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  • Modlisation climatique et projections du climat futurPr Jean-Pascal van Ypersele

    UCL-ASTR (Universit catholique de Louvain, Institut dastronomie et de gophysiqueG. Lematre)

    Toile: www.climate.beCourriel: vanyp@climate.be

    Chaire Francqui, cours n4, ULB, 20-3-2008

  • Jean-Pascal van Ypersele (vanypersele@astr.ucl.ac.be)

    Remerciements

    z Michael Mann (Penn State), Philippe Marbaix (UCL), Andr Paul (Universitde Bremen), Susan Solomon (GIEC), et Martin Van Coppenolle (UCL), pour certaines des dias ci-aprs

  • Jean-Pascal van Ypersele (vanypersele@astr.ucl.ac.be)

    Introduction

  • Composantes et processus du systme climatique[schma 1-5 (dessus) de Ruddiman (2001)]

  • Jean-Pascal van Ypersele (vanypersele@astr.ucl.ac.be)

    But de la modlisation du climat

    z Comprendre les climats passs- Rponse aux forages climatiques- Rle des couplages et rtroactions entre les

    composantes du systme climatique

    z Relier le climat actuel aux facteursnaturels et aux activits humaines

    z Projeter les climats futurs

  • Le but de la modlisation de climat

  • Premier facteur explicatif du climatterrestre: chauffage diffrenci

    Bilan nergtiquesuivant les latitudes [Figure 1a deMcGuffie etHenderson-Sellers,2001]

  • Circulation gnrale de latmosphredue au bilan nergtique et la rotation

    Effet du bilannergtique et de larotation de la terre(Force de Coriolis) [Figure 1B deMcguffie etHenderson-Sellers,2001]

  • Echelles de temps dans le systme climatique

    Schma 1-6 de Ruddiman (2001)

  • Ruddiman (2001)

  • Jean-Pascal van Ypersele (vanypersele@astr.ucl.ac.be)

    Modles de climat

  • Modles

    RalitFormulation mathmatique

    DiscrtisationNumrique

    Rsolutionpar ordinateur

    Idalisation

    Analyse Nombres432586309543950923149328932589432509534590342950439509432324

    34254395304295043295324509324544350934253042950324950495049545345904305943023914364320932193432586309543950923149328932589432509534590342950439509432324

    34254395304295043295324509324544350934253042950324950495049545345904305943023914364320932193

    1) Validation2) Sensibilit

    Dfinition

    Martin Van Coppenolle (UCL)

  • Modles atmosphriques

    Modles de bilan nergtique - EBM (0D-2D) Temprature de surface

    Modles Radiatif-convectifs - RC (1D) Profil de temprature Transfert radiatif, convection

    Modles Statistique-dynamique - SD (1D-3D) Absence de fluctuations mtorologiques quations filtres

    Modles de circulation gnrale - GCM (3D) Complet/raliste quations primitives

  • Modles de bilan nergtique(EBM)

    La manire la plus simple possible de construire un modle du climat de la terre : modle de bilan nergtique zro-dimensionnel

    Solar radiation absorbed longwave radiation emitted=

  • Ombre d'une plante sphrique [le schma 2.2 de Hartmann(1994)]

  • ( ) 20absorbed solar radiation 1 .p pS r =

    4 2emitted longwave radiation 4 .e pT r =

    ( ) 40 p14 eS T =

    Pour la section d'une plante de rayon rp:

    Pour la surface d'une plante de rayon rp:

    Une division par rp2 donne le bilan nergtique plantaire ::

    2

  • EBM Zro-dimensionnel

    ( )( ).

    14/S4 0

    p

    eT

    =

    La solution du bilan nergtique plantaire rapportela temprature d'mission d'une plante :

  • EBM Zro-dimensionnel et effet de serre

    Beaucoup moins que la moyenne globale observepour la temprature de lair en surface :~ 15C, soit 288 K

    Il faut en effet tenir compte de l'effet de serre

    ( )( ) F.0orC-18K255KmW1067.5

    3.014/mW13674

    428

    2

    =

    =

    eT

    La temprature d'mission de la terre

  • Modles 1-D (RC) radiatif-convectifs[Le schma 3-24 de Ruddiman (2001)]

  • Modle 2-D (SD) statistique-dynamique[Le schma 3-25 de Ruddiman (2001)]

  • Modle de circulation gnrale trois dimensions (GCM[Le schma 3-26 de Ruddiman (2001)]

  • [Le schma 3-27 de Ruddiman (2001)]

  • Dveloppement des modles de climat

    Dveloppement des ordinateurs

    Ordinateurs et modlisation du climat

  • [Figure 5 from Mcguffie and Henderson-Sellers, 2001]

  • Forcings and feedbacks

    [Figure 1.11 from Ruddiman (2001)]

  • Water VaporFeedback Loop

    Increase Temperature

    Water Vapor Feedback

    +3C ~ +20% H2O

  • Natural Feedbacks within the Climate SystemNatural Feedbacks within the Climate System

    Water VaporFeedback Loop

    Increase CO2Increase

    TemperatureIncrease

    Water Vapor

    Water Vapor Feedback

    Water Vapor Feedback Approximately Doublesthe Sensitivity of Climate ~1 to 2 C warming

    +3C ~ +20% H2O

  • Sensibilit des modles climatiques

    Rapport entre la rponse du climat et un facteur de forage :

    climate responseclimate sensitivity =climate forcing

    s sR

    T dTQ dQ

    =

    s: temprature de surface (K ou C)

    Q : perturbation du bilan nergtique un certain niveau (W m-2)

  • Sensibilit du climat

    B

    petit nombre ngatif grand nombre positif

    Nuages

    1.7Glace-albedo

    1.0Vapeur d'eau

    0.3Stefan-Boltzmann

    (refroidissementinfrarouge)

    Valeur prvue

    (K W-1 m2)

    SymboleProcessus

    B

    1

    B

    1

    W

    1

    A

    1

    A

  • Combinaison des rtroactions dans le systme climatique

    1 1 1 1 1 .R B A W c =

    BB

  • General Circulation Models ou Global Climate Models (GCMs)

    quations fondamentales

    Discrtisation

    Paramtrisation

    Solution numrique

  • DANS LA COLONNE ATMOSPHERIQUE

    Vecteurs vent Humidit Nuages Temprature Altitude

    Echanges horizontaux entre colonnes

    Echanges verticaux entre niveaux

    A LA SURFACETemprature au sol

    Flux deau et dnergie

    Intervalle de temps ~ 30 minutes Rsolution ~ 3x 3

    (Adapt daprs McGuffie & Henderson-Sellers, 1987)

  • Processus principaux dans un AGCM (Atmospheric General Circulation Model) Dynamique :

    Circulation gnrale (vents) Physique :

    Rayonnement absorption de rayonnement (solaire) de courte longueur donde mission et absorption du rayonnement (IR) grandes ondes

    Nuages Convection, prcipitation

    Thermodynamique (la temprature atmosphrique) Humidit (humidit atmosphrique)

    Surface et ocans effets de la glace, neige, vgtation sur la temprature, albdo,

    missivit, rugosit

    Chimie composition de l'atmosphre

  • Processusincorpors dansun AGCM [schma 5.1 de McGuffie et Henderson-Sellers (1997)]

  • quations primitives (3D)

    Conservation de la masse (quation de continuit) vitesse verticale

    Conservation de l'nergie (1re loi de la thermodynamique) la temprature

    Conservation de la quantit de mouvement (lan)(mv) vitesse horizontale (vent, circulation)

    quation d'tat gaz idal/densit d'eau de mer

  • quations primitives

    Taux de changement = transport + sources puits(sinks)

    Solution numrique- Diffrences finies

    - Mthode spectrale

    - lments finis

  • Car

    act

    rist

    ique

    sde

    l'at

    mos

    phr

    eet

    d'

    oca

    n

    restreintsans restrictioncoulement horizontal

    4 kilomtres10 kilomtresAmpleur verticale

    1/55Rsolution requise

    grandngligeableCapacit de chaleur

    sur la surfacecolonne entirePerte de chaleur

    d'en hautprincipalement de dessous

    Gain de la chaleur

    100-1000 ansjoursTemps caractristique

    ~2x10-3~4x10-2Contraste de densit

    40 kilomtres1000 kilomtresRayon de Rossby 30N/30S

    10-4-10-5 m s-110-2 m s-1Vitesse verticale

    0.1 m s-110m s-1Vitesse horizontale

    OcanL'atmosphre

  • Discrtisation

  • Contraintes numriques

    Critre de Courant-Friedrich-Levy:

    uxt

    Aucun transport ne peut parcourir plus d'une maille par pas de temps

  • [Schma 10 de Mcguffie et Henderson-Sellers, 2001]

  • Paramtrisation dans les modlesclimatiques

    Les processus se produisant une chelleinfrieure celle des mailles doivent treparamtriss- e.g. formation des nuages, transfert d'humidit

    dans le sol ou tourbillons ocaniques

  • Bertrand et al. 2001

    Effet des diffrents facteurs sur le modle 2D de LLN

  • Bertrand et al. 2001

    Effet des facteurs combins sur le modle 2D de LLN

  • GIEC - WGI

    Etudes dattribution

    Sparer les patterns spatio-temporels de la rponse.

    Rponse au solaire a une signature trs diffrente celle des GES, en particulier avec laltitude. La haute atmosphre devrait tre beaucoup plus chaude qu elle ne lest si le rayonnement solaire tait la cause du rchauffement la surface.

    Solaire

    Tous les forages

  • Attribution

    are observed changes consistent with expected responses to forcingsinconsistent with alternative explanations

    Observations

    All forcing

    Solar+volcanic

  • Key conclusion from the last IPCC report (2007):

    Most of the observed increase in globally averaged temperatures since the mid-20th century is very likely due to the observed increase in anthropogenic greenhouse gas concentrations

    NB: Very likely means: probability > 90% NB: Same sentence as in previous IPCC

    report (TAR, 2001), but then with likely , meaning probability > 66%

  • Jean-Pascal van Ypersele (vanypersele@astr.ucl.ac.be)

    Projections du climat futur

    z Scenariosz Simulations

  • The information chain leading to a climate projection

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