Science of Climate Change - La science du changement climatique - [Service météorologique du Canada

Les modèles climatiques

Les principes des modèles climatiques

Les modèles climatiques s’appuient sur les lois fondamentales de la physique, exprimées sous forme d’équations mathématiques, pour simuler le comportement du système climatique, qui comprend les océans, l’atmosphère, la terre et la glace. La modélisation mathématique est un outil puissant, qui permet d’approfondir le système complexe de la Terre et d’étudier de quelle façon il réagit à la fois au forçage radiatif externe et à la variabilité et aux rétroactions internes du système climatique. La compréhension et la modélisation du système climatique nous permettent d’entrevoir l’évolution future des structures physiques, sociales et économiques, et ce à différentes échelles spatiales et temporelles.

Il faut toujours utiliser avec prudence les projections dérivées des modèles, étant donné qu’on ne peut comprendre entièrement, ni simuler parfaitement les processus des systèmes, tant internes qu’externes. Néanmoins, les modèles s’avèrent des outils utiles pour l’analyse de phénomènes dont l’étude n’est pas aisée en laboratoire et sur le terrain, particulièrement lorsqu’ils se produisent à l’échelle planétaire.

Les types de modèles

Il existe plusieurs types de modèles climatiques. La gamme va des modèles simples à une dimension (1-D) aux modèles complexes à trois dimensions (3-D), connus sous le nom de modèles de circulation générale (MCG). Ces derniers se divisent également en MCG atmosphériques (MCGA), MCG océanographiques (MCGO), MCGA plus couche océanique, et les modèles hybrides atmosphériques-océanographiques (parfois désignés par l’acronyme MCGAO, mais le plus souvent appelés modèles de système climatique). En outre, les modèles climatiques régionaux (MCR) peuvent améliorer le rendement des MCG pour une région donnée, tandis que les modèles de chimie atmosphérique et de cycle du carbone deviennent d’importantes sous-composantes des modèles de système climatique en raison des interactions entre les aspects physiques et chimiques du système climatique mondial. La façon dont les modèles sont conçus est expliquée "http://www.met-office.gov.uk/research/hadleycentre/index.html">Le Hadley Centre for Climate Prediction and Research.

Le Centre canadien de la modélisation et de l’analyse climatiques (CCmaC) est l’un des organismes qui contribuent le plus à l’élaboration de modèles à l’échelle mondiale. Le CCmaC est une division de la Direction de la recherche climatique (DRC) du Service météorologique du Canada (SMC) d’Environnement Canada (EC). Le Centre a mis au point un certain nombre de MCG atmosphériques et couplés. Il participe également à plusieurs projets d’élaboration de modèles dans le cadre du Réseau de recherche climatique, dont le Modèle de l’atmosphère moyenne et le Modèle régional canadien du climat. Visitez la page des modèles du Centre pour une description des différents modèles.

Modèle climatique de pointe – Les modèles couplés canadiens de circulation générale (MCCG1 et 2) ont tous deux été mis au point par le CCmaC, en collaboration avec des chercheurs d’Environnement Canada. Le modèle MCCG3 est en voie d’élaboration. Ces modèles, qui comptent parmi les MCG les plus avancés aujourd’hui, comprennent quatre principales composantes : un MCGA, un MCGO, un modèle thermodynamique de la glace de mer et un modèle de la surface des terres. Le MCCG peut modéliser les variations des températures et des précipitations à l’échelle planétaire, les variations potentielles de la circulation océanique et des niveaux de la mer et des glaces, les conditions climatiques extrêmes ainsi que les tendances en matière d’évolution régionale et saisonnière du climat.

Le modèle est testé en regard de conditions climatiques passées et présentes, et sa capacité à simuler adéquatement le climat est comparée à celle d’autres modèles avancés. Si les tests sont probants, il pourra être utilisé pour prévoir les changements climatiques futurs.

Projections dérivées des modèles climatiques

Les projections climatiques simulées par le modèle couplé de circulation générale de première génération (MCCG1), qui sont utilisées dans l’analyse ci-dessous, sont décrites plus en détail dans le rapport Projections du climat futur du Canada (CCD 00-01) publié par la Direction de l’évaluation scientifique et de l’intégration (DESI) du Service météorologique du Canada, dans le cadre de la série Sommaires du changement climatique. Ces projections, qui couvrent une période allant jusqu’à l’an 2100, s’appuient sur un scénario de concentrations futures de gaz à effet de serre et d’aérosols de sulfates semblable au scénario d’émissions IS92a GHG + A du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC). Dans le scénario du MCCG1, les concentrations de CO₂ augmentent de 1 % par année après 1990, tandis que les concentrations d’aérosol de sulfates (SO₄^2-) s’accroissent jusqu’en 2050. Seul le forçage radiatif dû aux aérosols est pris en considération. Consultez le Rapport spécial du GIEC sur les scénarios d’émissions pour un aperçu de la consommation prévue d’énergie et des scénarios d’émissions.

Projections à l’échelle mondiale

Température : Dans son troisième Rapport d’évaluation (2001), le GIEC prévoit, sur la foi d’un certain nombre de modèles climatiques, que la hausse de la température moyenne à la surface du globe se situera vraisemblablement dans une fourchette de 1,4 à 5,8 °C au cours des 100 prochaines années, et ce pour l’ensemble des 35 scénarios SRES. La projection obtenue à l’aide de MCCG1 se situe dans la partie supérieure de cette fourchette. Pareil réchauffement ne s’est pas produit depuis la période de déglaciation de la dernière grande époque glaciaire, qui a atteint son apogée il y a quelque 25 000 ans. Á la faveur de cette déglaciation, la température du globe s’était élevée d’environ 4 à 8 °C sur une période de plusieurs millénaires. Si les projections laissent entrevoir une hausse des températures d’une ampleur comparable pour le prochain siècle (qui s’ajoute toutefois au climat interglaciaire actuel, déjà chaud), la période sur laquelle s’échelonnera cette hausse sera sensiblement plus courte.

Précipitations : Selon les résultats du MCCG1, les précipitations mondiales moyennes devraient s’accroître de 1 % d’ici 2050 et de 4,5 % d’ici 2100. Les résultats d’autres modèles donnent à penser que l’augmentation pourrait être bien supérieure. On s’attend en général à ce que ces hausses soient les plus prononcées dans les régions tropicales, dans les océans et dans les terres émergées des régions les plus nordiques. En revanche, les pluies seront moins abondantes dans les régions subtropicales. Le taux d’humidité du sol devrait diminuer dans la majeure partie des terres émergées, en particulier l’été. La période de neige sera considérablement plus courte, et la zone couverte par la neige en hiver diminuera de plus de 30 %.

élévation du niveau de la mer : Le réchauffement des eaux des océans, et donc la dilatation thermique de ces derniers, sera la principale cause de l’élévation du niveau de la mer. La fonte des glaciers et des calottes polaires pourrait également contribuer à ce phénomène. Les estimations à cet égard sont très incertaines. Selon les chiffres du GIEC (2001), le niveau de la mer pourrait s’élever d’aussi peu que 9 cm, et d’autant que 88 cm d’ici 2100. Cette élévation se poursuivrait dans les siècles futurs.

Projections pour l’Amérique du Nord

Température : Les hausses de température devraient être supérieures à la moyenne mondiale en Amérique du Nord (figures 2a et b), du fait que les terres se réchauffent plus vite que les océans. Le MCCG1 montre que les températures croîtront de 5 à 10 °C au Canada d’ici 2090, et que les augmentations seront encore plus marquées dans l’Arctique en hiver (figure 2a). Deux principaux facteurs expliquent cet écart de température dans l’Arctique :
1) les surfaces de neige et de glace extrêmement réfléchissantes qui couvrent les terres et les océans seront remplacées par des surfaces plus sombres sur la terre et par des océans découverts, de sorte que le rayonnement solaire sera davantage absorbé à la surface. Cette boucle de rétroaction positive favorisera le réchauffement; 2) le climat plus chaud aura pour effet de réduire la période pendant laquelle l’océan Arctique est recouvert de glace ainsi que la quantité de glace. En hiver, cette couche de glace agit comme un isolant entre l’air très froid, au-dessus, et les eaux océaniques plus chaudes, au-dessous. La réduction de l’épaisseur de cet isolant permettra donc à la chaleur de l’océan de s’échapper plus rapidement dans l’air, ce qui fera augmenter d’autant les températures atmosphériques. L’inverse se produit l’été, lorsque l’océan se réchauffe plus lentement que l’air. Une grande partie de l’Atlantique Nord se réchauffe très peu; une zone enregistre même un refroidissement durant l’été en raison des modifications de la circulation océanique, qui réduisent l’advection vers le nord des eaux tropicales chaudes dans cette région.

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Précipitations : Le MCCG1 prévoit une diminution des précipitations dans la majeure partie des états-Unis, en particulier l’été, mais des hausses considérables dans d’autres régions, notamment dans certaines zones de l’océan Pacifique, sur la côte ouest des états-Unis et dans les hautes latitudes (figures 3a et b). Ces variations des précipitations ont de sérieuses conséquences sur le plan de l’humidité du sol, et donc de la végétation. Cependant, les projections sont aussi très incertaines à l’échelle régionale, et elles varient considérablement d’un modèle à l’autre.

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D’autres projections dérivées de différents modèles et scénarios ainsi que des données à télécharger sont disponibles dans le site Web du CCmaC.

élévation du niveau de la mer : Le MCCG1 indique des écarts régionaux considérables quant à l’élévation du niveau de la mer attribuable à la dilatation thermique (figure 4). On s’attend à ce que la variation la plus importante s’observe dans le Pacifique Est; dans cette région, sous l’effet de ce seul facteur, le niveau de la mer pourrait s’élever d’environ 65 cm, d’ici 2100, par rapport au niveau de 1985. La plus faible élévation du niveau de la mer résultant de la dilatation thermique se produira dans l’océan Arctique, qui se réchauffera très lentement. Ces niveaux d’élévation différents, d’une région à l’autre, s’expliquent par des taux différents de réchauffement des océans et par des degrés de dilatation thermique également différents.

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Perspectives d’avenir

Les modèles climatiques évoluent sans cesse. Les experts ont mis au point un modèle de deuxième génération, le MCCG2, qui comprend un schéma de mélange océanique plus réaliste ainsi qu’une composante glace de mer plus sophistiquée, qui simule le transport de la glace et les effets de la déformation. Ce modèle a permis de produire toute une gamme de scénarios d’émissions, dont le IS92A. Les résultats obtenus, dont un aperçu est présenté dans le site Web du CCmaC, ne diffèrent pas sensiblement de ceux du MCCG1. Un modèle de troisième génération, le MCCG3, sera bientôt disponible. Ce dernier met à profit une meilleure résolution verticale et horizontale, une nouvelle méthode de description des processus à la surface de la terre (CLASS) ainsi qu’une description plus détaillée du réchauffement solaire, de la topographie de la surface, des vents et de la répartition de la pression en surface, du comportement de la convection et du transfert de chaleur. Le modèle s’appuie sur une composante atmosphérique avancée. Les variations de la température de l’air à la surface sont comparées et présentées de façon sommaire.