CHANGEMENT CLIMATIQUE : DEPUIS LE POINT DE VUE D'UN PHYSICIEN DU CLIMAT. Partie 3 : les axes de recherche (+ un retour sur la variabilité)

note rédigée par Frédéric Hourdin

De nombreuses études tentent aujourd'hui de trouver d'autres explications au réchauffement observé ces dernières années que celle de l'augmentation des gaz à effet de serre.
Ces études mettent en avant des corrélations (une variable variant en phase avec une autre) avec d'autres variables (activité solaire, magnétisme ...). La variabilité du système est telle qu'il est toujours possible de trouver des corrélations avec la plupart des phénomènes oscillants existants. Ce qui est important c'est donc de conforter ces corrélations par des mécanismes crédibles.

De ce point de vue, la seule explication disponible aujourd'hui pour le changement climatique observé est bien l'augmentation des gaz à effet de serre dans l'atmosphère, prédite, comprise et expliquée avant d'être confirmée par l'observation.

AXES DE RECHERCHES EN PHYSIQUE DU CLIMAT

Pour donner une idée plus précise du questionnement qui est le notre, voici quelques-uns des principaux enjeux de la recherche en physique du climat aujourd'hui :

- 1. Evaluer l'importance voire le signe de certaines rétroactions (facteur d'amplification ou de modération du réchauffement) comme celle des nuages qui explique pour l'essentiel la dispersion des réponses des modèles actuels quant à l'amplitude du réchauffement à terme (quand l'amplitude sera telle que la variabilité interne du climat sera négligeable devant l'augmentation moyenne). Jusque là, aucune des rétroactions envisagées, même par les plus sceptiques, ne semble en mesure de contrer le forçage premier par les gaz à effet de serre.

- 2. Essayer de dire, à partir des observations des dernières décennies, quels modèles physiques semblent le mieux prédire l'amplitude et le signe de ces rétroactions. Ce travail est particulièrement difficile du fait de la variabilité interne, observée et simulée, du climat.

- 3. Augmenter toujours le réalisme des modèles, notamment dans leur capacité à prédire de plus en plus finement tous les modes de variabilité, en espérant ainsi s'approcher d'un modèle le plus "physiquement réaliste" dans lequel on puisse avoir "un maximum" de confiance.

- 4. Essayer de bien comprendre les mécanismes de la variabilité aux échelles décennales, pour arriver à mieux séparer la composante liée à la variabilité naturelle et aux activités humaines dans les évolutions du climat observées au cours des dernières décennies, afin, entre autres, de mieux évaluer ces deux aspects dans les simulations du climat.

VARIABILITE ET CHANGEMENT CLIMATIQUE : L'ANALOGIE DU TOBOGGAN

Une petite analogie pour essayer d'expliquer la différence entre variabilité et changement climatique, et pourquoi la difficulté à prédire l'un ne préjuge pas forcément de la capacité à anticiper l'autre.

Prenons un toboggan (par exemple un toboggan aquatique avec des virages). Si on lâche d'en haut des billes un peu au hasard, elles vont suivre des trajectoires différentes les unes des autres, de façon aléatoire (on ne pourra les prédire exactement que si on connaît exactement - avec une précision infinie - la position et la vitesse initiale des billes).
C'est l'analogue de la variabilité naturelle.
Les simulations des modèles de climat peuvent être vues comme autant de trajectoires de billes. L'une sera à droite à un moment, l'autre à gauche.
Mais toutes suivront le toboggan à cause de contraintes physiques bien connues : la gravité entraîne les corps vers le bas ; les bords du toboggan sont suffisamment élevés pour que la bille reste dans le toboggan pour des vitesses de départ raisonnables.
En revanche, si on change un peu la forme du toboggan, la trajectoire moyenne de toutes les billes (= la forme du toboggan) va changer.
C'est le climat.
On voit qu'on peut très bien prédire le changement de la forme de la trajectoire moyenne (l'analogue du climat) sans être capable de prédire les fluctuations (la variabilité interne).

Il s'agit évidemment d'une simplification extrême.

Mais en effet les mécanismes d'équilibre globaux du climat (énergie reçue du soleil, piégeage sous forme de rayonnement infrarouge, rétroactions glace ou vapeur d'eau) ne sont pas exactement les mêmes que les mécanismes mis en jeu par exemple dans la variabilité aux échelles de temps courtes (perturbations, dynamique des fronts, ...).

CHANGEMENT CLIMATIQUE : DEPUIS LE POINT DE VUE D'UN PHYSICIEN DU CLIMAT. Partie 2 : les éléments de confiance

Note rédigée par Frédéric Hourdin

Un élément essentiel de la "confiance" qu'a aujourd'hui une grande majorité de la communauté des physiciens du climat sur la réalité du changement climatique en cours (on entend par changement climatique le fait que le climat change d'état moyen sous l'effet d'une perturbation et pas le fait qu'il fluctue autour d'une moyenne comme pour la variabilité propre) provient des modèles numériques du climat développés depuis quelques décennies.

Une activité importante dans la communauté consiste donc à construire des modèles numériques (disons des simulateurs du climat mis en oeuvre sur des ordinateurs) aussi réalistes que possible, et surtout basés autant que faire se peut sur des bases physiques solides. Ces modèles permettent de simuler le climat global à toutes les échelles de temps (on fait évoluer de demi-heure en demi-heure par exemple le vent, la température, l'humidité, les nuages calculés en un grand nombre de points - millions - répartis uniformément dans l'atmosphère).
Ces modèles sont encore très imparfaits et grossiers par beaucoup d'aspects, mais leur amélioration et leur évaluation mobilisent un effort international colossal (qui implique entre autres d'importants programmes d'observations depuis le sol, les avions ou l'espace).

Si on utilise ces modèles avec une composition constante des gaz à effet de serre, on obtient une variabilité qui, par beaucoup d'aspects (représentation par exemple des phénomènes el-nino) ressemble à la variabilité observée du climat. Les modèles prédisent des années plus ou moins chaudes globalement, des années chaudes avec des "étés pourris" en France, ou au contraire des canicules.

La figure présentée ici montre les températures d'été en France de 1860 à 2100. Les étoiles sont les valeurs mesurées, alors que les courbes rouge et verte sont des simulations réalisées par les modèles de climat de Météo-France et de l'IPSL. Bien sûr les années futures ne sont représentées que par les simulations des modèles. Deux diagrammes successifs sont présentés : en haut, ce qui est prévu si on continue à brûler sans restriction les combustibles fossiles de notre planète. En bas ce qui est prévu si on parvient à restreindre  de façon importante les émissions de gaz à effet de serre (la différence de réchauffement moyen est importante, ce qui montre l'utilité de restreindre les consommations de combustibles fossiles au niveau global).

Tant qu'on ne change pas la composition de l'atmosphère (avant 1950), la température moyenne (d'équilibre) reste la même si on la regarde à l'échelle de plusieurs décennies. Mais quand, dans ces mêmes modèles, on augmente la concentration des gaz à effet de serre de la même façon qu'elle a augmenté au cours de l'ère industrielle, on voit apparaître une tendance au réchauffement global qui sort de la variabilité naturelle du climat simulée à partir de la fin du 20ème siècle. Mais, du fait de la variabilité interne de l'atmosphère (et des simulations numériques en question), il se peut qu'un modèle prédise une brusque augmentation des températures moyennes dans la décennie 1990-2000 (parce que la variabilité propre de ce modèle particulier était dans une phase plutôt chaude et est venue s'ajouter à la tendance due à l'augmentation des gaz à effet de serre) et une relative stagnation dans la décennie 2000-2010 (du fait d'une phase négative de la variabilité interne) alors qu'un autre modèle prédira une augmentation modérée en 1990-2000 et plus forte en 2000-2010. Loin de méconnaître ces réalités et ces difficultés, elles sont au coeur même de l'activité sur le sujet, de même que l'étude des nombreuses rétroactions possibles - dont on ne peut pas être sûr de ne pas en avoir oublié certaines - .

La deuxième figure représente, elle, le résultat des simulations réalisées dans le cadre du GIECC pour la température moyenne globale. La courbe noire représente les observations (c'est la même dans les deux diagrammes). Dans le diagramme du haut, on a représenté (en rouge) les simulations réalisées par les modèles compte tenu de l'augmentation de la concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Dans le diagramme du bas, au contraire, la courbe bleue représente des simulations où on a maintenu constante la concentration de ces mêmes gaz. Il est clair que les simulations avec augmentation des gaz à effet de serre sont en bien meilleur accord avec les observations, ce qui donne confiance dans leurs prévisions pour les décennies à venir.

Pour la communauté scientifique concernée par ces questions, les observations du réchauffement global, particulièrement visible ces dix dernières années, sont donc venues non comme "la question d'origine" mais comme une confirmation observationnelle, a posteriori, d'un questionnement théorique sur la température d'équilibre de la terre (qui remonte au début du sciècle) et de simulations numériques effectuées avec des modèles physiques - aussi imparfaits soient-ils - depuis une vingtaine d'années et qui montraient que les gaz à effet de serre devaient  réchauffer le climat avec une amplitude qui commencerait à sortir de la variabilité interne du climat simulé ou observé vers la fin du XXe sciècle. On avait l'explication avant l'observation. A titre personnel, c'est un élément essentiel de ma "confiance" dans la réalité du changement climatique en cours.

CHANGEMENT CLIMATIQUE : DEPUIS LE POINT DE VUE D'UN PHYSICIEN DU CLIMAT. Partie 1 : comment se pose la question ?

Note rédigée par Frédéric Hourdin. Elle sera suivie de deux autres parties : 2 - Les éléments de confiance 3 - les axes de recherche

Avec la montée en puissance du questionnement sur le changement climatique dans la société, nous sommes de plus en plus sollicités, en tant qu'"experts" de la question, pour donner notre avis, que ce soit à l'occasion d'une course en taxi ou d'une soirée entre amis. La question qui revient le plus souvent, et qui est centrale dans beaucoup d'interventions sur ce blog, peut se résumer à :"Les variations que nous observons sont-elles naturelles ou la conséquence des activités humaines ?"

RETOURNER LA QUESTION

Ce n'est peut-être pas le cas de tous les scientifiques, mais personnellement, je n'arrive pas à entamer une discussion sur le sujet sans commencer par retourner la question ; ou sans expliquer de quel point de vue particulier je la regarde.

La question s'est posée en effet dans un sens tout à fait différent dans notre communauté (physiciens du climat), et il me semble important de clarifier ce point  pour essayer de discuter de façon fine et espérer que "la société" s'approprie cette question difficile.

Voilà comment se pose ou s'est posée la question du changement climatique dans notre communauté :

On part d'abord de choses bien connues :

On sait par exemple que ce qui détermine principalement la température moyenne à la surface d'une planète du système solaire, c'est d'un côté le chauffage solaire (qui dépend de la distance au soleil et du pouvoir de réflexion du rayonnement par la surface ou l'atmosphère) et de l'autre la capacité de l'atmosphère à piéger plus on moins le rayonnement thermique infra-rouge réémis par la surface.
On sait aussi que la modification de la composition de l'atmosphère (dont on sait de façon certaine qu'elle a lieu et qu'elle est pour l'essentiel due à la consommation d'énergies fossiles, pétrole et charbon) change sa capacité à piéger (sous forme de rayonnement thermique infra-rouge) l'énergie reçue du soleil et donc, potentiellement la température d'équilibre du système (comme une casserole sur la quelle on pose un couvercle).

Ce qui est compliqué (et qui fait qu'un scientifique ne pourra pas vous dire aujourd'hui qu'il est sûr à 100% sur ces questions) :
- le climat est régi par de nombreuses rétroactions qui peuvent renforcer ou au contraire compenser l'effet de couvercle de l'augmentation des gaz à effet de serre.
- le climat est le siège d'une variabilité interne très forte à toutes les échelles de temps.
- les lois qui régissent la physique du climat, traduites au travers d'équations mathématiques, sont trop compliquées pour qu'on puisse les résoudre "à la main" de façon exacte, ni même en fait les formuler complètement.

Les scientifiques que nous sommes n'ont évidemment pas attendu que les "sceptiques" du changement climatique se réveillent pour non seulement prendre en compte ces difficultés, mais bien plus en faire un élément essentiel de leur activité de recherche. Nous expliquerons dans la note suivante quels sont les éléments de confiance dans la réalité du changement climatique les plus probants à nos yeux.

Les variations du climat d’une année sur l’autre

Note rédigée par Michel Desbois et Jean-Yves Grandpeix

On a déjà évoqué dans certains commentaires de ce blog la possibilité pour les modèles de climat de prévoir les changements climatiques des prochaines décennies, mais l’impossibilité de prévoir l’évolution du climat d’une année sur l’autre.  Le but de ce texte est de lever cette contradiction apparente et d'illustrer quelques éléments donnant une certaine crédibilité aux modèles climatiques pour deviner notre futur.

L'imprévisibilité est un problème général des processus météorologiques et climatiques, lesquels font preuve d'un variabilité naturelle (ou variabilité "interne", c'est-à-dire indépendante de variations imposées de l'extérieur) importante à laquelle s'ajoutent des événements imprévisibles du type éruptions volcaniques. La variabilité naturelle est importante à l'échelle de la journée (c'est ce qui rend les prévisions météorologiques difficiles), du mois, de la saison et de l'année. On connaît aussi les phénomènes El-Nino qui se produisent environ tous les 4 ou 5 ans. Toutes ces variabilités naturelles d'échelles variées rendent extrêmement difficiles, voire empêchent carrément, les prévisions saisonnières ou interannuelles. Pour prendre une exemple plus précis, on ne sait pas prévoir un événement El-Niño un an à l'avance. Si on arrive à le prévoir 6 mois à l'avance, c'est que l'on a installé des systèmes d'observation qui permettent de détecter ses prémisses sous-marines 6 mois avant ses manifestations atmosphériques.

Mais la liste ne s'arrête pas là. On connaît maintenant des oscillations à l'échelle de 10 ans (en particulier sur l'Atlantique nord). Des débats ont lieu sur l'importance des variabilités à l'échelle de plusieurs décennies ou à l'échelle du siècle.

Face à toutes ces variabilités naturelles, comment peut-on prétendre prévoir l'évolution du climat dans les décennies à venir ?  C'est que nous pensons que le changement climatique lié à l'augmentation des gaz  à effet de serre va supplanter largement toutes les variabilités internes. Il continuera certes à y avoir des années La-Niña (froides), des décennies plus froides que la tendance moyenne ; mais, si l'on en croit les modèles climatiques, la tendance va être résolument à la hausse des températures.

En résumé, il faut bien distinguer ce qui est variabilité interne et variation imposée de l'extérieur. Du fait de sa variabilité interne le système climatique présente des oscillations. L'augmentation de la concentration des gaz à effet de serre due aux activités humaines impose aux climats une évolution forte. Les oscillations dues à la variabilité interne vont apparaître comme des pertubations au réchauffement climatique moyen.

Pour illustrer la variabilité naturelle, on montre une nouvelle fois ici les séries de températures globales produites par les trois principaux centres d’analyse des données de température : la météo américaine (NOAA), l’institut GISS de la NASA et le centre britannique de recherche sur le climat CRU, associé à la météo Britannique :

Les trois courbes, malgré une présentation légèrement différente, montrent les mêmes tendances et des variations interannuelles du même ordre. Les plus fortes variations d’une année sur l’autre correspondent à des phénomènes identifiés : par exemple record de température de 1998 lié à un événement El-Niño réchauffant les eaux du Pacifique Tropical, ou refroidissement de 1963 lié à l’éruption du volcan Agung à Bali. On a récemment identifié le refroidissement brusque apparaissant en 1945 comme un artefact essentiellement dû au changement de système de mesure de la plupart des bateaux à la fin de la guerre (voir à ce sujet les commentaires du blog « real climate »). Les courbes seront prochainement corrigées de cet effet, ce qui réduira le saut de 1945, mais ne changera pas  le reste des graphiques.

Mais il y a également des périodes où la température moyenne globale évolue peu : c’est le cas pour les 6 dernières années (2001-2007). Les variations restent au maximum de l’ordre de 0,1°C, ce qui est aussi l’ordre de grandeur de l’erreur de mesure estimée par la NOAA et la NASA.

Les modèles de prévision du climat sont-ils capables de reproduire ce type de variations interannuelles ? On peut regarder pour cela différentes séries de températures globales simulées dans le cadre des études du GIECC pour la période 1950-2020

On constate, pour chacune des courbes individuelles, une variabilité interannuelle significative, du même ordre de grandeur que celle notée dans les observations. Elle est due aux processus physiques simulées par les modèles, semblables aux variations météorologiques réelles. Mais ce que les modèles ne savent pas faire, c’est prédire quelles seront précisémment les années les plus froides et les plus chaudes. C’est bien sûr le cas pour l’influence d’événements imprévisibles comme des éruptions volcaniques, mais aussi pour des phénomènes d’interaction océan-atmosphère comme El-Niño, qui existent dans les modèles, mais ne sont pas reproduits avec leur date d’occurrence précise (la prévision des el-niño est toujours peu précise actuellement).

L’existence de cette variabilité interannuelle explique encore une fois la nécessité de considérer des périodes longues (plusieurs décennies) pour déterminer des tendances d’augmentation de température. Il n’est pas utile de disserter sur les tendances observées dans les 5 ou 10 dernières années par exemple : la variabilité masque largement les tendances, dans les données comme dans les modèles.