Les leçons du passé
Pascale BraconnotLSCE/IPSL, France
Plan• Introduction : changements climatiques • Un exemple : simulations du climat glaciaire • Notion de sensibilité climatique et de
rétroaction• Forçages et rétroactions : glaciaire/futur • Changement de circulation et précipitations
tropicales : glaciaire / futur • Hydrologie et mousoon à l’holocène moyen • La rétroaction de la végétation• Tendance sur l’Holocène : mousson africaine • Conclusion
Introduction
Projections : différentes incertitude
Barre d’erreur estimée à partir de 39 simulations (modèles) : tient compte des différences entre modèles, de la nature chaotique du climat
Hypothèses d’évolution des facteurs socio-économiques
= réponse du climat à différents types de « forçages »
Mise au regard du passé
Pre-Quaternaire
Glacial-interglacialcycles
Quaternaire
Projections AR5
Anthropocene
transitionEocène-
Oligocène
Dernier Maximum Glaciaire
Evenements abruptsHolocène moyen : « Sahara vert »
Eoceneoptimum
Les simulations paleoclimatiques : • Pour mieux comprendre les mécanismes
et les rétroactions• Pour évaluer les modèles et la capacité à
reproduire un climat différent de l’actuel. – La sensibilité climatique (amplitude du
changement de température en fonction du forçage)
– Hydrologie et les liens avec l’environnement
– variabilité multi décennale et millénaire
Les constantes de temps en jeu
Echanges biogéochimiques
CO2, CH4, O3
1 mois - 109 ans
Lithosphère104-109 ans
Biosphère1 mois -100 ans
1 mois -10 ansOcéan
10 - 1000 ans
Atmosphère1 jour - 10 ans
Echanges d’énergie
H20H20
Echanges d’eau
Glace1 mois - 10 ans
Calotte103-106 ans
•Imbrication des échelles de temps et d’espace : de la météorologie (seconde à heure) au millénaire et au delà
• Différents niveaux de validation et d’évaluation • Processus
• Climatologie
• Variabilité climatique
• Caractérisation des rétroactions
• Climats passés
Facteurs affectant les résultats des simulations
Protocole expérimental
incertitude des forçages
Variabilité interne
paramètres
Contenu
modèles
dynamique, physique,
biogéochimique
Periodes representatives de différents forçages
Dernier maximum glaciaire ( 21000 ans BP)
Holocène moyen(6000 and BP)
Dernier millénaire
Preindustriel
Trace gases
Ice Sheet
Gas traces
CO2 : 185 ppmCH4 : 350 ppb…
CO2 : 280 ppmCH4 : 650 ppb…
Configuration orbitale
Evolution gaz à effet de serre, constante solaire volcanisme, paramètres orbitaux, utilisation des terres
référence
Bra
co
nn
ot
et
al.
NC
C a
dd
itio
na
lm
ate
ria
l, 2
01
2
Le climat glaciaire
• Reconstructions climatiques disponibles – Données marines: surface,
fond, traceurs, circulation…
– Données continentales: e.g. pollens
– Données glaciologiques pour le Groenland et l’Antarctique
Un climat bien documenté
Ce que nous apprennent les données
Bartlein et al. (2011)
Des synthèses
Expériences numériques
• Simulations de référence :
climat pré-industriel
• Simulations perturbées :
climat du dernier maximum
glaciaire
Modèle numérique du climat
Conditions initiales :
TempératureHumidité (salinité)
Courants
Conditions aux limites :
Ex : rayonnement solaire incident
Gaz à effet de serre
Résultats:
Température, humidité (salinité),
courants au cours du temps + diagnostics
Les ingrédients
Cf. http://pmip3.lsce.ipsl.fr
Température de l’air : PI - DMG
Comparaison aux données
(°C)
LGM / RCP8.5 : quelques similitudes
Glaciaire à présent
Présent à RCP8.5
CNRM-CERFACS IPSL
• Modèles ont tendance à – Surestimer le
refroidissement tropical
– Sous estimer le refroidissement des moyennes latitudes
– Sous estimer le gradient équateur/pôle
Données
modèles
Braconnot et al. 2012
Contraste terre/mer
Ex Tropics
∆T océan
∆T c
ontin
ent
En glaciaire ∆T
con
tinen
t
∆T océan
Comparaison aux projections futures
LGM
2xCO2 4xCO2
Polar amplification
21st siècle
DMG(il y a 21 000 ans)
Pliocène(Il y a 3 million d’années )
Eocène(54 million d’années)
AR5 WG1 Fig5.5
OCEAN CONTINENT
Notion de sensibilitéclimatique et rétroactions
Comment les rétroactions « amplifient »-elles le forçage?
Bilan énergétique
Solaire incidentπR2S0
Infrarouge émis4πR2σΤe
4Solaire réfléchi
απR2S0
Équilibre énergétique: flux infrarouge émis = flux solaire absorbé σTe
4 = ¼ (1-α) S0 Te: Température d'équilibre radiatif On observe par satellite que a = 0, 3 Te = 255K (-18°C)
La température plus élevée, de 15°C en moyenne globale est due à l’effet de serre
Bilan énergétique : perturbations
• La température globale a un sens / bilan énergétique. Elle est utilisée comme un « estimateur » des perturbations climatiques
• Comprendre les variations de température globale demande d’étudier – Les variations de l’irradiance solaire (S0)
• Paramètres orbitaux, activité solaire
– Les variation de l’albédo (réflectivité) planétaire (α) : • Couleur de la surface (type de surface, végétation, nuages , composition atmosphère (aérosols)
…
– Les variation de l’effet de serre (ε): • Gaz à effet de serre (dont vapeur d’eau), nuages,
εσTe4 = ¼ (1-α) S0
Te et Ts sont liées par l’équilibre radiatif/convectif
La sensibilité et rétroactions climatiques • Sensibilité clilmatique à l’équilibre (ECS)
– Changement de température pour un doublement de CO2
• Sensibilité climatique transitoire (TCS) : – Changement de température au doublement de
CO2 (simulations 1% CO2/an)
• Rétroactions climatiques :– � � �λ��
– ∑+=x
xp λλλ
Schéma équivalent
•Rétroactions :
albédo
neige αT
•Rétroactions :
albédo
neige αT neige αT
Boucle de rétroaction
Vapeur d’eau
T εVapeur d’eau
Vapeur d’eau
T εVapeur d’eau T εVapeur d’eau
(α)
A l’équilibre 2xCO2 � ∆T ~ +1.2°CAvec rétroaction vapeur eau : ∆T ~ 2.4°C
Forçages et rétroactions
Dernier maximum glaciaire et futur
Forçages LGM : estimation
IPCC WG1 Chapter 6, 2007
Calottes et niveau marin : forçage lié à l’albédo de surface
Les différents termes contribuant au forçage SW et LW
Incertitudes liées aux reconstruction des calottes
dtas PMIP3/PMIP2
Calottes : PMIP2 : ICE5G (Pelletier 2005)PMIP3 : moyenne ensemble de 3 reconstructions
Forçage en moyenne plus fort avec la calotte PMIP3 / PMIP2Simulations PMIP3 un peu plus froides
Ordres de grandeurs
Ordre de grandeur glaciaire / Pre-industriel
Les rétroactions
AR5 WG1 Fig5.5
LGM/futur?
AR5 WG1 Fig5.5
Paleo ne donne pas une estimation directe de la sensibilité climatique (CO2)
Mais il est possible d’évaluer les rétroactions et plus généralement les résultats des modèles
Circulation et précipitationstropicales
Glaciaires / futur
Lien circulation : Walker et Hadley
LGM : 21 ka BP
Différence au préindustriel: moyenne d’ensemble de 6 modèles
2xCO2
Di Nezio et al. 2011
Circulation océan Pacifique
Humidité et précipitation : tropiques
• La vapeur d’eau suit Clausius-Clapeyron • Les précipitations ont un taux plus faible (lien avec le bilan
énergétique)• Taux très proches entre DMG et CO2
Di Nezio et al. 2011
DMG
Futur
FuturDMG
Hydrology et mousson
Holocène moyen, il y a 6000 ans
Il y a 6000 ans …
Période du « Sahara vert »lPluies annuelles 6000 ans BP – Actuel
Points = reconstruction à partir de données de lac, pollen et macro restes
Carte = moyenne d’ensemble de 17 modèles
Milankovitvh Medal EGU 2009
Milutin Milankovitch1924
41 000 ans
100 000 ans
41 000 ans
19 000 et 23 000 ans
Astronomie and paleoclimats
Configuration orbitale et changement de saisonnalité
Location of the Vernal equinox
Succès et difficultés des simulations
IPCC AR5 chapter 9
Le verdicte des données 60º to 180º E
v
Indice d’humidité Température du mois le plus chaud
20º W to 40º EPrécipitation annuelles
Assèchement continental trop fort � questions / réchauffement et assèchement futur (uncertitude humidité des sols)
Sous estimation des précipitation en Afrique de l’Ouest : Sous estimation gradients N/S pour l’actuel �localisation ITCZ trop sud ; rétroactions climatiques sous estimées
Harrison et al. in press
Afrique : classification des précipitations
Mais des mécanismes robustesPrecipitation = f(ω500)
Regime distribution Efficacité des précipitations
• 6k : changements dominés par changement de régimes� rôle advection de grand échelle
• Poids des biais de la simulation de controle(précipitation dans les régimes) Zheng and Braconnot, 2013
Forçages et rétroactions (ex Juillet
∆(Swnet) = forçage + rétroaction = (1 – α0) ∆SWi –∆α SWi6
Au sommet de l’atmosphère
IPSL_CM1
HadCM2
Rétroaction de la végétation
Holocène moyen, il y a 6000 ans
Utiliser les nouvelles possibilités
Modélisation interactive du cycle du carbone
Modélisation interactive du couvert végétal
Modélisation interactive de la biogéochimie marine
From Kageyama et al. , clim dyn, 2012b
La rétroaction de la végétation
Fraction de grille couverte pare la forêt ou les herbes : MH-PI, (modèle) IPSL_CM5
Impact sur l’albédo de surface et le recyclage de l’eau par les plantes
Changement de végétation simulé à -6000 ans
Kageyama et al. 2013
Amplitude de la perturbation radiative
• Le changement de végétation au Sahel il y a 6000 ans amplifie la réponse de la mousson
• Réponse << nuages ou effet de serre lié à la vapeur d’eau (~20 W/m2)
• Sous-estimé?
Tendances sur l’Holocène
Vers les longues simulations transitoires avec les modèles utilisés
pour les projections climatiques
Hydrology : evolution en Afrique/Arabie
Lézine et al. 2011; Lezine and Bassinot. 2014
• Maximum de - 1000 à –7000 ans
• Retard par rapport à l’insolation au début de l’Holocène
• Retrait plus rapide des lacs• Différences temporelles
entre l’Afrique et l’Arabieperiod.
Rôle de la précession: changements plus importants entre 6ka and 4 ka qu’entre 9.5k et 6k
Flux eau et calotte : déplacement vers le S de la ZCIT et assèchement au Sahel
51
Position de la ZCIT en Afrique de l’Ouest
Braconnot et al. 2007b
Lézine et al. 2011; Braconnot et al. 2008 ; Marzin and Braconnot, 2009, Marzin et al. 2013,
Une suite de simulations : modèle IPSL
Pour finir
– Les climats passés offrent de nombreux cas d’étude
– La comparaison de différentes périodes climatiques et la comparaison aux données permet de donner des estimations de la sensibilité climatiques (LGM, MH, Eemien, Pliocène)
– Besoin d’affiner la représentation du cycle du carbone et de la végétation (rétroactions)
– Incertitudes / résultats robustes et compréhension des mécanisme
– Étude de la variabilité interannuelle à multi décennale est possible (enregistrements à haute résolution)
– Simulations transitoires vont se généraliser : approche dynamique du climat
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