jeudi , 16 septembre 2021

Modèles climatiques

Dernière modification le 14-7-2021 à 17:34:42

Qu’est-ce ?

Les modèles climatiques sont des systèmes d’équations différentielles basés sur les lois fondamentales de la physique, du mouvement des fluides et de la chimie. Pour “exécuter” un modèle, les scientifiques divisent la planète en une grille tridimensionnelle, appliquent les équations de base et évaluent les résultats. Les modèles atmosphériques calculent les vents, le transfert de chaleur, le rayonnement, l’humidité relative et l’hydrologie de surface dans chaque grille et évaluent les interactions avec les points voisins.

Un modèle climatique est une modélisation mathématique du climat dans une zone géographique donnée. Historiquement, le premier modèle atmosphérique date de 1950, et a été testé sur le premier ordinateur existant, l’ENIAC. À la date du 4e rapport du GIEC (2007), le nombre de modèles indépendants utilisés par les différents laboratoires de climatologie à travers le monde étaient de 23.
De nombreux types de modèles varient en complexité. Les plus simples permettent d’avoir une très bonne compréhension de ce qui se passe, les plus complexes permettent d’approcher la réalité1

Comment ça marche?

Les premiers modèles de climat étaient extrêmement simples et se réduisaient à la circulation générale de l’atmosphère. Au fil des années, la compréhension de la machine climatique et des interactions entre les différents compartiments de l’environnement terrestres s’est considérablement améliorée. Les capacités des ordinateurs ne cessant de croître, il a été possible d’incorporer les nombreux processus dont des études ciblées ont montré l’importance dans le fonctionnement du climat. Les 2 figures ci-dessous, extraites du rapport 2007 du GIEC, montrent l’incorporation successive des divers processus dans les modèles et la palette des phénomènes pris en compte pour modéliser l’évolution du climat2.

Evolution du degré de complexité des modèles depuis leurs débuts.

Un modèle climatique est un programme informatique complexe qui représente aussi fidèlement que possible le comportement réel de notre climat. Pour y arriver, les experts de différents domaines scientifiques définissent les paramètres et les équations qui représentent les lois physiques régissant le climat. Ces équations proviennent principalement des lois physiques fondamentales comme la conservation de l’énergie ou les équations de la mécanique des fluides. D’autres paramètres ou relations sont issues des observations faites sur le terrain ces dernières dizaines d’années.

Ces lois sont ensuite traduites en lignes de code. Et c’est là qu’arrive la difficulté du modèle. Pour que l’ordinateur puisse faire ses calculs, on doit découper ce système complexe en un nombre fini de points. Pour cela, on utilise un maillage, on coupe la surface étudiée en plein de petits carrés.

Les premiers modèles climatiques globaux utilisaient une maille d’environ 500 km. La France ne comptait que pour 4 carrés. Maintenant, les modèles les plus performants utilisent une maille de 87 km. Comme les modèles climatiques comprennent l’océan et l’atmosphère. Ils ne se contentent pas d’une grille au niveau du sol, mais ont également plusieurs couches dans l’atmosphère et dans les océans. La grille et les différentes couches définissent plein de petits cubes dans lesquels les paramètres seront évalués par le programme.

Avec les résolutions actuelles, il y a plusieurs millions de petits cubes. Regardez l’évolution dans le temps des modèles climatiques, demande des milliers de milliards de calculs et on comprend vite que c’est une des sciences les plus gourmandes en puissance de calcul3

Pourquoi est-ce important ?

Les modèles climatiques sont le principal outil utilisé pour faire des projections du changement climatique futur afin d’éclairer les décisions d’adaptation et d’atténuation. Il est donc nécessaire de réduire les incertitudes liées aux forçages pour mieux quantifier leur impact sur le système climatique physique. Ils sont également important pour déterminer plus précisément les causes de changement climatique, pour connaître quelles parts peuvent être imputées à l’humain (anthropique). Ils offrent un moyen unique d’évaluer à quoi le climat terrestre pourrait ressembler dans trente, cinquante ou cent ans4.

Questions actuelles, débats, controverses

“On ne peut pas croire les modèles climatiques alors qu’on n’arrive pas prévoir exactement le temps qu’il fera demain…”.

La météo n’est pas le climat !

Ce qui dissocie la météo du climat, c’est aussi bien une composante temporelle qu’une composante spatiale. Un événement météorologique se produit sur le pas de nos portes, dans l’heure, la journée ou la semaine pour les plus grosses perturbations. On parle de climat lorsque sont considérés une série d’événements météorologiques sur une longue période. Il n’y a pas de durée précise, mais les climatologues évoquent souvent une période d’au moins 30 ans qui leur permet d’établir une moyenne significative. Ainsi la dernière période de référence s’étend-elle de 1981 à 2010 5.

Les modèles de prévision météorologique sont des modèles atmosphériques. Ils calculent l’évolution de la circulation atmosphérique à partir de la température de l’air, de l’humidité de différents hydrométéores (cristaux de glace, pluie, neige, …), des échanges radiatifs, des phénomènes de turbulence et de convection. Les valeurs initiales sont de l’instant t, et le modèle calcule la météo pour les quelques jours suivants, mais au-delà, la prédiction de la météo nécessite la prise en compte des autres acteurs du climat, l’océan et la biosphère notamment6.

Le climat est un système couplé, l’océan et l’atmosphère interagissant sur plusieurs échelles de temps. À l’échelle interannuelle, la prévision des événements El Niño par exemple ne nécessite que le couplage de l’atmosphère et de l’océan de surface. Mais à l’échelle séculaire, pour simuler le climat, il faut prendre en compte les courants océaniques profonds. La prédiction climatique se base sur les données passées et actuelles et prend en compte les temps de réponse des différentes composantes de la machine climatique6.

Et en Suisse ?

La Suisse produit essentiellement des modèles météo.

Compléments web

Compléments vidéos

Les modèles climatiques

Par “Le Réveilleur”.

Dans cette vidéo on s’intéresse aux modèles climatiques. Elle commence par différencier météo et climat pour comprendre pourquoi on peut prédire le climat au long terme mais pas la météo. Ensuite on regarde ce qu’est un modèle climatique, qui les fabrique, comment ils fonctionnent, comment ils sont vérifiés et ce qu’ils nous apprennent sur le climat de demain.

Texte de la vidéo et minutage

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Comme vous le savez très bien, le système climatique est un ensemble de phénomènes physiques complexes et interconnectés. Pour pouvoir prédire l’évolution future avec un minimum de vraisemblance. On doit faire appel à des modèles climatiques, mais je dois d’abord clarifier un point pourquoi peut on prévoir le climat dans plusieurs années, alors qu’on ne peut même pas prévoir la météo dans plus de quelques jours?

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La météo et le climat sont deux choses différentes. La météorologie et la science des nuages, de la pluie et du vent. Elle étudie la variation locale et rapide de la température, de la pression, des précipitations, etc. Le climat est la moyenne dans le temps de ces différents paramètres sur une période de plusieurs années, voire plusieurs dizaines d’années. C’est aussi une moyenne sur une zone plus étendue. On sait tous, dans une zone de climat tropical, un pic. Ça nous permet de nous faire une idée des conditions météorologiques moyennes à cet endroit, mais pas du tout de prédire la météo.

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Le climat est la moyenne des événements météorologiques. Donc, connaître la météo d’un endroit précis pendant longtemps permet de comprendre le climat.

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Mais l’inverse n’est pas du tout vrai. L’air est léger, peu visqueux et compressible. Il n’est jamais en équilibre. C’est pourquoi il est impossible de prédire la météo au temps long. Si on essayait de petites erreurs dans les paramètres initiaux ou de légères imprécisions donnerait des résultats finaux complètement différents. C’est pourquoi il est impensable de prédire la météo dans plusieurs mois ou plusieurs années.

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Mais le climat est principalement expliqué par l’équilibre entre l’énergie entrant et sortant du système. Certains paramètres sont imprévisibles, comme la météo ou les volcans, mais leurs effets au temps long sont faibles.

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La différence entre météo et climat peut se résumer à ceci on ne sait pas s’il y aura de la pluie ou pas dans trois semaines, mais on sait très bien que la température moyenne en hiver sera plus faible que la température moyenne en été.

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Quand on regarde une courbe de température comme celle ci, la température relevée tous les mois varie vite et il est très dur de la prédire. Par contre, la moyenne glissait sur onze ans, est plus stable et dépend de paramètres plus faciles à modéliser.

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On fait des modèles climatiques parce qu’il est possible de prédire le climat au temps long en prenant en compte les principaux mécanismes physiques qui le fixent.

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Mais comment ces modèles fonctionnent t il? Un modèle climatique est un programme informatique complexe qui représente aussi fidèlement que possible le comportement réel de notre climat. Pour y arriver, les experts de différents domaines scientifiques définissent les paramètres et les équations qui représentent les lois physiques régissant le climat. Ces équations proviennent principalement des lois physiques fondamentales comme la conservation de l’énergie ou les équations de la mécanique des fluides. D’autres paramètres ou relations sont issues des observations faites sur le terrain ces dernières dizaines d’années.

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Ces lois sont ensuite traduites en lignes de code. Et c’est là qu’arrive la difficulté du modèle. Pour que l’ordinateur puisse faire ses calculs, on doit découper ce système complexe en un nombre fini de points. Pour cela, on utilise un maillage, on coupe la surface étudiée en plein de petits carrés.

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Les premiers modèles climatiques globaux utilisaient une maille d’environ 500 km. La France ne comptait que pour 4 carrés. Maintenant, les modèles les plus performants utilisent une maille de 87 km.

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Comme les modèles climatiques comprennent l’océan et l’atmosphère. Ils ne se contentent pas d’une grille au niveau du sol, mais ont également plusieurs couches dans l’atmosphère et dans les océans. La grille et les différentes couches définissent plein de petits cubes dans lesquels les paramètres seront évalués par le programme.

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Avec les résolutions actuelles, il y a plusieurs millions de petits cubes. Regardez l’évolution dans le temps des modèles climatiques, demande des milliers de milliards de calculs et on comprend vite que c’est une des sciences les plus gourmandes en puissance de calcul.

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Mais qui crée ces modèles climatiques? Les modèles climatiques ne sont pas l’œuvre du GIEC qui ne fait qu’un travail de synthèse. Il y a actuellement une vingtaine de laboratoires qui travaillent au développement de leurs propres modèles. Il y a donc au moins autant de modèles différents. La France participe à cet effort global et dispose du sien développé par l’Institut Pierre Simon Laplace.

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Ces recherches impliquent directement plusieurs centaines de scientifiques et ils sont construits sur les connaissances acquises sur le climat dans tous les domaines. Les modèles intègrent donc le travail de plusieurs milliers de chercheurs. Les premiers modèles datent des années 60 et ils ont beaucoup évolué en plus de 50 ans.

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Les phénomènes physiques pris en compte ont beaucoup évolué au fil du temps. Les premiers modèles ne prenait en compte que l’atmosphère est encore succinte. Dès les années 80, les nuages, la surface du sol et la glace étaient inclus dans les modèles. Puis l’océan a été modélisé mais comme une seule couche à l’époque du second rapport du GIEC, en 1995. Les modèles incluaient en plus, les sulfates, l’activité volcanique et les couches supérieures des océans. Au moment du troisième rapport du GIEC, en 2001, la circulation océanique profonde, les aérosols, les rivières et le cycle du carbone étaient prises en compte. Enfin, lors du quatrième rapport du GIEC en 2007, les modèles les plus avancés incluaient l’évolution de la couverture végétale et la chimie atmosphérique, ce qui désigne par exemple les mécanismes de création de l’ozone ou de destruction du méthane. On voit que les modèles climatiques prennent maintenant en compte un grand nombre de phénomènes physiques.

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Attention, cela ne veut pas dire que les modèles prennent parfaitement en compte ces phénomènes physiques. Ils sont limités par notre compréhension, mais également par leurs propres défauts. Par exemple, les modèles ont du mal à rendre compte de phénomènes physiques plus petits que la maille sur laquelle ils travaillent. Encore une fois, les nuages vont poser problème. Ils sont plus petits qu’une maille et on ne peut pas les représenter fidèlement. On est obligé de faire des approximations. Les modèles, qu’ils soient climatiques ou non, peuvent vite donné des résultats absurdes avant de leur accorder notre confiance, on est obligé de vérifier la cohérence des résultats. On pourrait ensuite les utiliser comme des outils prédictifs en les projetant vers le futur.

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Les modèles climatiques sont vérifiés en interne tout au long de leur développement. Une fois qu’ils ont validé un certain nombre de paramètres, ils sont très souvent publiés en ligne. Ils sont ensuite testés par les équipes de scientifiques partout dans le monde, ayant chacun leur domaine d’expertise. Il existe des centaines d’articles d’évaluations des différents modèles dans chacun de leurs aspects. On regarde d’abord si les processus de physique élémentaire comme la conservation de l’énergie sont bien reproduits. On regarde ensuite si les modèles climatiques arrivent à reproduire les observations en réel. Est ce que le profil de température dans l’atmosphère qu’il nous fournit est le même que celui qu’on observe les satellites? Est ce qu’ils voient que le réchauffement est plus fort au niveau des pôles que sur le reste de la planète, comme on le voit dans la réalité? Ensuite, ces modèles sont projetés vers le passé pour voir si les températures qu’ils prédisent sont bien celles qu’on a observé les 150 dernières années. On peut même voir s’il arrivent à modéliser le climat d’une période glaciaire en entrant les paramètres correspondant.

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L’immense avantage des modèles, c’est qu’on peut étudier plusieurs scénarios et faire des tests, chose impossible dans la réalité parce qu’on ne dispose que d’une seule planète. Par exemple, sur ce graphique, on voit en noir les températures mesurées et on peut voir l’ensemble des modèles climatiques de la dernière génération avec toutes leurs composantes en rouge et en excluant l’influence humaine en bleu. On voit que les différents modèles comportent d’importants écarts. Ils ont été assemblés par différentes équipes scientifiques qui n’ont pas fait exactement les mêmes choix. Les nuages et leur évolution ou encore les échanges d’énergie avec l’océan profond font partie des phénomènes qui représentent le plus de différences entre les modèles.

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Mais on voit tout de même que, malgré leurs écarts, le constat est sans appel. L’évolution des températures des cinquante dernières années est en bonne partie due à l’homme. Cette image résume assez bien les modèles climatiques. Ils ne sont pas très précis, mais nous donnent une bonne idée de comment peut évoluer l’avenir. Ils ne suffisent pas à savoir la température exacte d’une année et encore moins d’un mois, mais leur précision est déjà suffisante pour comprendre dans les grandes lignes, l’impact de nos activités et en tirer les conséquences.

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C’est la grande utilité des modèles climatiques. Ils permettent de se faire une petite idée de ce à quoi ressemblera l’avenir en fonction de la façon dont nos sociétés se comportent. On peut faire différentes hypothèses sur les émissions futures de gaz à effet de serre et voir comment cela joue sur les températures à venir.

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Différents scénarios sont testés dans les modèles. Est-ce que dans les années à venir, les sociétés vont continuer à émettre d’importantes quantités de gaz à effet de serre en courant sans cesse après la croissance. Ou vont elles réussir à modifier leur économie, leur mode de vie et leurs interactions? Suivant les choix que nous faisons aujourd’hui, nous décidons à quoi notre futur et celui de nos enfants ressemblera d’ailleurs en jouant ainsi avec les modèles. On se rend vite compte que la plus grande imprécision sur la température en 2100 ne vient pas de notre compréhension imparfaite du climat ou de la part d’aléatoire dans son évolution, mais bien du comportement des sociétés humaines dans les années à venir.

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Les modèles climatiques ne seront jamais de la divination. Ils ne donnent qu’un aperçu incertain de l’avenir, mais leur précision est déjà suffisante pour en faire des outils utiles. Si certains utilisent leur incertitude pour discuter de leur utilisation, il ne faut jamais oublier le principe de précaution. Il vaut mieux agir en se trompant que ne rien faire compte des conséquences désastreuses que le monde scientifique présente comme très probable.

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Un modèle climatique est un programme informatique complexe qui essaye de reproduire le plus fidèlement possible notre climat. Une vingtaine de laboratoires à travers le monde y travaillent depuis de nombreuses années. Les modèles climatiques, contrairement à ce qu’on peut souvent entendre, prennent en compte de nombreux phénomènes physiques, parmi lesquels, par exemple, le soleil, la vapeur d’eau, les nuages, les vents, la circulation océanique ou encore les précipitations.

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Les modèles climatiques contiennent des approximations et ne représenteront jamais exactement la réalité. Mais tous s’accordent dans les grandes lignes. Ce sont des outils extrêmement utiles pour prendre conscience et évaluer l’impact futur des activités humaines et en tirer les conséquences nécessaires.

La modélisation du climat

Références et sources

  1. wikipedia fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3%A8le_climatique []
  2. www.sauvonsleclimat.org/images/articles/pdf_files/etudes/Poitou-climat2.pdf []
  3. Vidéo “le Réveilleur” présentée dans cette page également []
  4. www.pnas.org/content/118/23/e2016549118 []
  5. Climat ou météo, quelle différence: www.futura-sciences.com/planete/questions-reponses/meteorologie-climat-meteo-difference-5922/ []
  6. Prédiction climatique et prévision météorologique, quelle différence ?: www.futura-sciences.com/planete/questions-reponses/climatologie-prediction-climatique-prevision-meteorologique-difference-5972/ [][]
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