Ingénieur de Recherches Marie-Alice Foujols CNRS IPSL foujols@ipsl.jussieu.fr

Plan Parcours professionnel Sciences de l’univers : Motivations Complexité Longue histoire 2007 : le 4ème rapport du GIEC 2008 -> 2013 : le 5ème rapport du GIEC Liens avec technologies Motivations

Parcours professionnel 1981 ENSEEIHT, Toulouse, Informatique et mathématiques appliquées 1981-1982 SLIGOS : Société de Services et Informatique Secteur bancaire, autorisation de paiement carte American Express 1982-1983 Cabinet Schneider : Architecte Dessin et comptabilité

Parcours professionnel 1984-1987 LOP-LODYC : Laboratoire d’Océanographie Physique du Muséum National d’Histoire Naturelle, Laboratoire d’Océanographie Dynamique et de Climatologie, Jussieu Développement modèle circulation générale océanique Administration système et réseau UNIX Participation à campagnes de mesure océanographiques

http://www.cnrs.fr/cw/fr/pres/Pomme/index.html

Parcours professionnel 1988-1993 CCVR : Centre de Calcul Vectoriel pour la Recherche, Palaiseau Mise en œuvre serveur fichiers sous MVS Assistance aux utilisateurs du Cray 2 Responsable équipe assistance aux utilisateurs (7 personnes) 1993-1996 IDRIS : Institut pour le Développement des Ressources en Informatique Scientifique, Orsay Centre de calcul du CNRS Responsable équipe support utilisateurs (15 personnes)

Parcours professionnel Depuis 1996 IPSL : Institut Pierre-Simon Laplace des Sciences de l’environnement global, Jussieu Pôle de modélisation du climat Responsable Informatique Scientifique (13 personnes)

http://www.ipsl.jussieu.fr

Centre d’Etudes des Environnements Terrestre et Planétaires Fédération de 5 laboratoires de recherche - Observatoire des Sciences de l’Univers CETP Centre d’Etudes des Environnements Terrestre et Planétaires CNRS-UVSQ-CNES LMD Laboratoire de Météorologie Dynamique CNRS-ENS-X-UPMC-CNES LOCEAN Laboratoire d’Océanographie et du Climat : Expérimentation et Approches Numériques CNRS-IRD-UPMC-MNHN LSCE Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement CNRS-CEA-UVSQ SA Service d’Aéronomie CNRS-UPMC-UVSQ

THEMES SCIENTIFIQUES ET APPROCHES ENVIRONNEMENT GLOBAL DE LA TERRE ET ENVIRONNEMENTS PLANETAIRES (passé, présent et évolution future aux échelles locales, régionales et globales) climat composition chimique (phénomènes naturels et anthropiques) interactions ionosphère-magnétosphère planétologie EXPERIENCE, THEORIE, MODELISATION expériences (sol, avions, ballons, bateaux, satellites) observatoires permanents modélisation (processus, simulation numérique)

Sciences de l’Univers - complexité Climat Modélisation

www.ipcc.ch

L’effet de serre L’effet de serre est bénéfique : 15°C de moyenne mondiale au lieu de : -18°C Représentation simplifiée de l’effet de serre naturel. IPCC, 2007

Depuis quand l’effet de serre est-il connu? IPSL, 2005

NOAA, WWW

650 000 ans: les carottes glaciaires Variations de la concentration de deutérium (δD) dans les glaces antarctiques (indicateur représentatif de la température locale) ; concentrations atmosphériques de gaz à effet de serre, dioxyde de carbone (CO2), méthane (CH4) et protoxyde d’azote (N2O) dans l’air encapsulé au coeur de la glace et provenant de mesures atmosphériques récentes. Les données couvrent 650 000 ans et les bandes grisées indiquent les périodes chaudes interglaciaires actuelle et précédentes. IPCC, 2007

Cycle de Milankovitch Schéma des variations de l’orbite terrestre (cycles de Milankovitch), engendrant les cycles glaciaires. ‘T’ - modification de l’orientation (de l’inclinaison) de l’axe de la Terre ; ‘E’ - modifications de l’excentricité de l’orbite (dues aux variations du petit axe de l’ellipse) ; et -’P’- précession, c.à.d. modifications au niveau de l’orientation de l’inclinaison de l’axe par rapport à un point donné de l’orbite. IPCC, 2007

Les gaz à effet de serre Concentrations atmosphériques des principaux gaz à effet de serre depuis 2.000 ans. Leur augmentation depuis l’ère industrielle (vers1750) est d’origine humaine. Les unités de concentration sont exprimés en parts par million (ppm) ou en parts par milliard (ppb), elles indiquent le nombre de molécules de gaz à effet de serre dans un échantillon atmosphérique donné par million ou milliard de molécules d’air, respectivement. IPCC, 2007

Les gaz à effet de serre par secteur d’activités en 1990 et 2004 IPCC, 2007

Les émissions de C02 par habitant en 2002 dans 20 pays

Le GIEC (IPCC) Groupe d’experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat Mis en place en 1988 par : l'Organisation Météorologique Mondiale le Programme pour l'Environnement des Nations Unies Le rôle du GIEC est d’évaluer de façon impartiale les informations internationales scientifiques, techniques et socio-économiques sur l’évolution du climat. Représentants des gouvernements et scientifiques Adoption de certains documents en session plénière (1 pays, 1 voix) Publication de rapports d’évaluation tous les 5-6 ans : 1990, 1995, 2001, 2007

Le GIEC (IPCC) 1990 : 1er rapport d’évaluation Sommet de Rio en 1992 1995 : 2nd rapport d’évaluation Protocole de Kyoto en 1997 2001 : 3ème rapport d’évaluation Conférence de Al Gore, 2006 : Documentaire de D Guggenheim 2007 : 4ème rapport d’évaluation Bali - décembre 2007 Groupe 1 : Les bases scientifiques et physiques (janvier 2007, Paris) Groupe 2 : Impacts, adaptation et vulnérabilité (avril 2007, Bruxelles) Groupe 3 : Atténuation des changements climatiques (mai 2007, Bangkok)

IPCC, 2007

Les activités humaines ont-elles déjà influencé le climat ? GIEC 1990 : On ne sait pas GIEC 1995 : Peut-être GIEC 2001 : Probablement (+ 2/3) GIEC 2007 : Très probablement (+ 9/10) L’essentiel de l’accroissement observé sur la température moyenne globale depuis le milieu du 20e siècle est très vraisemblablement dû à l’augmentation observée des gaz à effet de serre anthropiques Jouzel 2007

Le rapport du groupe 1 de 2007 Débuté en 2004 Fini en 2007 152 auteurs ~450 contributeurs ~600 relecture par experts 30,000+ commentaires Contenu Résumé pour décisionnaires Résumé technique 11 Chapitres Questions fréquemment posées ~5000 références à des articles publiés dans des revues scientifiques ~1000 pages Disponible sur www.ipcc.ch IPCC, 2007

Le rapport 2007 : Les bases scientifiques et physiques Le système climatique Les observations Les modèles La validation des modèles sur le XXème siècle Les projections sur le XXIème siècle Retour sur les projections de 2001

Le système climatique IPCC, 2007

Quels changements ont eu lieu? Dans quelle mesure comprenons-nous les climats passé et présent? Quels changements pourront se produire? Observations : Températures Précipitations Couverture de glace ou de neige Niveau des océans Circulation Extrêmes Simulations : Variation naturelle Forçages Climat global Climat régional Évènements à fort impact Stabilisation Observations versus Simulations Périodes paléo et instrumentées Temps : Le Présent Le Futur IPCC, 2001

Le monde s’est réchauffé En moyenne mondiale, la planète s’est réchauffée de 0,75°C depuis1860 si l’on se base sur plus de 12 séries de données de températures enregistrées sur de longues périodes prenant en compte les continents et les océans. Onze des 12 dernières années sont parmi les 12 années les plus chaudes depuis 1850. IPCC, 2007

Les observations Moyenne annuelle globale des températures relevées (points noirs) avec des écarts simples par rapport aux données. L’axe vertical gauche indique les anomalies par rapport aux moyennes des années 1961-1990, l’axe horizontal à droite indique la température actuelle estimée (en °C). Les pointes des tendances linéaires indiquent les 25 (en jaune), 50 (en orange), 100 (en violet) et 150 (en rouge) dernières années, et correspondent aux périodes 1981-2005, 1956-2005, 1906-2005 et 1856-2005, respectivement. Notons que pour des périodes récentes plus courtes, la pente est plus raide, ce qui indique un réchauffement accéléré. La courbe de couleur bleue représente les variations décennales. Pour se rendre compte de l’importance des fluctuations, les marges d’erreur allant de 5% à 95% (en gris pâle) suivent le contour de la courbe (de ce fait, les valeurs annuelles ne dépassent pas ces limites). Les résultats des modélisations obtenues par les forçages radiatifs pour le XX siècle laissent à penser qu’il y a eu peu de changements avant 1915, et qu’une grande partie des changements survenus au début du XX siècle sont dus à des causes naturelles, dont le changement du rayonnement solaire, le volcanisme et la variabilité naturelle. Entre 1940 et 1970, le développement industriel consécutif à la Seconde Guerre mondiale a fait augmenter la pollution dans l’hémisphère Nord, contribuant au refroidissement, tandis que l’accroissement des concentrations de dioxyde de carbone et d’autres gaz à effet de serre ont été les facteurs dominants du réchauffement constaté au milieu des années 1970. IPCC, 2007

Evolution des températures moyennes en France métropolitaine depuis 1901 onerc.gouv.org

Les évènements extrêmes Les températures estivales moyennes en Suisse pour la période 1864-2003 ont été de l’ordre de 17°C (courbe verte). Pendant la canicule de 2003, les températures moyennes ont dépassé 22°C (trait rouge) (chaque barre verticale représente une année pour les relevés effectués sur 137 ans). La distribution de Gauss est indiquée en vert. Les années 1909, 1947 et 2003 sont mises en évidence car elles représentent des années record. Les valeurs indiquées dans le coin inférieur gauche indiquent l’écart type (σ), ainsi que l’anomalie de 2003, normalisée par l’écart type (T’/σ) pour la période 1864-2000. IPCC, 2007

Les observations Etendue minimale des glaces de mer arctiques pendant la période 1979 à 2005. Les points indiquent les valeurs annuelles tandis que la courbe bleue lissée montre les variations par décennie La ligne pointillée indique la tendance linéaire. Les résultats montrent une tendance linéaire de -60 +- 20 x 103 km2/an, ou approximativement -7.4 % par décennie. IPCC, 2007

Les observations Changements observés sur (a) la température en surface moyenne sur le globe, (b) l’élévation moyenne globale du niveau de la mer obtenue à partir de données provenant de marégraphes (bleu) et de satellites (rouge) et (c) dans la couverture neigeuse de l’hémisphère Nord en mars-avril. Tous les changements se rapportent aux moyennes correspondantes pour la période 1961à1990. Les courbes lissées représentent des moyennes décennales, tandis que les cercles indiquent les valeurs annuelles. Les zones ombrées indiquent les intervalles d’incertitudes estimées à partir d’une analyse complète des incertitudes connues (a et b) et de la série temporelle (c) IPCC, 2007

Les modèles de climat Des équations Numérisation Programmes informatiques Calculateurs Résultats Confrontation aux observations Projections sur le futur

Historique des modèles climat

Le modèle climat de l’IPSL

Le modèle climat de l’IPSL 19 vert. levels Atmosphère et surf. continentale (LMDZ - ORCHIDEE) coupleur (OASIS) Résolution: Atm: 3.75°x2.5° (~350 km) Oce: 2°x2° Océan et glace de mer (ORCA-LIM)

La validation des modèles : XXème siècle Moyenne globale des températures en surface au cours du XX siècle, résultant d’observations (en noir) et obtenues au moyen de 58 simulations, effectués par 14 modèles climatiques différents basés sur les facteurs d’origine naturelle et humaine qui influencent le climat (en jaune). Les moyennes de ces séries suivent le trait épais rouge. Les anomalies de températures sont indiquées par rapport aux moyennes pour la période 1901-1950. Les lignes verticales grises indiquent les éruptions volcaniques majeures. IPCC, 2007

Les modèles : XXème siècle avec forçages naturels seuls Les variations simulées de la température mondiale moyenne basées sur le forçage naturel seulement. La courbe bleue épaisse montre la moyenne de l’ensemble multi-modèles et les courbes bleues minces et plus claires indiquent les simulations une par une. Chaque simulation a été paramétrée de façon à ce que sa couverture corresponde à la couverture des observations.Les lignes verticales grises indiquent les éruptions volcaniques majeures. IPCC, 2007

Le forçage radiatif du climat Résumé des principaux facteurs du forçage radiatif produit par les changements climatiques. Tous ces forçages radiatifs ont pour origine un ou plusieurs facteurs qui affectent le climat et sont associés à des activités humaines ou à des processus naturels. Les valeurs représentent les forçages entre le début de l’époque industrielle (vers 1750) et 2005. Les activités humaines sont à l’origine des changements dans les gaz ayant une longue durée de vie (ozone, vapeur d’eau, albédo de surface, aérosols et cotras). Le seul facteur naturel d’un accroissement sensible du forçage entre 1750 et 2005 a été le rayonnement solaire. Les forçages positifs on tendance à réchauffer le climat, les forçages négatifs à le refroidir. Le trait noir fin rattaché à chaque bloc de couleur représente le degré d’incertitude quant à la valeur correspondante. IPCC, 2007

Les scénarios IPCC, 2001

Les projections Les lignes en traits pleins correspondent à des moyennes globales multi-modèles du réchauffement en surface (relatif 1980-1999) pour les scénarios A2, A1B et B1, indiquées comme le prolongement des simulations du XXème siècle. Les zones ombrées matérialisent les écarts types en plus et en moins des moyennes annuelles pour les différents modèles. La ligne orange représente l’expérience dans laquelle les concentrations étaient maintenues constantes par rapport aux valeurs de 2000. Les barres grises sur la droite représentent les meilleures estimations (ligne solide à l’intérieur de chaque barre) et l’étendue probable évaluée pour les six scénarios du RSSE. L’évaluation de la meilleure estimation et des fourchettes probables dans les barres grises inclut les nombres d’AOGCM figurant à gauche de la figure, ainsi que les résultats obtenus d’une hiérarchie indépendante de modèles et des contraintes d’observation. IPCC, 2007

Les projections IPCC, 2007

Les anciennes projections/ les observations Comparaison entre le réchauffement mondial moyen et le réchauffement observé. Les variations de température observées sont représentées sous la forme de relevés annuels (puces noires) et sous forme de moyenne décennale (courbe noire). Les tendances projetées et leur amplitude telles que décrites par le premier rapport d’évaluation (PRE) et le deuxième rapport d’évaluation (DRE) sont représentées par des courbes continues verte et mauve entourées d’une zone colorée, et l’amplitude projeté selon le troisième rapport d’évaluation (TRE) est représenté par un hachurage bleu vertical. Les projections ont été ajustées pour que leur point de départ soit la valeur décennale observée en 1990. Des projections moyennes multi-modèles de ce rapport pour les scénarios B1, A1B et A2 du RSSE sont représentés pour la période courant de 2000 à 2025 sous la forme de courbes bleue, verte et rouge, les marges d’incertitude étant indiquées à droite du tableau, sur l’axe vertical. La courbe orange représente les projections modélisées de réchauffement si les concentrations de gaz à effet de serre et d’aérosols étaient constantes et à leur niveau de l’an 2000 - elle représente donc le réchauffement engagé. IPCC, 2007

Le niveau des mers Evolution globale spatio-temporelle du niveau de la mer (écart par rapport à la moyenne des années 1980-1999) dans le passé et projections dans le futur. Il n’existe pas de mesures globales du niveau de la mer pour la période précédant 1870. Les zones ombrées en gris indiquent les incertitudes des estimations à long terme de l’évolution du rythme de l’élévation du niveau de la mer. La ligne rouge représente le niveau de la mer mondial moyen d’après les données marégraphiques, tandis que les zones ombrées en rouge indiquent les intervalles des variations par rapport à une courbe régulière. La ligne verte représente le niveau de la mer moyen mesuré par altimétrie satellitaire. Les zones ombrées en bleu indiquent la gamme des projections de modèles du scénario A1B du RSSE pour le XXI siècle par rapport à la moyenne des années 1980-1999, les calculs ayant été effectués indépendamment des observations. Au-delà de l’année 2100, les projections dépendent de plus en plus du scénario d’émissions. Dans les centaines ou milliers d’années à venir le niveau de la mer pourrait s’élever de quelques mètres IPCC, 2007

Un extrait du chapitre 2 : Impacts, adaptation et vulnérabilité IPCC, 2007

Evolution du nombre annuel de jours de gel à Nancy et Toulouse de 1951 à 2003 onerc.gouv.org

Dates de vendanges en Côtes du Rhône méridionales depuis 1945 onerc.gouv.org

Un extrait du chapitre 3 : Atténuation des changements climatiques Le protocole de Kyoto (signé en 1997) propose un calendrier de réduction des émissions des 6 gaz à effet de serre qui sont considérés comme la cause principale du réchauffement climatique des cinquante dernières années. Il comporte des engagements absolus de réduction des émissions pour 38 pays industrialisés, avec une réduction globale de 5,2 % des émissions de dioxyde de carbone d'ici 2012 par rapport aux émissions de 1990. IPCC, 2007

2008-2013 : 5ème rapport du GIEC Figer les modèles en 2008 Plus de qualité Plus de complexité Plus de résolution Ensembles de simulations Réaliser les simulations en 2009-2010 Compromis coût/ressources calcul disponibles Distribuer les résultats pour les groupes 1, 2 et 3 Earth System Grid : Coopération des centres de distribution des données.

CMIP5 Experiment Design DRAFT “Long-Term” (century & longer) “Near-Term” (decadal) TIER 1 TIER 2 CORE “realistic” diagnostic (initialized ocean state) prediction & predictability CORE TIER 1 Also “time-slice” experiments for 2030-2040

CMIP5 Long-term Experiments Draft from WGCM meeting, September, 2008 DRAFT D & A ensembles Control, AMIP, & 20 C RCP4.5, RCP8.5 ensembles: AMIP & 20 C natural-only, GHG-only individual forcing RCP2.X, RCP6 extend RCP4.5 to 2300 extend RCP8.5 & RCP2.X to 2300 ensemble of abrupt 4xCO2 5- yr runs aqua planet (clouds) unform ΔSST (clouds) Mid-Holocene & LGM last millennium E-driven RCP8.5 E-driven control & 20 C patterned ΔSST (clouds) sulfate aerosol forcing ca. 2000 AC&C4 (chemistry) 1%/yr CO2 (140 yrs) abrupt 4XCO2 (150 yrs) fixed SST with 1x & 4xCO2 radiation code sees 1xCO2 (1% or 20C+RCP4.5) carbon cycle sees 1XCO2 (1% or 20C+RCP4.5) All simulations are forced by prescribed concentrations except those “E-driven” (i.e., emission- driven). Coupled carbon-cycle climate models only

CMIP5 Decadal Predictability/Prediction Experiments Draft from WGCM meeting, September, 2008 DRAFT additional predictions Initialized in ‘01, ’02, ’03 … ‘09 hindcasts without volcanoes 100-yr “control” & 1% CO2 10-year hindcast & prediction ensembles: initialized 1960, 1965, …, 2005 prediction with 2010 Pinatubo- like eruption alternative initialization strategies 30-year hindcast and prediction ensembles: initialized 1960, 1980 & 2005 atmos. chemistry &/or aerosols &/or regional air quality extend ensembles from O(3) to O(10) members prescribed SST time-slices

Modèle “système Terre” de l'IPSL IPSL-CM5-ESM Oce: NEMO résol H: 2° résol V: L31 glace de mer: LIM2 (LIM3 ?) biogéochimie: PISCES Couplage: OASIS-3 Atm: LMDZ-4 96x95 (4°x 2°) <- résol H: 144x143 (2.5°x1.25°) PMIP résol V: L19 ou ( L39 ? ) INCA Aérosols: INCA-aer Off-line On-line Ozone: Off-line On-line Végét: ORCHIDEE Cycle du carbone Utilisation des sols Végétation dyn. Execution, post-traitement, mise à disposition des données

Calculateurs Etat des lieux dans le monde Top 500 : www.top500.org Performance sur test LINPACK (algèbre linéaire) Parution en juin en novembre depuis 1993 Mars 2002 - Juin 2004 : Japon, Earth Simulator en 1ère position Juin 2008 : 1ère machine au Petaflops (1015 Flops, 129 600 cœurs) Novembre 2008 : 2 machines au Petaflops

http://www. www.es.jamstec.go.jp/esc/eng

Evolution des calculateurs Assurer la production scientifique Anticiper les évolutions technologiques Mémoire Internet processeur (vectoriel, superscalaire) compilateur directives OpenMP noeud échange de messages (MPI) cluster échange de messages (MPI) Metacomputing Grid computing Data computing Superscalaire parallèle 100 000 proc

Historique des modèles climat

Sciences de l’Univers - liens avec technologies Informatique Calculateurs : du Cray 1 au Earth Simulator Réseaux : de l’accès téléphonique 300bauds à Internet (ADSL, 10 Mbps) Données : du Mo (106) au Po (1012)

Sciences de l’Univers - liens avec technologies Applications : Résolutions des modèles Complexité des modèles Compréhension des processus Bases de données distribuées Travail coopératif

Quelles constantes ? Technologies évoluent, bases restent : Bases numériques : erreur d’arrondie algorithmes Langages évoluent, méthodes restent : Assembleur, Fortran, C, C++, python vérification, debogage, cas limites

Motivations Travail dans la recherche questionnement permanent évolution des questions traitées interactions avec tous scientifiques : physique, math, informatique, … interactions internationales : coopétition diversité des fonctions

Conclusion Fondamentaux Math, Calcul numérique, Recherche d’erreurs Nouvelles techniques Les repérer, Les connaître, Les mettre en oeuvre

Merci pour votre attention

Bilan personnel Scientifique : Citoyen : Des séries d’observations plus longues Des moyens d’observation mondiaux : satellites Des ordinateurs plus puissants Des modèles climat plus complexes Un domaine scientifique en évolution Une mobilisation scientifique internationale Citoyen : Des questions mondiales Des inquiétudes individuelles Des réponses/actions politiques mondiales Surprise, gratitude, fierté, responsabilité

Plan L'effet de serre Qu’est-ce que c’est? Depuis quand l’effet de serre est-il connu? Les gaz à effet de serre : observations et chiffres Le GIEC Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat Le rapport 2001 , Al Gore Le rapport 2007 les projections le retour sur les projections de 2001 Bilan personnel

Que faire? Agir Réduire les émissions dans tous les secteurs Rester en dessous de 2°C supplémentaire Bali - décembre 2007 - l’après 2012 Croissance propre

Sur la toile www.ipcc.ch www.effet-de-serre.gouv.fr www.bilancarbonepersonnel.org www.rac-f.org …

Merci Olivier Arzel, Jacques Bellier, Rachid Benshila, Sandrine Bony, Julien Boé, Laurent Bopp, Olivier Boucher, Jean-Philippe Boulanger, Pascale Braconnot, Alain Braun, Patrick Brockmann, Patricia Cadule, Christophe Cassou, Arnaud Caubel, Fabrice Chauvin, Francis Codron, Nathalie de Noblet, Sébastien Denvil, Michel Déqué, Sébastien Dominiak, Hervé Douville, Jean-Louis Dufresne, Laurent Fairhead, Thierry Fichefet, Marie-Angèle Filiberti, Marie-Alice Foujols, Claude Frankignoul, Pierre Friedlingstein, Gillaume Gastineau, Christophe Genthon, Josephine Ghattas, Anne-Laure Gibelin, Katarina Goubanova, Jean-Yves Grandpeix, Eric Guilyardi, Didier Hauglustaine, Frédéric Hourdin, Abderaman Idelkadi, Soumaya Jamili, Masa Kageyama, Gherart Krinner, Alexandre Laîné, Alban Lazar, Phu Le Van, Claire Lévy, Laurent Li, François Lott, Gurvan Madec, Eric Maisonnave, Pascal Marquet, Olivier Marti, Sébastien Masson, David Salas y Melia, Ionela Musat, Serge Planton, Johannes Quaas, Annie Rascol, Catherine Ritz, Jean-François Royer, Victoria Serafini, Florence Sevault, Samuel Somot, Didier Swingedouw, Claude Talandier, Laurent Terray, Pascal Terray, Hubert Teyssèdre, Sophie Tyteca, Sophie Valcke, Nicolas Viovy, Aurore Voldoire.