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Le rôle de l’océan dans la machine climatique

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Le rôle de l’océan dans la machine climatique

Variabilité, prévisibilité et modélisation du climat

 

Les tendances climatiques globales observées à la fin du XXe siècle, ou projetées pour le XXIe siècle, masquent des spécificités spatio-temporelles complexes. La modélisation climatique de l’océan et de l’atmosphère aide à mieux comprendre les mécanismes sous-jacents et à affiner les projections climatiques. Éric Guilyardi, directeur de recherche CNRS au laboratoire d'Océanographie et du Climat : Expérimentations et Approches Numériques (LOCEAN, UPMC/CNRS/IRD/MNHN), revient sur les modèles proposés par la communauté scientifique et sur leur nécessaire évaluation.

 

Éric Guilyardi a contribué, en tant qu’auteur principal (« Lead Author »), au chapitre « Évaluation des modèles climatiques » du cinquième rapport d'évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC).

 

Masses d'eau et circulation de l'océan et échelles de temps

L'océan couvre 70% de la surface de la planète et représente 97% des réserves en eau. Il se divise en trois grands domaines : l'océan de surface, réceptacle des échanges avec l'atmosphère, la thermocline, zone intermédiaire de diminution rapide de la température, et l'océan profond, dont la température ne dépasse pas quelques degrés Celsius. À chaque domaine correspond une échelle de temps : la semaine pour l'océan de surface brassé par le vent, quelques dizaines d'années pour la thermocline, des cycles millénaires pour l'océan profond alimenté par la plongée des eaux polaires.

 

Construire et développer des modèles de climat

Les modèles mathématiques de l’océan et de l’atmosphère s’appuient sur les équations de base de la mécanique des fluides, de la physique et de la chimie et sur leur représentation « numérique » (discrétisation) sur un ordinateur. Dans les modèles de circulation générale, le globe est découpé en petites boîtes ou mailles d’environ 100 kilomètres de côté dans lesquelles on simule des propriétés physiques comme la température, la salinité, la vapeur d’eau, la teneur en CO2.

 

Les paramétrisations des modèles de climat s’élaborent à partir de l’analyse précise de campagnes de mesures. Le défi est de représenter les processus « sous-maille », c’est-à-dire de plus petite échelle (par exemple la turbulence, ou les nuages). Or, si la diminution de la taille des mailles permet d’affiner la simulation par une représentation de plus fine échelle, elle multiplie de façon exponentielle le coût de calcul et la puissance nécessaire des outils informatiques (supercalculateurs).

 

Fiabilité et test des modèles de climat

La fiabilité des modèles se mesure à leur capacité à reproduire les grandes lignes du climat fournies par les observations (bilan d’énergie global, circulations atmosphérique et océanique, extension de la glace de mer). Un modèle est d’autant plus fidèle qu’il peut d’une part représenter le détail des processus physiques (nuages, turbulences et tourbillons dans l’océan, dynamique de la végétation) et d’autre part  les grands équilibres énergétiques par des simulations « idéalisées » (planète sans continents, sans nuages…). L’amélioration qualitative et quantitative des observations spatiales contribue par exemple à améliorer les processus nuageux dans les modèles.

 

Le monde des futurs possibles explorés par  les modèles de climat

Les différences entre les projections climatiques sont liées au scénario d’émission de gaz à effet de serre, à la nature chaotique du système climatique et aux erreurs dans les modèles. Les limites liées à la difficile représentation des nuages sont aujourd’hui considérées comme dominantes et motivent de nombreuses études et campagnes d’observations. Les rétroactions liées au cycle du carbone (atmosphère, océan, végétation) et son interaction avec la chimie atmosphérique et les aérosols sont aussi une limite des modèles.

 

Le cas « El Niño »

Le phénomène El Niño/Oscillation Australe, identifié depuis les années 1920, est le principal mode de variabilité interannuel à l'échelle de la planète. Issu du système couplé océan-atmosphère dans le Pacifique tropical, il a des conséquences météorologiques et sociétales (incendies, inondations, sécheresses...) sur toute la planète. Les modèles de circulation générale couplés océan-atmosphère sont utilisés à la fois pour analyser les mécanismes physiques et pour prévoir son évolution à différentes échelles de temps. La capacité de ces modèles à reproduire correctement El Niño s'est nettement améliorée depuis quelques années.

 

Pour anticiper d’éventuelles modifications d’El Niño dans le futur, il est nécessaire de développer une palette d’approches associant observations et modèles pour comprendre l’influence des processus atmosphériques, océaniques et couplés sur sa structure, son amplitude, la fréquence de ses occurrences… et détecter toute évolution.

 

Pour en savoir plus :

Laboratoire d'Océanographie et du Climat : Expérimentations et Approches Numériques (LOCEAN, UPMC/CNRS/IRD/MNHN)Nouvelle fenêtre



16/09/13