Prévoir l’évolution du climat

La complexité du système climatique rend les prévisions sur l’évolution de ce dernier compliquées. Des modèles informatiques existent, qui sont de plus en plus sophistiqués, et capables de traiter un nombre de données très important. Explications.

Les modèles informatiques de prévision du climat sont nombreux. Souvent appliqués à un écosystème particulier, ils sont de plus en plus précis, mais sur une échelle de temps les résultats sont souvent peu fiables. Dès qu’une nouvelle version est élaborée et avant qu’elle ne soit utilisée pour simuler les changements climatiques futurs, elle est soumise à une batterie de tests d’évaluation, qui consistent à confronter ses résultats aux observations. Pour ce faire, on intègre le modèle sur quelques décennies en séparant ses différentes composantes ou en les couplant. L’un des tout premiers tests est la vérification de l’équilibre radiatif au site calculé au sommet de l’atmosphère et la comparaison des différentes composantes radiatives (dans les domaines visible et infrarouge) à des données issues de satellites. Les moyennes des variables atmosphériques ou océaniques calculées sur la période simulée sont aussi comparées aux moyennes des données fournies par les réseaux d’observations in situ ou satellitaires.Des analyses plus poussées permettent de vérifier si le modèle reproduit les principales caractéristiques des variations connues, telles que les épisodes El Niño, les moussons ou les oscillations de pression aux moyennes latitudes. On tente aussi de reproduire une chronologie en contraignant le modèle par des conditions aux limites. Dès lors, on peut analyser finement la variabilité interannuelle, comme le contraste entre le climat de l’année 1987, marquée par un épisode El Niño important, et l’année 1988, qui a connu un épisode froid dans le Pacifique Est-équatorial. Par ailleurs, au niveau international, on compare les modèles entre eux et aux mêmes observations. Cela permet de multiplier les analyses et de mieux identifier l’origine des erreurs.

Différents scénarios de changement climatique

Pour répondre aux questions posées par le changement climatique et ses impacts, le GIEC utilise les modèles du système climatique et des études économiques et démographiques. Ils composent, non pas des prévisions, irréalisables à l’échelle de plusieurs décennies, mais des scénarios d’évolution du climat, supposés couvrir un large éventail d’évolutions possibles.Dans un premier temps, on élabore des scénarios d’émissions anthropiques des principaux gaz à effet de serre (gaz carbonique, méthane, protoxyde d’azote, etc.) entre 1990 et 2100. On propose aussi des scénarios d’émissions de particules dans l’atmosphère dont les conséquences sur le climat sont inverses de celles des gaz à effet de serre : ils sont en effet responsables d’une absorption du rayonnement solaire, de l’augmentation du pouvoir réfléchissant des nuages et de la durée de vie de ces derniers, effets allant dans le sens du refroidissement du climat.Grâce à des modèles de transport et d’échanges à la surface terrestre, ces scénarios d’émissions sont transformés en scénarios de concentration de gaz à effet de serre et d’aérosols sulfatés dans l’atmosphère. Ces derniers servent alors d’entrée aux modèles du système climatique qui calculent leurs impacts sur le climat. Partant de ces résultats, le GIEC a réalisé en 2001 une synthèse qui évalue le réchauffement climatique entre 1990 et 2100 dans une fourchette de 1,4°C à 5,8°C. La largeur de la fourchette est due quant à elle aux incertitudes inhérentes à ces évaluations, d’une part, les différences entre les scénarios d’émission de gaz et de particules utilisés dans les projections climatiques et, d’autre part, les incertitudes de la modélisation climatique elle-même. On classe ces dernières en trois catégories.

Dans la première se trouvent les incertitudes sur les paramètres d’entrée des modèles ;
La deuxième catégorie comporte les incertitudes liées à la conception des modèles, qu’elles proviennent des équations utilisées, ou du traitement numérique de ces données. On y inclut aussi l’absence de représentations de certains processus, négligés ou mal connus ;
Une troisième source d’incertitude est le caractère en partie chaotique du climat qui se traduit par le fait qu’un même modèle partant de deux états climatiques proches calcule deux évolutions climatiques notablement différentes.

Les dernières simulations

Un nouvel exercice de simulation du climat futur, coordonné au niveau international, a été réalisé dans le cadre de la préparation d’un rapport du GIEC. Une quinzaine de groupes, mettant en œuvre une vingtaine de modèles différents, ont simulé le climat du XXe et du XXIe siècles suivant les scénarios recommandés par le GIEC. Pour la première fois, on a considéré des scénarios de stabilisation de la concentration des gaz à effet de serre à partir de 2100, préfigurant les conséquences du protocole de Kyoto et de ses suites éventuelles. Deux groupes français de recherches climatiques, le Centre national de recherches météorologiques (CNRM) de Météo-France et l’Institut Pierre Simon Laplace (IPSL) du CNRS et du CEA ont participé à cet exercice.Malgré les différences entre les modèles utilisés, le réchauffement planétaire moyen calculé est voisin de 4°C en 2100 pour le scénario le plus pessimiste présenté. Les scénarios de stabilisation indiquent que le système climatique continuerait à se réchauffer de 0,5°C à 0,7°C entre 2100 et 2300, ce qui souligne l’inertie du système. Les répartitions des changements de température ou de précipitation calculées par les deux modèles sont comparables à très grande échelle spatiale. Cependant les différences sont sensibles à l’échelle d’une région particulière de la planète (par exemple les régions de mousson ou l’Atlantique Nord).Cela montre l’intérêt d’utiliser plusieurs modèles et d’en analyser les résultats de manière combinée pour mieux interpréter l’origine des incertitudes sur les changements climatiques simulés. Les modèles du système climatique ne sont qu’un maillon d’une longue chaîne d’études du changement climatique et de ses impacts socio-économiques. Les progrès de la modélisation du système climatique dans son ensemble sont essentiels pour améliorer notre compréhension des observations récentes, et pour affiner les scénarios d’évolution future. Ces progrès ont permis au GIEC d’être plus affirmatif en 2001 qu’il ne l’était quelques années auparavant concernant l’influence humaine sur le réchauffement climatique des 50 dernières années.

Des modélisations qui progressent sans cesse

Les voies de progrès de ce type de modélisation sont multiples. Une première voie consiste à introduire dans le modèle des processus dont l’impact sur le changement climatique a été jusque-là négligé ou pour lesquels les connaissances étaient insuffisantes : l’effet des aérosols carbonés, le rôle des processus biologiques dans le cycle du carbone, entre autres. Le caractère multidisciplinaire de la construction des modèles du système climatique est donc encore appelé à se renforcer. Une deuxième voie de progrès est l’amélioration de la résolution des composantes, en particulier atmosphériques et océaniques, afin de mieux représenter les phénomènes extrêmes.On utilise actuellement des modèles climatiques de plus forte résolution sur des régions d’étendue limitée, pour étudier les impacts régionaux du changement climatique. Une troisième voie devrait consister à élargir l’ensemble des simulations réalisées pour un même scénario afin de mieux prendre en compte les incertitudes de la modélisation. L’objectif est d’affecter une probabilité aux changements climatiques calculés sur les différentes régions de la planète. Il nous faudra pour cela progresser dans la connaissance du fonctionnement du système climatique, et accroître les moyens de calcul alloués à la modélisation.

Source :

Revue Pour la science (numéro de juillet/septembre)