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Nuages, pluie, orage et changement climatique

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Nuages, pluie, orage et changement climatique

Si en 2013, le changement global planétaire ne fait plus aucun doute, les interrogations sur l’évolution future des précipitations continentales dans certaines régions restent encore en suspens. Il s'agit donc d'évaluer et d'améliorer le réalisme des modèles de climat utilisés pour ces projections, notamment concernant leur représentation des nuages et des orages. Les chercheurs du laboratoire de météorologie dynamique (LMD, CNRS/ENS/UPMC/École polytechnique), où Camille Risi est chargée de recherche CNRS, contribuent à ce travail.

 

Quelles sont les incertitudes associées aux projections climatiques ?

Camille Risi. Les projections climatiques sont réalisées par un ensemble de modèles de climat. Si certains aspects du changement climatique à venir sont simulés par tous les modèles (ex : réchauffement global, réchauffement amplifié dans les régions polaires, fonte de la banquise...) et sont donc robustes, d'autres aspects sont simulés de manière différente selon les modèles et sont donc plus incertains : c'est le cas des changements de précipitation dans certaines régions continentales tropicales, ou des changements de couverture nuageuse.

 

D. R.

 

Pourquoi la pluie et les nuages sont-ils si difficiles à simuler ?

C. R. Dans les tropiques, la majeure partie des précipitations est associée à des processus de convection atmosphérique, ensemble de mouvements atmosphériques redistribuant verticalement l’énergie accumulée au niveau de la surface terrestre par chauffage solaire. Elle se manifeste sous la forme d’orages, de tempêtes tropicales ou de cyclones, encore appelés systèmes convectifs.

 

De tels systèmes impliquent de nombreux processus d’échelle fine, difficiles à représenter explicitement dans un modèle de climat. Par exemple, la ré-évaporation d’une partie des gouttes de pluie lors de leur chute refroidit l’air environnant. Cet air froid descend, entraînant des courants descendants qui, en s’étalant en surface, peuvent constituer des fronts de rafale.

 

D. R.

 

En soulevant l’air à l’avant des orages, ces fronts de rafale peuvent en favoriser la propagation. Ces courants descendants ont une échelle de quelques centaines de mètres à quelques kilomètres, tandis que les mailles atmosphériques des modèles de climat mesurent quelques centaines de kilomètres. Ces modèles ne peuvent pas représenter toutes les composantes des systèmes convectifs de façon explicite mais statistique. Comme chaque modèle représente à sa manière les processus convectifs, cela contribue à leur désaccord sur les projections de précipitations.

 

Comment évalue-t-on la crédibilité des projections climatiques ?

C. R. Les modèles de climat utilisés pour les projections climatiques montrent des désaccords concernant les changements futurs de température et de précipitation. Dans ce cas, lequel peut-on croire ? Les scientifiques mettent en Âœuvre plusieurs types de méthodes pour vérifier que le climat moyen (température, précipitation) simulé est réaliste. C’est une condition nécessaire, mais pas suffisante. Par exemple, les meilleurs modèles pour simuler le climat moyen ne sont pas toujours en meilleur accord entre eux qu’avec les autres modèles, en ce qui concerne les projections. Ils tentent d'évaluer non seulement le climat simulé mais aussi les processus physiques en jeu, en particulier les processus convectifs et nuageux. Dans ce but, de nombreuses campagnes de terrain sont organisées pour mesurer un maximum de variables à des échelles de quelques heures à quelques jours sur lesquelles les processus convectifs et nuageux se déroulent. Enfin, ils testent la capacité des modèles à simuler les changements climatiques passés.

 

La composition isotopique de l’eau vous sert-elle à analyser les archives paléo-climatiques et à reconstituer des précipitations passées ?

C. R. Le signal isotopique enregistré dans les glaces polaires est utilisé depuis longtemps comme « paléothermomètre » pour la reconstitution des variations de températures polaires passées. Dans les tropiques, la composition isotopique de la précipitation enregistrée dans les glaciers tropicaux (Andes, Tibet), dans les grottes ou dans des sédiments est de plus en plus utilisée comme indicateur des changements de précipitations passées. L'interprétation en terme climatique de ces enregistrements reste toutefois un sujet de recherche, sur lequel je travaille entre autres.

 

En quoi consiste votre travail ?

C. R. Mon travail vise à évaluer le réalisme des modèles de climat utilisés pour les projections climatiques. Pour cela, j'utilise des mesures de composition isotopiques de l’eau pour décrypter les processus atmosphériques (convectifs et nuageux), en particulier dans les tropiques ; étudier le cycle continental de l’eau (par exemple, la proportion de pluie qui part dans les rivières ou qui est recyclée par évaporation) ; analyser les archives paléo-climatiques pour reconstituer les variations passées du climat et tester la capacité des modèles à simuler de telles variations.

Pour en savoir plus :

Laboratoire de météorologie dynamique (LMD)Nouvelle fenêtre

 

Les isotopes de l’eau (H218O, HDO)

On appelle isotopes deux atomes qui ont le même numéro atomique (même nombre de protons) mais des nombres de masse différents (nombre de neutrons différents). Ainsi, l’hydrogène possède plusieurs isotopes stables et il en est de même pour l’oxygène. Les eaux naturelles sont constituées majoritairement (99,7%) d’H216O, mais aussi de molécules contenant d’autres isotopes, principalement d’H218O et d’HDO.

 

Un fractionnement est une redistribution des isotopes lourds et légers lors de réactions physiques ou chimiques. Du fait de différences de masse et de symétrie entre les molécules d’eau contenant différents isotopes, un fractionnement a lieu au cours des changements de phase vapeur-liquide et vapeur-solide. De nombreuses étapes du cycle de l’eau, donnent lieu à un fractionnement : par exemple, l’évaporation de l’eau depuis la surface, la condensation en liquide ou glace dans les nuages, la ré-évaporation de la pluie lors de sa chute.

 

Ainsi la composition isotopique (contenu en Oxygène 18 et Deutérium) dans les précipitations, dans les glaces ou dans la vapeur d’eau est une source précieuse d’information concernant les processus subis par l’eau d’une parcelle depuis son lieu d’évaporation jusqu’à sa précipitation, ainsi que les conditions climatiques dans lesquels ces processus se sont déroulés.

 

Les modèles de climat

Un modèle de climat est ensemble de programmes informatiques représentant la plupart des processus atmosphériques, océaniques et continentaux. Il en existe dans le monde une trentaine dont deux français (Dufresne et al., 2006). Ces modèles sont utilisés pour réaliser les projections climatiques examinées, entre autres, par le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC). Ils prédisent tous un réchauffement d’ici 2100, entre 2 °C et 6 °C. Cette marge d’incertitude est liée aux différents scénarios d’émissions de CO2, mais aussi à la façon dont chaque modèle répond à un scénario d’émissions donné. Cela est dû au fait que chaque modèle représente de manière différente la multitude de processus physiques impliqués dans le changement climatique, notamment les processus nuageux (Bony et Dufresne, 2007). Au LMD, nous développons la composante atmosphérique, appelée LMDZ (http://lmdz.lmd.jussieu.fr/Nouvelle fenêtre), du modèle de climat de l'IPSL (voir le centre de modélisation du climatNouvelle fenêtre).

 

D. R.

 

Logiciel pédagogique de simulation du climatNouvelle fenêtre

 

En vidéo, les petites manips du LMDNouvelle fenêtre, quelques expériences simples à reproduire sur la physique du climat :

Faire un nuage dans une bouteilleNouvelle fenêtre

 

Prix thèse Fondation EADS 2010Nouvelle fenêtre

 

Quelques liens vidéos :



25/04/13