirculation thermohaline l'chelle du globe. Ce modle sertsurtout tudier le rle des ocans dans la rponse de la tempra-ture en surface aux variations du forage radiatif.

Modles unidimensionnels de l'quilibre nergtique. Dans cesmodles, la seule dimension reprsente est la variation en fonc-tion de la latitude; l'atmosphre, moyenne verticalement et dansla direction est-ouest, est souvent combine la surface pourformer une seule couche. Les processus multiples du transportthermique nord-sud par l'atmosphre et les ocans sont gn-

ralement traits comme la diffusion, alors que les missionsinfrarouges vers l'espace le sont de la mme manire que dansles modles remonte-diffusion. Ces modles ont fourni desrenseignements utiles sur l'interaction des rtroactions du trans-port thermique horizontal et des rtroactions dans les hauteslatitudes mettant en cause la glace et la neige.

Modles bidimensionnels de l'atmosphre et des ocans.

Diffrents modles (latitude-hauteur ou latitude-profondeur) del'atmosphre et des ocans ont t labors (p. ex. Peng etArking (1982), pour l'atmosphre; Wright et Stocker (1991)pour les ocans). Les modles bidimensionnels permettent de

calculer le transport thermique horizontal en s'appuyant davan-

tage sur la physique que les modles unidimensionnels. Danscertains modles ocaniques bidimensionnels (p. ex. Wright etStocker, 1991), l'intensit du renversement thermohalin estdtermine par le modle, alors que dans d'autres (p. ex. deWolde et al., 1995), elle est impose, comme dans le modleunidimensionnel remonte-diffusion. Le modle climatiqueunidimensionnel de l'quilibre nergtique atmosphre-terre agalement t coupl un modle ocanique bidimensionnel(Harvey, 1992; de Wolde et al., 1995 et Bintanja, 1995). Il estrelativement facile d'excuter des modles ocaniques bidimen-sionnels spars pour chacun des bassins des ocans Atlantique,Pacifique et Indien, avec une connexion au niveau de leurslimites mridionales (reprsentant l'ocan Antarctique) et uneinteraction avec une atmosphre unique moyennes par zone.

Modles tridimensionnels de la circulation gnrale de l'atmo-

sphre et des ocans. Les modles atmosphriques et ocani-ques les plus complexes sont les MCGA tridimensionnels et lesmodles de la circulation gnrale des ocans (MCGO), dont il

est abondamment question dans le Rapport du GTI (chapitre 5).Ces modles reprsentent l'atmosphre ou les ocans au moyend'une grille horizontale ayant gnralement une rsolution de 2 4 en latitude et en longitude, dans les versions les plusrcentes, et de 10 20 couches dans le plan vertical. Ils simulentdirectement les vents, les courants ocaniques et beaucoup d'au-tres lments et processus atmosphriques et ocaniques. LesMCGA et MCGO ont t beaucoup employs de faon spare,avec imposition des tempratures superficielles des ocans et desglaces de mer, dans le cas des MCGA, et des salinits et tem-pratures de surface, ou des flux de chaleur et d'eau doucecorrespondants, dans le cas des MCGO. Un MCGAO est consti-

tu d'un MCGA coupl un MCGO et intgre des informationssur l'tat de l'atmosphre et des ocans proximit ou au niveaude la surface de la mer dans le but de calculer les changes dechaleur, d'humidit et de quantit de mouvement entre les deuxcomposantes.

Les MCGAO calculent le transfert radiatif dans l'atmosphre(modlisation des nuages, de la vapeur d'eau et d'autres com-posantes atmosphriques), la neige et la glace de mer, les flux desurface, le transport de chaleur et d'eau dans l'atmosphre et lesocans, ainsi que l'absorption de la chaleur par les ocans (quiretarde et modifie la rponse initiale de la temprature en surfacemais contribue l'lvation du niveau de la mer par la dilatation

des ocans). Ainsi, les MCGAO coupls calculent explicitementles processus de rtroaction rapide, dont l'effet interactifdtermine la sensibilit du climat. En raison des contraintes decalcul, la majorit de ces processus sont toutefois plus ou moinsparamtriss (voir le Rapport du GTI, sections 4.2 et 4.3,concernant respectivement les MCG atmosphriques et oca-niques). Les reprsentations plus dtailles ne sont pas utilisa-bles ou n'ont pas t labores pour les modles mondiaux.Certaines paramtrisations renferment invitablement desconstantes fondes sur les observations du climat actuel. LesMCGAO tentent de reprsenter explicitement un grand nombrede processus, alors que les modles plus simples traduisent ces

processus au moyen de quelques paramtres ajustables.


Remonte d'eau

Echanges thermiques

Mlangediffusif

Rayonnement

solaire

Atmosphre

Couchede surface

Plonged'eaupolairefroide

Couchesocaniquesprofondes

Rayonnementinfrarouge

Remonte d'eau

Figure 2. Illustration du modle climatique remonte-diffusion, qui com-prend une bote atmosphrique, une couche de surface reprsentant la foisla terre et l'ocan, une couche de mlange et des couches ocaniquesprofondes. Les transferts de rayonnement solaire et infrarouge, les changesthermiques air-mer et le mlange des couches profondes par diffusion etrenversement thermohalin sont tous reprsents dans ce modle et indiqus

sur la figure. Adapte de Harvey et Schneider (1985).


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3.2 Modles du cycle du carbone

Le cycle du carbone fait partie intgrante du systme climatique etrgule l'accumulation de dioxyde de carbone dans l'atmosphreen rponse aux missions anthropiques. Les processus cls quidoivent tre simuls avec prcision sont la photosynthse et larespiration au niveau de la surface terrestre et l'change net de CO2entre l'ocan et l'atmosphre. Etant donn que le CO2 est chimi-quement inerte dans l'atmosphre et possde une concentrationassez uniforme, les variations naturelles de cette dernire ne sontlies qu' la somme globale des flux air-mer, de la photosynthse etde la respiration. Chacun de ces flux prsente toutefois des fluctu-ations importantes dans le temps et dans l'espace et est associ uncertain nombre de sous-processus mal connus (Rapport du GTI :chapitres 9 et 10; Rapport du GTII, 1996 : chapitre A). Par exem-ple, les modifications long terme des flux de la photosynthse etde la respiration entre la biosphre terrestre et l'atmosphre sontmodules par des processus touchant les micro-organismes et lesnutriments du sol, alors que le flux air-mer dpend de processus

concernant la concentration de CO2 dans l'eau de surface. Ceux-cicomprennent le mlange vertical du carbone dissous total et laplonge nette des matires organiques particulaires et des matirescarbones dans les couches profondes de l'ocan, phnomneprovoqu en partie par le productivit biologique en surface. Cettedernire est son tour influence par le mlange vertical des nutri-ments et les variations de la temprature. Les modifications de lacirculation ocanique influent sur l'change air-mer de CO2 enfaisant fluctuer l'change de carbone dissous total entre la couchede surface et les couches profondes de l'ocan et en changeant laproductivit biologique lie au flux de substances nutritives descouches profondes vers la couche de surface.

On peut utiliser le modle unidimensionnel remonte-diffusionpour la partie ocanique du cycle du carbone (Hoffert et al., 1981;Piehler et Bach, 1992). L'change moyen mondial de CO2 atmo-sphre-ocan, le mlange vertical du carbone dissous total parrenversement thermohalin et diffusion et la plonge de matiresparticulaires provenant de l'activit biologique peuvent tous tresreprsents dans ce modle. Un modle ocanique bidimensionnela t employ comme composante ocanique du cycle du carboneglobal (Stocker et al., 1994). Enfin, on peut se servir de modlesMCGO pour la composante ocanique du cycle du carbone global,lesquels comprennent les courants ocaniques calculs par lesmodles et d'autres processus de mlange, en combinaison avec des

reprsentations simples des processus biologiques et des changesair-mer (p. ex. Bacastow et Maier-Reimer, 1990; Najjar et al.,1992). Au moment de la rdaction du Deuxime Rapport d'valua-tion, les calculs de l'absorption du CO2 l'aide de modles tridi-mensionnels n'avaient t publis que pour les MCGO autonomes,dans lesquels les tempratures aux champs de circulation et lestempratures en surface sont pr-tablies. Dans une simulationcouple, les modifications de ces variables suite l'augmentationdes teneurs en gaz effet de serre feraient varier quelque peul'absorption de CO2 (voir le Rapport du GTI : chapitre 10).

Divers modles botes globaux de la biosphre terrestre ont t

labors et utiliss en conjonction avec des modles simples de la

composante ocanique du cycle du carbone, afin de prvoir lesconcentrations futures de CO2 dans l'atmosphre. Les modles botes globaux les plus courants sont compars du point de vuequantitatif dans Harvey (1989). Etant donn que la biosphreterrestre est reprsente de manire globale dans les MCS utilissdans le Rapport du GTI, il n'est pas possible de simuler des rponsesspares dans diffrentes zones latitudinales (p. ex. libration nettede carbone par modification des tempratures aux hautes latitudes,absorption nette de carbone dans les rgions tropicales attribuable l'effet fertilisant du CO2), comme dans les modles reprsentationsrgionales (van Minnen et al., 1996). On ne peut simuler qu'unerponse moyenne l'chelle du globe. Comme les rponsesrgionales varient de faon non linaire en fonction de la tempra-ture et des concentrations de CO2 dans l'atmosphre, l'emploi demodles globaux introduit forcment des erreurs.

Le rle jou par la biosphre terrestre dans le changement clima-tique mondial a t simul l'aide de modles relativement simplesde la vgtation utilisant une grille mondiale dote d'une rsolution

allant jusqu' 0,5 en latitude et en longitude (Rapport du GTI :section 9.4). Les modles points de grille simulent la distributionde la vgtation potentielle et non celle de la vgtation relle; poursimuler cette dernire, il faut tenir compte des perturbationsanthropiques et des proprits des sols. On s'est servi de ces mod-les pour valuer les impacts, sur la productivit nette des cosyst-mes, de l'augmentation des concentrations de CO2 dans l'atmo-sphre (qui tend stimuler la photosynthse et amliorer l'effi-cacit de l'utilisation de l'eau par les vgtaux) et de l'lvation destempratures (qui peut accrotre ou rduire la photosynthse etacclrer les processus de dcomposition)3. Ces modles diffren-cient, au moins, la biomasse sur pied des matires organiques du

sol. Les variantes les plus perfectionnes suivent les flux decarbone et d'azote (considr comme le nutriment de limitation) etcomprennent les rtroactions entre l'azote et les taux de photosyn-thse et de dcomposition du carbone au sol (p. ex. Rastetter et al.,1991, 1992; Melillo et al., 1993).

On a employ des modles points de grille de la biosphre terrestrepour valuer l'effet des variations hypothtiques (ou dtermines parle MCG) de la temprature ou de la concentration de CO2 dans l'at-mosphre sur le flux net de CO2 biosphre-atmosphre. Mais il estgnralement impossible de modifier le type d'cosystme un pointde grille donn selon le changement climatique. On est en trainde mettre au point et de tester des modles d'cosystmes plus

complexes qui relient des modles de biome (prvoyant l'volutiondes types d'cosystme) des modles cophysiologiques (prvoyantles flux de carbone) (Rapport du GTI : section 9.4). Les simulationseffectues avec ces modles et d'anciens modles montrent l'impor-tance potentielle des rtroactions lies au cycle des substancesnutritives et indiquent la grandeur ventuelle des changements,induits par le climat, dans les flux de CO2 biosphre terrestre-atmo-sphre. Toutefois, les modles individuels prsentent des rponses


3 Leffet stimulant de laugmentation des concentrations de CO2 dansl'atmosphre sur la photosynthse est appel effet fertilisant du

dioxyde de carbone et est dcrit dans l'encadr.


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trs diffrentes (VEMAP members, 1995). Comme dans le cas des

modles de la composante ocanique du cycle du carbone, ces simu-lations devraient tre menes de manire interactive avec desMCGAO coupls. Par ailleurs, ces modles n'ont pas encore tcombins des MCGO d'absorption du carbone par les ocans.

Des modles assez dtaills de la biosphre marine comprenant uncertain nombre d'espces et d'interactions ont galement t mis aupoint et appliqus des sites ou des rgions spcifiques (p. ex. Gregget Walsh, 1992; Sarmiento et al., 1993; Antoine et Morel, 1995).

3.3 Modles de ractions chimiques et d'arosolsatmosphriques

La chimie de l'atmosphre joue un rle central dans la quantit et larpartition de l'ozone dans l'atmosphre car les ractions chimiquessont responsables de la production et de l'limination de ce gaz.Les ractions chimiques dominantes et les sensibilits varient beau-coup selon qu'il s'agit de la stratosphre ou de la troposphre. Cesprocessus ne peuvent tre adquatement modliss qu' l'aide demodles atmosphriques tridimensionnels, dans le cas de latroposphre, ou de modles bidimensionnels (latitude-hauteur)pour la stratosphre. La chimie atmosphrique contribue gale-ment de manire importante l'limination du CH4 de l'atmosphreet, un moindre degr, des autres gaz effet de serr

An Introduction to Simple Climate Models Used in the IPCC Second Assessment Report - French

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