Sandrine Bony, Jean-Louis Dufresne, Jean-Yves Grandpeix,Sandrine Bony, Jean-Louis Dufresne, Jean-Yves Grandpeix,Frédéric HourdinFrédéric Hourdin

Laboratoire de Météorologie DynamiqueLaboratoire de Météorologie DynamiqueInstitut Pierre Simon LaplaceInstitut Pierre Simon Laplace

De quelle confiance parle-t-on ?De quelle confiance parle-t-on ?Confiance dans nos modèles en général ? Dans notre façon de travailler ?Confiance dans nos modèles en général ? Dans notre façon de travailler ?→→ Confiance dans les prévisions d'une élévation moyenne des températures sous l'effet de Confiance dans les prévisions d'une élévation moyenne des températures sous l'effet de l'augmentation de la concentration des gaz à effet de serre.l'augmentation de la concentration des gaz à effet de serre.→ → Confiance dans les projections des changements climatiques associés. Confiance dans les projections des changements climatiques associés.

Difficultés de deux ordres :Difficultés de deux ordres :1. Etre au clair sur les bases de notre propre confiance / doutes1. Etre au clair sur les bases de notre propre confiance / doutes2. Communiquer sur un sujet complexe et mal maîtrisé2. Communiquer sur un sujet complexe et mal maîtriséD'où notre intérêt pour un travail d'explicitation de notre démarche pour nous et pour D'où notre intérêt pour un travail d'explicitation de notre démarche pour nous et pour l'extérieur.l'extérieur.

Plan :Plan :• Le statut particulier de la modélisation numérique dans le cadre de l'étude du Le statut particulier de la modélisation numérique dans le cadre de l'étude du changement climatique : Ou pourquoi quand le sage montre la casserole en ébullition, le changement climatique : Ou pourquoi quand le sage montre la casserole en ébullition, le physicien du climat suit chaque bulle.physicien du climat suit chaque bulle.• Accroître la confiance par l'amélioration de la représentation des bulles : le travail sur Accroître la confiance par l'amélioration de la représentation des bulles : le travail sur l'amélioration du modèle et des paramétrisations physiquesl'amélioration du modèle et des paramétrisations physiques• Accroître la confiance en partant du système casserole : identification des mécanismes Accroître la confiance en partant du système casserole : identification des mécanismes climatiques clef, hiérarchie de modèles, approche multi-modèles.climatiques clef, hiérarchie de modèles, approche multi-modèles.

Confiance et modélisation du climatConfiance et modélisation du climat

Maillage océanique

Maillage atmosphérique

Modélisation du climat / prévision du temps

Modèles : identiques. Durée : plusieurs décennies ou siècles / 15 jours (prévision saisonnière entre les deux) Etat initial : quelconque (existence d'un attracteur étrange : le climat) / “analyse” produite à partir d'un processus d'assimilation (variationnelle) des données dans les modèles Prévision : statistique (ex : la variabilité inter-annuelle de la pluie d'hivernage) /déterministe (le temps qu'il fait demain).

Le réchauffement climatique et l'ébullition d'une casserole d'eau :Le réchauffement climatique et l'ébullition d'une casserole d'eau :• Les bulles ont un caractère chaotique, difficile à prévoir, … Les bulles ont un caractère chaotique, difficile à prévoir, … • Les lois de la physique (conservation de l'énergie, de l'eau liquide + vapeur) permettent de Les lois de la physique (conservation de l'énergie, de l'eau liquide + vapeur) permettent de calculer l'évaporation sans connaître exactement la position de chaque bulle à chaque calculer l'évaporation sans connaître exactement la position de chaque bulle à chaque instant.instant.

Analogie à double tranchant pour le climat : Analogie à double tranchant pour le climat : • Même si les modèles de climat prédisent imparfaitement le système météorologique (et ne Même si les modèles de climat prédisent imparfaitement le système météorologique (et ne sont pas capables de prédire le temps qu'il fera dans 15 jours) il peuvent prédire le sont pas capables de prédire le temps qu'il fera dans 15 jours) il peuvent prédire le réchauffement, qui relève en grande partie de grands équilibres énergétiques.réchauffement, qui relève en grande partie de grands équilibres énergétiques.• Mais le modèle « du climat » n'existe pas : système trop complexe, écoulement chaotique, Mais le modèle « du climat » n'existe pas : système trop complexe, écoulement chaotique, variabilité à toutes les échelles de temps et d'espace variabilité à toutes les échelles de temps et d'espace → → Le physicien du climat est l'imbécile qui construit un modèle qui représente explicitement Le physicien du climat est l'imbécile qui construit un modèle qui représente explicitement chaque bulle pour prédire la vitesse d'évaporation dans la casserole.chaque bulle pour prédire la vitesse d'évaporation dans la casserole.Dans les polémiques : incompréhension des « vrais physiciens » sur ce point précis ?Dans les polémiques : incompréhension des « vrais physiciens » sur ce point précis ?

Méthode :Méthode :• Développer un modèle explicite des bulles dans la casserole aussi physique et réaliste que Développer un modèle explicite des bulles dans la casserole aussi physique et réaliste que possible (modèles dits « de climat » = modéles météorologiques enrichis).possible (modèles dits « de climat » = modéles météorologiques enrichis).• Valider ce modèle par comparaison à une expérience unique d'ébullition (le climat observé)Valider ce modèle par comparaison à une expérience unique d'ébullition (le climat observé)• Réaliser des simulations numérique avec le modèle explicite et regarder le comportement Réaliser des simulations numérique avec le modèle explicite et regarder le comportement de façon statistique.de façon statistique.• En déduire la vitesse d'évaporation dans la casserole (réchauffement global, changement En déduire la vitesse d'évaporation dans la casserole (réchauffement global, changement climatique).climatique).• Confronter le modèle explicite avec des théories plus ou moins partielles et simplifiées du Confronter le modèle explicite avec des théories plus ou moins partielles et simplifiées du climat.climat.

Quelle confiance dans les projections de réchauffement global?

GIEC 2007

Svante Arrhenius(1859-1927)

Activités

humaines: 2xCO2

dans quelques milliers d'annéesDoublement de

CO2 => T 4 à

5°C

(°C)

Éléments de confiances:• Le CO2 augmente• Accroissement de CO2 augmente l'effet de serre et donc la température de surface• L'accroissement des GES est la principale perturbation• Amplitude du « réchauffement » pus grande que la variabilité interne• Structure spatiale du réchauffement

inter-model differences(standard deviation)Moyenne multi-modèles

Identification des principaux mécanismes contrôlant l'amplitude du réchauffement et de sa dispersion

Effet direct de l'augmentation

du CO2

Effet d'inertie thermique de

l'océan

Rétroaction de la vapeur d'eau

Rétroaction de la cryosphère

Rétroaction des nuagesRéchauffement global pour un doublement de CO2

Moyenne multi-modèles

Identification des principaux mécanismes contrôlant l'amplitude du réchauffement et de sa dispersion

Réchauffement global pour un doublement de CO2

Moyenne multi-modèles (Dufresne & Bony 2008)

Rétroaction

des nuages

inter-model differences(standard deviation)

Moyenne multi-modèles

Fragilités et confiance

Fragilités •On a besoin de modèles (très) complexes pour simuler le climat(Une question de légitimité du scientifique qui n'en maîtrise pas tous les aspects ?)• Le système est chaotique• On observe, de façon très incomplète, une « réalisation » particulière• On n'a pas de « théorie du climat » ni de modèle associé• Pour les projections, on n'a que très peu de résultats robustes sur les variables climatiques d'intérêt

Origines de la confiance dans les projections du changement climatique : → Confiance dans les bases physiques et le degré de réalisme du modèle complet (exposé de Jean-Louis Dufresne)→ Compréhension des mécanismes climatiques impliqués, hiérarchie de modèles, vérification de ces mécanismes dans le modèle complet(exposé de Sandrine Bony)

GIEC - On commence à penser de façon robuste :GIEC - On commence à penser de façon robuste :• Réchauffement global en cours (effet direct du CO2 sur l'absorption du Réchauffement global en cours (effet direct du CO2 sur l'absorption du rayonnement thermique par l'atmosphère).rayonnement thermique par l'atmosphère).• Amplitude attendue : 2 à 5 °C pour un doublement du CO2 dont la moitié Amplitude attendue : 2 à 5 °C pour un doublement du CO2 dont la moitié due à la rétroaction vapeur d'eau.due à la rétroaction vapeur d'eau.• Dispersion des projections : facteur 2 dont 50 % provient des nuages Dispersion des projections : facteur 2 dont 50 % provient des nuages • Réchauffement plus fort sur les continents (non limité par l'évaporation)Réchauffement plus fort sur les continents (non limité par l'évaporation)• Plus fort au hautes latitudes (entre autres, effet d'albédo de la cryosphère)Plus fort au hautes latitudes (entre autres, effet d'albédo de la cryosphère)

Résultats des deux modèles français (IPSL et MeteoFrance)impliqués dans les travaux du GIEC (scenario SRESA2)

10

TiTiTeTe

k. (Te-Ti)k. (Te-Ti) = S = S

Analogie avec une maison :Analogie avec une maison :chauffage <=> soleilchauffage <=> soleilisolation <=> atmosphèreisolation <=> atmosphère 1

0

a Sa Sσ.Tσ.T

ss44

k σ.Tk σ.Tss44

Effet de serre :Effet de serre :• + 30°C : 2/3 H+ 30°C : 2/3 H

22O (vapeur) et 1/3 COO (vapeur) et 1/3 CO22

• COCO2 2 , CH, CH

4 4 => => TTss

Rétroactions :Rétroactions :• Albédo neige/glace : amplificationAlbédo neige/glace : amplification• Vapeur d'eau : amplification Vapeur d'eau : amplification • Nuages : ?Nuages : ?

Système complexe : Système complexe : • Simulations numériques sur base de scenario d'évolution du COSimulations numériques sur base de scenario d'évolution du CO

22

• Groupe Intergouvernemental d'Experts sur l'Evolution du Climat (Groupe Intergouvernemental d'Experts sur l'Evolution du Climat (GIECGIEC))

SS

→→ →→

TTs s ??

Température moyenne Température moyenne TTs s à la surface de la terreà la surface de la terre

chaud

froid

moyen

Evolution de la température (°c) moyenne en été en France de 1860 à 2080

2003

1976

2008

* ObservationsSimulation de contrôleAvec augmentation des gaz à effet de serre

2007

Tem

pérature (°C)

Année(Scenario SRESA2 du GIEC, modèle de l'IPSL)

chaud

froid

moyen

Evolution de la température (°c) moyenne en été en France de 1860 à 2080

2003

1976

2008

* ObservationsSimulation de contrôleAvec augmentation des gaz à effet de serre

2007

Tem

pérature (°C)

Année(Scenario SRESA2 du GIEC, modèle de l'IPSL)

?

chaud

froid

moyen

Evolution de la température (°c) moyenne en été en France de 1860 à 2080

2003

1976

2008

* ObservationsSimulation de contrôleAvec augmentation des gaz à effet de serre

2007

Tem

pérature (°C)

Année(Scenario SRESA2 du GIEC, modèle de l'IPSL)

?

CORRECTION D

'UN B

IAIS

MOYEN SUR LES TEM

PERATURES

chaud

froid

moyen

Evolution de la température (°c) moyenne en été en France de 1860 à 2080

2003

1976

2008

* ObservationsSimulation de contrôleAvec augmentation des gaz à effet de serre

2007

Tem

pérature (°C)

Année(Scenario SRESA2 du GIEC, modèle de l'IPSL)

Importance de la représentation des processus turbulents, nuageux et précipitant dans les modèles de climat.

200 km

20 km

Dans une maille du modèle ...

Turbulence

Nuages

?

200 km

20 km

Dans une maille du modèle ...

« Mélange turbulent »par des petits mouvements aléatoires.Analogue à la diffusion moléculaire.

l : longueur de mélange de Prandtl

∂q∂ t

=∂∂ z

_ Kz∂q∂ z

_ K z=l_w'_avec

Exemples de mesures avion (région parisienne, conditions estivales, cumulus)

Vitesse verticale (m/s)

Humidité (g/kg)

Turbulence isotrope de petite échelle -> mélange turbulentTurbulence atmosphérique : “méso-échelle”, organisée et anistrope

• L'air chaud (léger) et humide monte de la surface sous l'effet des forces d'Archimède.• En montant cet air ce refroidit (détente adiabatique) et ne peut plus contenir autant de vapeur d'eau.• En cas de saturation : apparition de cumulus en haut du panache chaud.

(Atkinson & al., 1996)

Importance des structures organisées visualisées ici par les rues de nuages

Exemple classique de rues de nuages créées au sommets de rouleaux convectifs :• arrivé d'air polaire froid sur des masses océaniques plus chaudes• entrée d'air marin doux sur un continent plus chaud

Modélisation du climat et changement climatique(Pole modélisation de l'IPSL)

Evolution de la composition de l'atmosphère, source d'incertitude sur le changement climatique

Evolution de la température globale au XXe sciècle Simulation avec variation desgaz à effet de serre.

Simulation avec prise en comptede l'effet direct et indirect desaérosols soufrés.

Observation

Modèle couplé de l'IPSL,simulations GIECC

Important aussi pour rétroaction vapeur d'eau, nuages, etc ...(Simulations réalisées par Sébastien Denvil et le pole modélisation de l'IPSL)