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Prévoir le climat de l'Antarctique en utilisant des modèles climatiques

Prévoir le climat de l'Antarctique en utilisant des modèles climatiques

Résumé d'informations

Version: 1

Publié: 16/05/2016 GMT

Contenu validé: 16/05/2016 GMT

Auteurs

Thomas J. Bracegirdle (1)*, Nicholas E. Barrand (2), Kazuya Kusahara (3), Ilana Wainer (4)

(1) British Antarctic Survey, Cambridge, UK.
(2) School of Geography, Earth and Environmental Sciences, University of Birmingham, UK.
(3) Antarctic Climate and Ecosystems Cooperative Research Centre, University of Tasmania, Hobart Tasmania, Australia.
(4) Instituto Oceanografico, Universidade de Sao Paulo, Praça do Oceanografico 191, 05508120 SP-SP Brazil
* tjbra@bas.ac.uk

Examiné par des pairs tick


Résumé

Les modèles climatiques sont les principaux outils permettant de faire des estimations quantitatives des changements possibles du climat Antarctique au cours du 21ème siècle. Il existe un accord général sur certains aspects des prévisions fournies par les modèles, mais l'amélioration de notre compréhension est nécessaire dans certaines composants clés du système climatique antarctique, telles que la glace de mer et les processus entre océan et plateformes glaciaires. A court terme (sur des échelles de temps de quelques années), le signal du changement climatique est faible par rapport aux cycles naturels (associé à des phénomènes comme El Niño), et les impacts sur l'atmosphère de l'Antarctique sont difficiles à prévoir. À plus long terme (sur des échelles de temps multi-décennales) la fiabilité des prévisions des modèles climatiques est limitée par l'incertitude sur les évolutions des émissions humaines, le réalisme des modèles climatiques et les rétroactions possibles à partir d’autres éléments du système terrestre (par exemple les calottes glaciaires).


Résumé

Les modèles climatiques et leur utilisation pour la simulation du climat antarctique.

Le climat de l'Antarctique tel que défini ici inclut les conditions de l'atmosphère, de l'océan, de la neige et la glace sur le continent antarctique et de l'océan austral qui l'entoure.  À un endroit donné un  réchauffement climatique sera caractérisé par un changement de fond à long terme (le signal) associé à une variabilité à court terme d'une année à l'autre (le bruit). La pratique habituelle de l'Organisation météorologique mondiale est de définir le climat d'une région sur la base d'une moyenne sur 30 ans de paramètres suivis (comme la température). Sur de plus courtes échelles de temps, il y a de grandes variations associées aux conditions météorologiques journalières  et aux grands cycles pluriannuels tels que El Niño /La Niña. Les changements climatiques doivent donc être considérés dans une perspective multi-décennale, qui est l'approche utilisée ici. Il est toutefois important de noter qu'il existe aussi des composantes de  variabilité naturelle qui agissent sur plusieurs décennies et peuvent dans certains cas affecter l'efficacité même des moyennes sur 30 ans pour suivre le signal de référence du changement climatique [1].

L'utilisation de modèles climatiques pour prédire l'évolution future du climat est l'objectif principal ici. Cependant, il est reconnu que d’autres approches, telles que l'utilisation d'analogies passées [2], peuvent fournir des indications alternatives sur l'avenir du climat de l'Antarctique.  Tous les principaux modèles climatiques, produits par une trentaine de centres de modélisation à travers le monde sur la base de l'état actuel des connaissances, sont fondés sur des lois physiques bien établies de la dynamique des fluides géophysiques, comme les lois de Newton. Cependant, en raison de la  puissance limitée des ordinateurs, les calculs de modélisation se font  encore généralement à grande échelle pour des simulations globales, consistant à représenter habituellement l'atmosphère sous forme d'une série de cubes de 100 km d’arêtes. Cela pose donc un défi majeur pour la modélisation de phénomènes à plus petite échelle (par exemple les nuages) et de caractéristiques physiques réalistes (par exemple un terrain montagneux complexe). 

En supposant que la concentration des gaz à effet de serre va continuer  d’augmenter jusqu'en 2100, il y a une forte probabilité pour qu’un certain nombre de changements prévus se réalisent effectivement. Sous l’hypothèse d’une influence humaine de moyenne intensité (c’est à dire à peu près un doublement  de la concentration du dioxyde de carbone), il existe un large consensus entre les différents modèles climatiques pour affirmer que :

  • Un  réchauffement terrestre de la moyenne annuelle de l'Antarctique se produira (les deux tiers des modèles climatiques indiquent une fourchette comprise entre  1,8 °C et 3,3 °C) [3]. 
  • Le taux moyen annuel d'accumulation de neige à l'échelle de l'Antarctique augmentera (de 8% à 18%) [3].
  • La couverture totale moyenne annuelle de la banquise de l'hémisphère sud diminuera (de 24% à 42%) [3].
  • La production de banquise côtière diminuera, parallèlement à  une augmentation de la fonte des glaces terrestres, ces deux phénomènes combinés causant un affaiblissement de la circulation océanique mondiale, la circulation thermohaline [4].
  • Les masses d'eau de l'océan austral, telle que les Eaux  Antarctiques  Intermédiaires (EAI), se réchaufferont et se rafraîchiront selon que les densités à laquelle ces masses d'eau se forment deviendront significativement plus faibles ([5], [6]). Les EAI sont importantes du point de vue du changement climatique car c'est dans ces masses d'eau que la plus forte concentration de CO2 anthropique se trouve [7].
  • L'augmentation des chutes de neige sera accompagnée d'une augmentation des taux de décharge de glace [par exemple [8], [9]]. Toute contribution négative au niveau de la mer due à l'augmentation des chutes de neige peut donc être contrebalancée par un rythme plus rapide de l'écoulement glaciaire et une augmentation du vélage des glaces continentales dans l'océan.

Les défis pour estimer le climat futur

Pour tenir compte des difficultés inhérentes à la prédiction du comportement humain, l'approche généralement adoptée par la communauté scientifique travaillant sur le climat est de considérer ce qui pourrait se passer selon une gamme de scénarii d’émissions de gaz à effet de serre d'origine anthropique plausibles, sans jugement explicite sur lesquels pourraient être les plus probables [10]. Les estimations du changement climatique sur la base de ces scénarii sont donc appelées «projections» plutôt que prédictions [par exemple voir la figure 1].

Les changements jusqu'au milieu du 21ème siècle ne suivront pas nécessairement la tendance à long terme de réchauffement [11]. Une conséquence importante pour les décideurs est que les régions qui ont subi un réchauffement très rapide au cours des dernières décennies pourraient passer par une période de refroidissement sur des échelles de temps de l’ordre de quelques années, avant qu'un réchauffement de fond ne prenne le relais. Actuellement, un effort important de recherche est orienté vers la prédiction saisonnière et décadaire de manière à combler le fossé de connaissance entre cette échelle de temps courte du changement climatique et les échelles de temps à plus long terme [12].

 

Climate Model Simulations e

Figure 1. Simulations des modèles climatiques du changement de température de l'air en surface (température 2m au-dessus de la surface) à la fin du 21e siècle (2069-2098) suivant des scénarii faible (RCP2.6) moyen (RCP4.5) et haut ( RCP8.5) de facteurs climatiques importants reconnus, tels que l'augmentation des gaz à effet de serre et la restauration de l'ozone stratosphérique[10]. Les changements sont tous relatifs à la période 1970-1999 dans les simulations des modèles climatiques «historiques» avec les niveaux observés des gaz à effet de serre et d'autres facteurs naturels et anthropiques connus. Les informations de 41 modèles climatiques ont été combinés sur la base d'une méthodologie détaillée en [19]. L'ensemble des données du modèle climatique utilisé est le jeu de données du CMIP5 (Phase 5 du « Coupled Model Intercomparison Project »), introduit dans le dernier rapport du GIEC. Les 41 modèles climatiques sont: ACCESS1.0, ACCESS1.3, BCC-CSM1.1, BCC-CSM1.1(m), BNU-ESM, CanESM2, CCSM4, CESM1(BGC), CESM1(CAM5), CESM1(WACCM), CMCC-CESM, CMCC-CM, CMCC-CMS, CNRM-CM5, CSIRO-MK3.6.0, EC-EARTH, FGOALS-g2, FIO-ESM, GFDL-CM3, GFDL-ESM2G, GFDL-ESM2M, GISS-E2-H, GISS-E2-H-CC, GISS-E2-R, GISS-E2-R-CC, HadGEM2-AO, HadGEM2-CC, HadGEM2-ES, INM-CM4, IPSL-CM5A-LR, IPSL-CM5A-MR, IPSL-CM5B-LR, MIROC-ESM, MIROC-ESM-CHEM, MIROC5, MPI-ESM-LR, MPI-ESM-MR, MRI-CGCM3, MRI-ESM1, NorESM-M, NorESM-ME.

Les principaux défis pour représenter le système climatique de l'Antarctique en modèles climatiques

  • L'Océan austral. A l’image des tempêtes cycloniques dans l'atmosphère, de petits cyclones / anticyclones (ou tourbillons) se produisent dans l'océan. Un enjeu majeur pour la modélisation de l'océan réside dans le fait que ces tourbillons sont beaucoup plus petits en taille que leurs homologues atmosphériques et que des petits cubes sont donc nécessaires pour les représenter correctement d’un point de vue mathématique [13]. À l'heure actuelle il n'y a pas, en général, assez de puissance de calcul disponible pour le faire de façon réaliste et les effets de ces cyclones océaniques sont évalués de manière approximative.
  • La représentation de l'atmosphère et de la glace sur un terrain complexe. La Péninsule Antarctique est une région d'une importance particulière en raison de la sensibilité de la glace terrestre à la fonte en surface [14] et des incidences que cela a sur le niveau de la mer à l’échelle globale et sur les écosystèmes régionaux. Cependant, la complexité des terrains de haute montagne ne peut être prise en compte précisément dans la plupart des modèles climatiques. Pour résoudre ce problème des modélisations supplémentaires sont menées qui mettent l'accent sur un calcul renforcé pour des sites spécifiques, tels que la Péninsule Antarctique. Elles permettent ainsi l'utilisation de grilles au maillage plus fin et une meilleure représentation des terrains complexes. [[15]].
  • La glace de mer. La glace de mer est l'un des composants les plus difficiles à simuler de manière correcte dans les modèles climatiques[16]. Etant donné que la banquise est en contact direct à la fois avec l'atmosphère et l'océan, presque toutes les problématiques évoquées ci-dessus en lien avec la modélisation climatique en Antarctique ont un impact sur la production de modèles réalistes de l'épaisseur et de l'étendue de la glace de mer. La précision dans la reproduction de l'étendue observée de la banquise est peut-être la principale préoccupation lors de l’évaluation de la fiabilité des projections du climat futur à partir d'un modèle climatique donné.
  • Les nuages ​​de l'Antarctique. On connaît peu de choses à propos de la formation des nuages ​​dans l'atmosphère relativement vierge de l'Antarctique [17]. Les nuages sont un facteur de contrôle  important de la température de surface et donc contribuent aux défis mentionnés ci-dessus pour simuler la banquise et l'océan Austral dans les modèles climatiques. Les campagnes de mesure sur le terrain des propriétés des nuages ​​au-dessus de l'océan austral et de l'Antarctique sont des éléments clés de la recherche en cours avec un accent particulier pour éviter les biais des modèles climatiques dans la représentation des températures de surface de l'océan austral.
  • L'interaction glace-océan au niveau des fronts de glaciers et des cavités de la calotte glaciaire. Les faits montrent de plus en plus que les fronts glaciaires, les langues de glace flottantes, et les cavités de la calotte glaciaire sont des environnements clés déterminant la dynamique des glaciers et la perte de masse de la calotte glaciaire (et donc l'élévation du niveau de mer). Ces environnements sont mal observés et ont des représentations actuellement limitées ou simplifiées dans les modèles de la calotte glaciaire[4].

Un  Groupe consultatif du SCAR sur le Changement Climatique Antarctique et l'Environnement (ACCE) compile les mises à jour annuelles sur la science du climat de l'Antarctique, qui sont présentées à la RCTA. Ces mises à jour s’appuient sur le rapport principal ACCE 2009 (http://www.scar.org/accegroup/accegroup-publications) [18]).


Évènements clés

2009:  Le Changement Climatique Antarctique et l'Environnement (ACCE), rapport publié par le SCAR

2013:  Groupe d'experts intergouvernementaux sur l'évolution du climat (GIEC) Cinquième Rapport du Groupe  de travail 1

2018:  Rapport du SCAR sur les projections climatiques du 21ème siècle : sera produit par le Programme de Recherche Scientifique sur le Changement Climatique Antarctique au 21e siècle (AntClim21)