“paleoclimatique_t2” — 2013/10/24 — 11:38 — page 391 — #414
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10. Des climats du passé aux climats du futur
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donc avoir un effet sur les températures. On appelle cela des phénomènes de
rétroaction. Ces rétroactions sont dites positives lorsqu’elles ont pour effet
d’amplifier les perturbations initiales, et dites négatives dans le cas contraire,
où elles visent à stabiliser le système.
Les premières études prenant en compte ces rétroactions ont été effectuées
à l’aide de modèles radiatifs-convectifs, à une seule dimension verticale. Par
exemple, Manabe et Wetherald (1967) ont montré qu’avec leur modèle, le réchauffement en surface dû à un doublement du CO 2 était de 1,3
◦ C lorsque
l’humidité absolue de l’atmosphère restait constante, mais atteignait 2,4
◦ C
lorsque l’humidité relative restait constante. De nombreuses autres études ont
confirmé l’importance cruciale des mécanismes de rétroaction sur l’amplitude
du réchauffement climatique : ils peuvent multiplier par un facteur 2 à 4 la
variation de température sans rétroaction. Ces études ont également montré
que l’amplitude de ces rétroactions dépendait fortement de processus physiques complexes (et moins bien connus que le transfert radiatif), tels que la
turbulence, la convection, la formation des systèmes nuageux et des précipitations (Ramanathan et Coakley, 1978 [26]). Ces phénomènes, et notamment
les mouvements d’air qui déterminent la redistribution d’énergie et de vapeur d’eau au sein de l’atmosphère, ne peuvent pas être représentés de façon
pertinente dans les modèles radiatif-convectifs. Ainsi, même pour estimer les
changements de la température moyenne de la Terre, il est nécessaire d’introduire la dynamique atmosphérique et, pour la calculer explicitement, d’avoir
recours à des modèles tridimensionnels représentant la circulation générale de
l’atmosphère sur l’ensemble du globe.
10.2.2 Les modèles de circulation générale : progrès
et limites
10.2.2.1 L’évolution des modèles climatiques
Un modèle climatique de circulation générale est une représentation simplifiée, mais la plus complète possible, de l’ensemble des phénomènes qui influencent le climat. Il repose sur une analyse physique préalable, afin de réduire
le nombre de phénomènes à prendre en compte, et sur des formulations mathématiques et numériques adaptées. La modélisation numérique du climat s’est
surtout développée à partir des années 1970, grâce à l’augmentation régulière
de la puissance de calcul des ordinateurs. La philosophie générale de développement, établie par Charney et ses collaborateurs, à partir des années 1950,
était de résoudre le problème global, quitte à faire des approximations très
fortes, puis d’améliorer progressivement le modèle en fonction des défauts, des
insuffisances et des limitations identifiés. Les premiers modèles ne décrivaient
que l’atmosphère et les surfaces continentales (AGCM). La température de
la surface de l’océan était imposée, ce qui diminuait les difficultés : même si
le bilan d’énergie à la surface de l’océan est très différent de sa valeur observée, la température de surface est maintenue à sa valeur prescrite. Mais pour
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10. Des climats du passé aux climats du futur
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donc avoir un effet sur les températures. On appelle cela des phénomènes de
rétroaction. Ces rétroactions sont dites positives lorsqu’elles ont pour effet
d’amplifier les perturbations initiales, et dites négatives dans le cas contraire,
où elles visent à stabiliser le système.
Les premières études prenant en compte ces rétroactions ont été effectuées
à l’aide de modèles radiatifs-convectifs, à une seule dimension verticale. Par
exemple, Manabe et Wetherald (1967) ont montré qu’avec leur modèle, le réchauffement en surface dû à un doublement du CO 2 était de 1,3
◦ C lorsque
l’humidité absolue de l’atmosphère restait constante, mais atteignait 2,4
◦ C
lorsque l’humidité relative restait constante. De nombreuses autres études ont
confirmé l’importance cruciale des mécanismes de rétroaction sur l’amplitude
du réchauffement climatique : ils peuvent multiplier par un facteur 2 à 4 la
variation de température sans rétroaction. Ces études ont également montré
que l’amplitude de ces rétroactions dépendait fortement de processus physiques complexes (et moins bien connus que le transfert radiatif), tels que la
turbulence, la convection, la formation des systèmes nuageux et des précipitations (Ramanathan et Coakley, 1978 [26]). Ces phénomènes, et notamment
les mouvements d’air qui déterminent la redistribution d’énergie et de vapeur d’eau au sein de l’atmosphère, ne peuvent pas être représentés de façon
pertinente dans les modèles radiatif-convectifs. Ainsi, même pour estimer les
changements de la température moyenne de la Terre, il est nécessaire d’introduire la dynamique atmosphérique et, pour la calculer explicitement, d’avoir
recours à des modèles tridimensionnels représentant la circulation générale de
l’atmosphère sur l’ensemble du globe.
10.2.2 Les modèles de circulation générale : progrès
et limites
10.2.2.1 L’évolution des modèles climatiques
Un modèle climatique de circulation générale est une représentation simplifiée, mais la plus complète possible, de l’ensemble des phénomènes qui influencent le climat. Il repose sur une analyse physique préalable, afin de réduire
le nombre de phénomènes à prendre en compte, et sur des formulations mathématiques et numériques adaptées. La modélisation numérique du climat s’est
surtout développée à partir des années 1970, grâce à l’augmentation régulière
de la puissance de calcul des ordinateurs. La philosophie générale de développement, établie par Charney et ses collaborateurs, à partir des années 1950,
était de résoudre le problème global, quitte à faire des approximations très
fortes, puis d’améliorer progressivement le modèle en fonction des défauts, des
insuffisances et des limitations identifiés. Les premiers modèles ne décrivaient
que l’atmosphère et les surfaces continentales (AGCM). La température de
la surface de l’océan était imposée, ce qui diminuait les difficultés : même si
le bilan d’énergie à la surface de l’océan est très différent de sa valeur observée, la température de surface est maintenue à sa valeur prescrite. Mais pour