Les leçons du passé

Pascale BraconnotLSCE/IPSL, France

Plan• Introduction : changements climatiques • Un exemple : simulations du climat glaciaire • Notion de sensibilité climatique et de

rétroaction• Forçages et rétroactions : glaciaire/futur • Changement de circulation et précipitations

tropicales : glaciaire / futur • Hydrologie et mousoon à l’holocène moyen • La rétroaction de la végétation• Tendance sur l’Holocène : mousson africaine • Conclusion

Introduction

Projections : différentes incertitude

Barre d’erreur estimée à partir de 39 simulations (modèles) : tient compte des différences entre modèles, de la nature chaotique du climat

Hypothèses d’évolution des facteurs socio-économiques

= réponse du climat à différents types de « forçages »

Mise au regard du passé

Pre-Quaternaire

Glacial-interglacialcycles

Quaternaire

Projections AR5

Anthropocene

transitionEocène-

Oligocène

Dernier Maximum Glaciaire

Evenements abruptsHolocène moyen : « Sahara vert »

Eoceneoptimum

Les simulations paleoclimatiques : • Pour mieux comprendre les mécanismes

et les rétroactions• Pour évaluer les modèles et la capacité à

reproduire un climat différent de l’actuel. – La sensibilité climatique (amplitude du

changement de température en fonction du forçage)

– Hydrologie et les liens avec l’environnement

– variabilité multi décennale et millénaire

Les constantes de temps en jeu

Echanges biogéochimiques

CO2, CH4, O3

1 mois - 109 ans

Lithosphère104-109 ans

Biosphère1 mois -100 ans

1 mois -10 ansOcéan

10 - 1000 ans

Atmosphère1 jour - 10 ans

Echanges d’énergie

H20H20

Echanges d’eau

Glace1 mois - 10 ans

Calotte103-106 ans

•Imbrication des échelles de temps et d’espace : de la météorologie (seconde à heure) au millénaire et au delà

• Différents niveaux de validation et d’évaluation • Processus

• Climatologie

• Variabilité climatique

• Caractérisation des rétroactions

• Climats passés

Facteurs affectant les résultats des simulations

Protocole expérimental

incertitude des forçages

Variabilité interne

paramètres

Contenu

modèles

dynamique, physique,

biogéochimique

Periodes representatives de différents forçages

Dernier maximum glaciaire ( 21000 ans BP)

Holocène moyen(6000 and BP)

Dernier millénaire

Preindustriel

Trace gases

Ice Sheet

Gas traces

CO2 : 185 ppmCH4 : 350 ppb…

CO2 : 280 ppmCH4 : 650 ppb…

Configuration orbitale

Evolution gaz à effet de serre, constante solaire volcanisme, paramètres orbitaux, utilisation des terres

référence

Bra

co

nn

ot

et

al.

NC

C a

dd

itio

na

lm

ate

ria

l, 2

01

2

Le climat glaciaire

• Reconstructions climatiques disponibles – Données marines: surface,

fond, traceurs, circulation…

– Données continentales: e.g. pollens

– Données glaciologiques pour le Groenland et l’Antarctique

Un climat bien documenté

Ce que nous apprennent les données

Bartlein et al. (2011)

Des synthèses

Expériences numériques

• Simulations de référence :

climat pré-industriel

• Simulations perturbées :

climat du dernier maximum

glaciaire

Modèle numérique du climat

Conditions initiales :

TempératureHumidité (salinité)

Courants

Conditions aux limites :

Ex : rayonnement solaire incident

Gaz à effet de serre

Résultats:

Température, humidité (salinité),

courants au cours du temps + diagnostics

Les ingrédients

Cf. http://pmip3.lsce.ipsl.fr

Température de l’air : PI - DMG

Comparaison aux données

(°C)

LGM / RCP8.5 : quelques similitudes

Glaciaire à présent

Présent à RCP8.5

CNRM-CERFACS IPSL

• Modèles ont tendance à – Surestimer le

refroidissement tropical

– Sous estimer le refroidissement des moyennes latitudes

– Sous estimer le gradient équateur/pôle

Données

modèles

Braconnot et al. 2012

Contraste terre/mer

Ex Tropics

∆T océan

∆T c

ontin

ent

En glaciaire ∆T

con

tinen

t

∆T océan

Comparaison aux projections futures

LGM

2xCO2 4xCO2

Polar amplification

21st siècle

DMG(il y a 21 000 ans)

Pliocène(Il y a 3 million d’années )

Eocène(54 million d’années)

AR5 WG1 Fig5.5

OCEAN CONTINENT

Notion de sensibilitéclimatique et rétroactions

Comment les rétroactions « amplifient »-elles le forçage?

Bilan énergétique

Solaire incidentπR2S0

Infrarouge émis4πR2σΤe

4Solaire réfléchi

απR2S0

Équilibre énergétique: flux infrarouge émis = flux solaire absorbé σTe

4 = ¼ (1-α) S0 Te: Température d'équilibre radiatif On observe par satellite que a = 0, 3 Te = 255K (-18°C)

La température plus élevée, de 15°C en moyenne globale est due à l’effet de serre

Bilan énergétique : perturbations

• La température globale a un sens / bilan énergétique. Elle est utilisée comme un « estimateur » des perturbations climatiques

• Comprendre les variations de température globale demande d’étudier – Les variations de l’irradiance solaire (S0)

• Paramètres orbitaux, activité solaire

– Les variation de l’albédo (réflectivité) planétaire (α) : • Couleur de la surface (type de surface, végétation, nuages , composition atmosphère (aérosols)

…

– Les variation de l’effet de serre (ε): • Gaz à effet de serre (dont vapeur d’eau), nuages,

εσTe4 = ¼ (1-α) S0

Te et Ts sont liées par l’équilibre radiatif/convectif

La sensibilité et rétroactions climatiques • Sensibilité clilmatique à l’équilibre (ECS)

– Changement de température pour un doublement de CO2

• Sensibilité climatique transitoire (TCS) : – Changement de température au doublement de

CO2 (simulations 1% CO2/an)

• Rétroactions climatiques :– � � �λ��

– ∑+=x

xp λλλ

Schéma équivalent

•Rétroactions :

albédo

neige αT

•Rétroactions :

albédo

neige αT neige αT

Boucle de rétroaction

Vapeur d’eau

T εVapeur d’eau

Vapeur d’eau

T εVapeur d’eau T εVapeur d’eau

(α)

A l’équilibre 2xCO2 � ∆T ~ +1.2°CAvec rétroaction vapeur eau : ∆T ~ 2.4°C

Forçages et rétroactions

Dernier maximum glaciaire et futur

Forçages LGM : estimation

IPCC WG1 Chapter 6, 2007

Calottes et niveau marin : forçage lié à l’albédo de surface

Les différents termes contribuant au forçage SW et LW

Incertitudes liées aux reconstruction des calottes

dtas PMIP3/PMIP2

Calottes : PMIP2 : ICE5G (Pelletier 2005)PMIP3 : moyenne ensemble de 3 reconstructions

Forçage en moyenne plus fort avec la calotte PMIP3 / PMIP2Simulations PMIP3 un peu plus froides

Ordres de grandeurs

Ordre de grandeur glaciaire / Pre-industriel

Les rétroactions

AR5 WG1 Fig5.5

LGM/futur?

AR5 WG1 Fig5.5

Paleo ne donne pas une estimation directe de la sensibilité climatique (CO2)

Mais il est possible d’évaluer les rétroactions et plus généralement les résultats des modèles

Circulation et précipitationstropicales

Glaciaires / futur

Lien circulation : Walker et Hadley

LGM : 21 ka BP

Différence au préindustriel: moyenne d’ensemble de 6 modèles

2xCO2

Di Nezio et al. 2011

Circulation océan Pacifique

Humidité et précipitation : tropiques

• La vapeur d’eau suit Clausius-Clapeyron • Les précipitations ont un taux plus faible (lien avec le bilan

énergétique)• Taux très proches entre DMG et CO2

Di Nezio et al. 2011

DMG

Futur

FuturDMG

Hydrology et mousson

Holocène moyen, il y a 6000 ans

Il y a 6000 ans …

Période du « Sahara vert »lPluies annuelles 6000 ans BP – Actuel

Points = reconstruction à partir de données de lac, pollen et macro restes

Carte = moyenne d’ensemble de 17 modèles

Milankovitvh Medal EGU 2009

Milutin Milankovitch1924

41 000 ans

100 000 ans

41 000 ans

19 000 et 23 000 ans

Astronomie and paleoclimats

Configuration orbitale et changement de saisonnalité

Location of the Vernal equinox

Succès et difficultés des simulations

IPCC AR5 chapter 9

Le verdicte des données 60º to 180º E

v

Indice d’humidité Température du mois le plus chaud

20º W to 40º EPrécipitation annuelles

Assèchement continental trop fort � questions / réchauffement et assèchement futur (uncertitude humidité des sols)

Sous estimation des précipitation en Afrique de l’Ouest : Sous estimation gradients N/S pour l’actuel �localisation ITCZ trop sud ; rétroactions climatiques sous estimées

Harrison et al. in press

Afrique : classification des précipitations

Mais des mécanismes robustesPrecipitation = f(ω500)

Regime distribution Efficacité des précipitations

• 6k : changements dominés par changement de régimes� rôle advection de grand échelle

• Poids des biais de la simulation de controle(précipitation dans les régimes) Zheng and Braconnot, 2013

Forçages et rétroactions (ex Juillet

∆(Swnet) = forçage + rétroaction = (1 – α0) ∆SWi –∆α SWi6

Au sommet de l’atmosphère

IPSL_CM1

HadCM2

Rétroaction de la végétation

Holocène moyen, il y a 6000 ans

Utiliser les nouvelles possibilités

Modélisation interactive du cycle du carbone

Modélisation interactive du couvert végétal

Modélisation interactive de la biogéochimie marine

From Kageyama et al. , clim dyn, 2012b

La rétroaction de la végétation

Fraction de grille couverte pare la forêt ou les herbes : MH-PI, (modèle) IPSL_CM5

Impact sur l’albédo de surface et le recyclage de l’eau par les plantes

Changement de végétation simulé à -6000 ans

Kageyama et al. 2013

Amplitude de la perturbation radiative

• Le changement de végétation au Sahel il y a 6000 ans amplifie la réponse de la mousson

• Réponse << nuages ou effet de serre lié à la vapeur d’eau (~20 W/m2)

• Sous-estimé?

Tendances sur l’Holocène

Vers les longues simulations transitoires avec les modèles utilisés

pour les projections climatiques

Hydrology : evolution en Afrique/Arabie

Lézine et al. 2011; Lezine and Bassinot. 2014

• Maximum de - 1000 à –7000 ans

• Retard par rapport à l’insolation au début de l’Holocène

• Retrait plus rapide des lacs• Différences temporelles

entre l’Afrique et l’Arabieperiod.

Rôle de la précession: changements plus importants entre 6ka and 4 ka qu’entre 9.5k et 6k

Flux eau et calotte : déplacement vers le S de la ZCIT et assèchement au Sahel

51

Position de la ZCIT en Afrique de l’Ouest

Braconnot et al. 2007b

Lézine et al. 2011; Braconnot et al. 2008 ; Marzin and Braconnot, 2009, Marzin et al. 2013,

Une suite de simulations : modèle IPSL

Pour finir

– Les climats passés offrent de nombreux cas d’étude

– La comparaison de différentes périodes climatiques et la comparaison aux données permet de donner des estimations de la sensibilité climatiques (LGM, MH, Eemien, Pliocène)

– Besoin d’affiner la représentation du cycle du carbone et de la végétation (rétroactions)

– Incertitudes / résultats robustes et compréhension des mécanisme

– Étude de la variabilité interannuelle à multi décennale est possible (enregistrements à haute résolution)

– Simulations transitoires vont se généraliser : approche dynamique du climat