Physique du climat et sa modélisation CNRS-CERFACS (Toulouse) Christophe Cassou CNRS-CERFACS (Toulouse) cassou@cerfacs.fr Formaterre (ENS Lyon), Octobre 2007

Weather is what you get, climate is what you expect (Lorenz, 1982) Le temps (la météo): approche déterministe Le climat :approche statistique approche probabiliste Le climat : la météo que l’on attend en moyenne, à un moment donné de l’année, de la décennie, du siècle etc. Le climat peut être parfaitement prévisible alors que le temps ne l’est pas.

1. La physique du climat 1. Introduction De la mesure locale aux estimations indirectes globales… De la station météorologique terrestre à la carotte de glace, Des bateaux, bouées, radiosondages aux satellites etc. Les observations nous apprennent que le climat, défini comme la « moyenne du temps qu’il fait (météo) sur une période donnée », varie de l’échelle mensuelle à multimillénaire, de l’échelle locale à l’échelle globale. On parle de variabilité climatique. Variabilité multimillénaire: Alternance de périodes glaciaires/interglaciaires Variabilité séculaire/décennale : petit age glaciaire au XVI-XVIIème siècle - Variabilité interannuelle: l’été 2007 plus froid en Europe de l’ouest que l’été 2006 Variabilité mensuelle: Aout 2007 plus froid que Sept. 2007 en France … Le temps L’espace - A l’échelle de la planète - A l’échelle d’un continent (Europe glaciale, Afrique sèche …) - A l’échelle d’un pays (France du Nord vs France méditerranéenne…) Le climat: un continuum des échelles spatiales et temporelles

1. Physique du climat 2. Le système climatique Le climat est un système couplé extrêmement complexe, composé de l’atmosphère, l’hydrosphère, la biosphère et la cryosphère qui interagissent à toutes les échelles de temps et d’espace

Energie incidente : le soleil 2. Equilibre énergétique 1. Rayonnement Energie incidente : le soleil Rayonnement terrestre (IR) Rayonnement isotrope Rayonnement directionnel (plus efficace dans les tropiques qu’aux pôles) Spectre radiatif

Un peu plus compliqué par la présence de l’atmosphère et ses 2. Equilibre énergétique 2. Effet de serre Un peu plus compliqué par la présence de l’atmosphère et ses composantes climatiques (merci!) Effet de Serre +14oC -18oC

Un équilibre énergétique très fragile et très précaire 2. Equilibre énergétique 3. Bilan radiatif Un équilibre énergétique très fragile et très précaire

Moyenné sur toute la planète 2. Equilibre énergétique 4. Pourquoi les mouvements? Rtot(l)=S (Rin + Rout) En fonction de la latitude l Pôle S Pôle N Eq. Rtot=S (Rin + Rout)=0 Moyenné sur toute la planète Transport par océan et atmosphère Système Terre = système fermé en équilibre énergétique

Action des courants marins horizontaux 2. Equilibre énergétique 5. Transport de chaleur Atmosphère Dynamique atmosphérique Tropicale (Hadley) Dynamique atmosphérique Des extratropiques (tempêtes) Transport de chaleur en 1015 Watts Total Océan Action des courants marins horizontaux (en surface) et verticaux (en profondeur) Température de surface de la mer Floride Québec Equateur Pôle Nord

2. Equilibre énergétique 6. Un équilibre thermo-dynamico-chimique Le climat est un système couplé extrêmement complexe, en mouvement, avec des un éventail de constantes de temps et d’espace très vaste imposées par la dynamique, la physique et la chimie.

3. Origine de la variabilité 1. Le forçage solaire  Variabilité naturelle externe: (variations des forçages externes d’origine naturelle -signal naturel-) Intensité du rayonnement solaire Décennale Séculaire (e.g. Le petit Age glaciaire)

Multimillénaire (Période glaciaire et interglaciaire) 3. Origine de la variabilité 2. Milankovitch Fluctuations climatiques naturelles expliquées par les changements des paramètres orbitaux Milankovitch (1879-1958) Précession =rotation des pôles S Obliquité =inclinaison des pôles Excentricité =distance au soleil Multimillénaire (Période glaciaire et interglaciaire)

3. Origine de la variabilité 3. Le volcanisme  Variabilité naturelle externe: (variations des forçages externes d’origine naturelle -signal naturel-) Effet parasol Température globale Activité volcanique 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Le forçage par les aérosols volcaniques est intense mais BREF

3. Origine de la variabilité 4. Le bruit naturel (1)  Variabilité naturelle externe: (variations des forçages externes d’origine naturelle -signal naturel-)  Variabilité naturelle interne: (rétroactions dans et entre les différentes composantes du système climatique -bruit naturel-) Rétroaction Couplage

3. Origine de la variabilité 5. Le bruit naturel (2)  Variabilité naturelle interne: (rétroactions dans et entre les différentes composantes du système climatique -bruit naturel-) Le bruit naturel s’explique par la nature chaotique du système climatique (en particulier l’atmosphère) et par la présence de processus non-linéaires (phénomènes à seuil, cycle hydrologique etc.) dans chaque sous-système, par des constantes de temps physiques propres à chaque sous-système climatique, et bien sur à leur couplage. Le bruit naturel s’exprime ainsi à toutes les échelles de temps et d’espace Le forçage externe naturel (solaire, volcanisme) se superpose au bruit naturel et interagit avec lui. El Nino (Oscillation Australe) -ENSO 3 exemples de bruit naturel : Oscillation Nord Atlantique -NAO Fluctuation de la circulation thermohaline

Couplage Océan-Atmosphère Thermodynamique/Dynamique 3. Origine de la variabilité 6. Un dialogue fort entre océan et atmosphère Température de surface Courant de surface Vent de surface Couplage Océan-Atmosphère Thermodynamique/Dynamique

Pacifique Tropical 3. Origine de la variabilité 7. Etat climatique moyen Courant de surface Vent de surface Température de surface Gulf Stream Pacifique Tropical Courant froid des Canaries Température de surface Hauteur dynamique océanique +80cm

El Niño = Une oscillation Océan-atmosphère couplée dans le Pacifique 3. Origine de la variabilité 8. L’Oscillation Australe ou ENSO ou El Niño El Niño = Une oscillation Océan-atmosphère couplée dans le Pacifique Température de surface Les alizés

Hauteur du niveau de la mer 3. Origine de la variabilité 9. Un mécanisme d’ondes : Le Niño 1997-1998 Hauteur du niveau de la mer Australie Amérique du Sud Amérique du Nord Les alizés

El Niño La Niña 3. Origine de la variabilité 10. La petite sœur : La Niña El Niño Anomalies de température du 13 Nov. 1997 La Niña Les alizés Anomalies de température du 15 Oct. 2007

? El Nino = Oscillation climatique couplée océan-atmosphère 3. Origine de la variabilité 11. Des impacts planétaires ? Les alizés El Nino = Oscillation climatique couplée océan-atmosphère d’origine naturelle (variabilité interne) dominée par l’échelle interannuelle (irrégulière entre 2 et 7 ans)

L’Oscillation Nord Atlantique (NAO) 3. Origine de la variabilité 12. L’Oscillation Nord Atlantique (NAO) Phase + Phase - L’Oscillation Nord Atlantique (NAO) Fluctuation simultanée et statique de la Dépression d’Islande et de l’Anticyclone des Açores Pas de fréquence privilégiée Différence de pression entre Islande et Acores Tendance vers les fortes valeurs positives depuis les années 80

La NAO: Une oscillation climatique d’origine naturelle (variabilité 3. Origine de la variabilité 13. L’Oscillation Nord Atlantique (NAO) La NAO: Une oscillation climatique d’origine naturelle (variabilité Interne) au spectre de fréquence large (semaine a la décennie) Température Precip. Phase - Phase + L’Oscillation Nord Atlantique (NAO) Température Precip.

Passage de vents froids et secs continentaux sur le Gulf Stream 3. Origine de la variabilité 14. Le Gulf Stream Évolution de la température de surface de la mer (Groupe Mercator, simulation MNATL 1/16 degré) ~8oC Québec Tourbillons (mélange) New York ~18oC Floride ~25oC Passage de vents froids et secs continentaux sur le Gulf Stream Pompe à chaleur Température de surface de la Mer observée par satellite

La circulation thermohaline 3. Origine de la variabilité 15. La circulation thermohaline (1) Action de la glace La circulation thermohaline

Injection d’une particule 3. Origine de la variabilité 16. Un long et lent voyage Injection d’une particule

3. Origine de la variabilité 17. La circulation thermohaline (1) Circulation thermohaline = fluctuation climatique couplée océan-atmosphère d’origine naturelle (variabilité interne) dominée par l’échelle séculaire à millénaire

3. Origine de la variabilité 18. Les trois sources de variabilité  Variabilité naturelle externe: (variations des forçages externes d’origine naturelle -signal naturel-) Forçage solaire Aérosols volcaniques  Variabilité naturelle interne: (rétroactions dans et entre les différentes composantes du système climatique -bruit naturel-) El Nino (Oscillation Australe) -ENSO Oscillation Nord Atlantique -NAO Fluctuation de la circulation thermohaline  Variabilité anthropique externe: (réponse aux activités d’origine humaine -signal anthropique-) Perturbation de l’effet de serre (émission de gaz a effet de serre etc.) Perturbation des conditions des surface (utilisation des sols etc.)

Un équilibre énergétique très fragile et très précaire 3. Origine de la variabilité 19. La perturbation anthropique +235 W/m2 -235 W/m2 Directe +2.4 W/m2 1% DIRECTE Effet de serre = phénomène naturel + perturbation anthropique Un équilibre énergétique très fragile et très précaire

3. Origine de la variabilité 21. Le cycle du carbone Les perturbations apportées par l’homme perturbent un système qui s’est équilibré pendant plusieurs milliers d’années L’approche purement « comptable » de la perturbation anthropique est IDIOTE et SCIENTIFIQUEMENT malhonnête si l’on ne considère pas l’échelle de temps de la perturbation et de la réponse

3. Origine de la variabilité 20. couplage, couplage Rétroaction Couplage Rétroaction Couplage Rétroaction avec les composantes du système climatique  Forte amplification L’approche purement « comptable » de la perturbation anthropique est IDIOTE et SCIENTIFIQUEMENT malhonnête : le pouième de % de perturbation peut entrainer des changements massifs (glace, circulation thermohaline etc.)

3. Origine de la variabilité 22. Nécessité de modéliser  Variabilité naturelle externe: (variations des forçages externes d’origine naturelle -signal naturel-)  Variabilité naturelle interne: (rétroactions dans et entre les différentes composantes du système climatique -bruit naturel-)  Variabilité anthropique externe: (réponse aux activités d’origine humaine -signal anthropique-) Modélisation

4. Introduction à la modélisation 1. Définition Représentation simplifié, relativement abstraite d’un processus, d’un système en vue de le décrire, de l’expliquer et/ou de le prévoir Conceptualisation mentale de lois physiques/mathématiques représentant les structures essentielles d’une réalité et capable à son niveau d’en reproduire dynamiquement le fonctionnement. Définition du problème Loi physique Conditions initiales (contraintes sur le temps) Conditions de sortie (prévision/description) Conditions aux limites (contraintes sur la loi) Heure d’arrivée du cycliste Heure de départ 10H20 Présence d’une côte Heure d’arrivée 11H40 T=distance vitesse

Prévisibilité de 1ere espèce 4. Introduction à la modélisation 2. Les sources de prévisibilité (1) Prévisibilité de 1ere espèce (Lorenz 1962) Prévisibilité de 2eme espèce (Lorenz 1962) POIDS RESPECTIF Heure de départ 10H20 T=distance vitesse Heure d’arrivée 11H40 Présence d’une côte Prévisibilité de 2eme espèce (Lorenz 1962) Prévisibilité de 1ere espèce Heure de départ 10H20 Présence d’une toute Petite côte Heure d’arrivée 11H43 T=distance vitesse

Prévisibilité de 2eme espèce 4. Introduction à la modélisation 3. Les sources de prévisibilité (2) Prévisibilité de 1ere espèce (Lorenz 1962) Heure de départ 10H20 T=distance vitesse Heure d’arrivée 11H40 POIDS RESPECTIF Présence d’une côte Prévisibilité de 2eme espèce (Lorenz 1962) Prévisibilité de 2eme espèce Prévisibilité de 1ere espèce (Lorenz 1962) Heure de départ 10H20 T=distance vitesse Heure d’arrivée 11H40 Présence d’une TRES GRANDE côte

La météo Le climat Petite côte Heure de départ 10H20 T=distance 4. Introduction à la modélisation 4. La météo/le climat Prévisibilité de 1ere espèce (Lorenz 1962) Heure de départ 10H20 T=distance vitesse Heure d’arrivée 11H40 Le climat La météo Présence d’une toute Petite côte Prévisibilité de 2eme espèce (Lorenz 1962) Prévisibilité de 1ere espèce (Lorenz 1962) Heure de départ 10H20 T=distance vitesse Heure d’arrivée 11H40 Présence d’une TRES GRANDE côte Prévisibilité de 2eme espèce (Lorenz 1962)

Prévisibilité de 1ere espèce (Lorenz 1962) 4. Introduction à la modélisation 5. Un modèle d’atmosphère Incertitude (simplification) (physique-chaos) Conditions initiales (temp., humidité, vent etc.) Conditions prévues (temp., humidité, vent etc.) La météo Prévisibilité de 1ere espèce (Lorenz 1962) Conditions aux limites (Solaire, gaz a effet de serre etc) Conditions moyennes prévues (temp., humidité, vent etc.) Prévisibilité de 2eme espèce (Lorenz 1962) Le climat Incertitude (simplification) (physique-chaos)

4. Introduction à la modélisation 5. Un modèle d’atmosphère Découpage en maille Découpage en temps Résolution temporelle: Choix des processus physiques que l’on veut décrire Résolution spatiale:

4. Introduction à la modélisation 6. Historique des modèles Le développement des modèles suit la problématique et les connaissances scientifiques et techniques passant de questions météo à des questions climatiques

Observations Modèles (GIEC 2007) 4. Introduction à la modélisation 7. Performances des modèles Observations Modèles (GIEC 2007) Anomalies de température globale TOUS les modèles reproduisent le réchauffement global des années 1970-2000 Forçage naturel+anthropique imposé dans les modèles GIEC 2007

Conclusions Le climat est un système couplé extrêmement complexe, composé de l’atmosphère, l’hydrosphère, la biosphère et la cryosphère qui interagissent à toutes les échelles de temps et d’espace pour assurer une équilibre dynamique/énergétique/chimique.  Variabilité naturelle externe: (variations des forçages externes d’origine naturelle -signal naturel-)  Variabilité naturelle interne: (rétroactions dans et entre les différentes composantes du système climatique -bruit naturel-)  Variabilité anthropique externe: (réponse aux activités d’origine humaine -signal anthropique-) L’ensemble de ces variabilités interagissent/rétroagissent : se limiter à une approche « comptable » des perturbations est un non-sens scientifique (présence de mécanismes d’amplification/atténuation) . Le climat diffère de la Météo dans le sens où sa prévisibilité est dans les conditions aux limites et non dans les conditions initiales. Le climat est prévisible avec un certain degré d’incertitude inhérent au système climatique lui-même, à son observation, à sa compréhension, à sa modélisation etc.

Weather is what you get, climate is what you expect (Lorenz, 1982) Climate is what you affect, weather is what gets you (définition pour le XXIeme siècle)