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Comment sont calculés les bulletins météo de 2100

Dans le monde, une vingtaine de modèles tentent de prévoir l’évolution du climat sur les cent prochaines années. Les paramètres pris en compte sont de plus en plus nombreux et complexes, mais les conclusions se rejoignent. Les dernières simulations françaises annoncent un réchauffement d’environ 4 °C pour 2100 si l’on ne fait rien pour enrayer les émissions de gaz à effet de serre.

Le désertD’après les dernières simulations françaises un réchauffement climatique de 4°C est prévu pour 2100.
© SXC

Parler de réchauffement climatique alors qu’il neigeait encore le 30 mai 2006 sur les Vosges, cela peut faire sourire. Difficile de croire, en effet, que les gelées qui ont fait frissonner la France entière à cette époque soient compatibles avec l’inquiétante élévation des températures que les scientifiques redoutent pour les années à venir… Et pourtant ! La tendance à long terme d’un réchauffement climatique n’est pas contradictoire avec un ou deux hivers particulièrement rigoureux à l’occasion.

La modélisation climatique est une discipline relativement jeune, les premiers modèles de prévision du temps datant des années soixante, et les premières grandes alertes au réchauffement climatique ayant été faites au début des années soixante-dix. Mais l’augmentation de la puissance informatique a permis d’affiner les prévisions, si bien que pour un temps de calcul constant, la résolution des modèles et la représentation des phénomènes météorologiques se sont améliorées entre les années quatre-vingt et aujourd’hui.
Mais la puissance toujours plus importante des ordinateurs permet aussi de prendre en compte de plus en plus de paramètres et d’interactions entre ces paramètres, ce qui complexifie encore un peu plus l’exercice de modélisation !
Et c’est bien une des difficultés des climatologues lorsqu’ils livrent périodiquement le fruit de leurs recherches : faire comprendre la complexité de la machine climatique terrestre, habiller leurs résultats des nuances et de la prudence qui s’imposent, sans pour autant édulcorer leur message. Car il y a urgence à réagir selon eux : la vingtaine de modèles climatiques utilisés dans le monde arrivent tous à la même conclusion d’un réchauffement*. En janvier 2007, le Groupe Intergouvernemental d’experts sur l’Évolution du Climat (GIEC) dévoilera à la communauté internationale les conclusions de son quatrième rapport. En France, les principaux laboratoires qui depuis cinq ans travaillent sur deux nouveaux modèles climatiques construits à partir de scénarios distincts d’évolution des gaz à effets de serre et des particules aérosols, viennent de livrer leurs résultats. Ils arrivent à la même conclusion : la météo de 2100 s’annonce très chaude…

*Le GIEC regroupe trois mille experts internationaux. Trois rapports complets ont été publiés sous son égide, le premier en 1990, le deuxième en 1995 et le troisième en 2001.

01.Modéliser la complexité de la machine terrestre

Le maillage de la planète TerrePour décrire chaque partie du globe, les chercheurs font un maillage qui couvre la planète, l’atmosphère et la profondeur des océans d’un filet imaginaire.
© Laurent Jairhead
Pascale Braconnot passe sa vie à courir après le temps. Et pour cause : elle est climatologue, chercheuse à l’Institut Pierre-Simon Laplace, au Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE) de Saclay, un des principaux laboratoires en France à travailler sur les modèles de prévisions climatiques. "Toute la difficulté de notre travail est là ! , lance-t-elle en souriant. Calculer plus vite que le temps qui passe pour pouvoir fournir des prévisions." Tandis que chacun s’interroge sur la météo du lendemain ou du week-end, Pascale Braconnot, elle, s’inquiète du temps qu’il fera… en 2100. Doit-on s’attendre à vivre couramment des étés aussi chauds que celui de 2003 ? Les précipitations vont-elles diminuer dramatiquement dans certaines régions ? Le réchauffement attendu sera-t-il uniforme à la surface de la planète ?...

Pour répondre, Pascale Braconnot utilise des modèles climatiques, c’est-à-dire des logiciels dont le but est de reproduire aussi fidèlement que possible le fonctionnement complexe de la machine Terre et de voir comment elle évolue dans le temps. "Nous représentons par des équations mathématiques les principales lois de la physique et de la dynamique des fluides, et nous transformons ces équations en ligne de code informatique", explique la chercheuse. Comme il est impossible de décrire ce qui se passe à chaque point du globe, les chercheurs font un maillage, c’est-à-dire qu’ils couvrent la planète - mais aussi l’atmosphère et la profondeur des océans - d’un filet imaginaire. Un premier maillage couvre la surface de la Terre en 2D, sur des distances de 200 à 300 km à l’horizontale. Pour obtenir un modèle en trois dimensions, l’altitude est ensuite découpée en tranches de quelques mètres à quelques centaines de mètres sur la verticale. On obtient au final ce qui ressemble à des boîtes à chaussures (les scientifiques parlent de "boîtes élémentaires"). Enfin le temps est lui-même décomposé en pas élémentaires d’une durée de 5 à 30 minutes.

"Chaque modèle s’efforce de prendre en compte les grands mécanismes en jeu à la surface du globe : les couplages entre l’océan et l’atmosphère, la circulation des courants marins, les échanges entre les surfaces continentales et englacées, etc." commente Pascale Braconnot. À chaque nœud du maillage et/ou au sein de chaque boîte, on calcule les différents paramètres comme la température, la pression, l’humidité, la salinité de l’eau de mer, le vent. Mais de nombreux paramètres ne peuvent être intégrés que sous la forme d’hypothèses. Par exemple les tailles supposées des gouttes d’eau dans les nuages sont différentes selon qu’elles sont sous formes liquide ou glacée…

Schéma de l’évolution de la modélisation climatiqueSchéma de l’évolution de la modélisation climatique à l’échelle mondiale.
© Source GIEC

Une fois posées ces hypothèses de travail, ce sont de longues journées de calculs sur ordinateur qui démarrent, pour faire évoluer, comme en accéléré, le modèle climatique à chaque nœud du filet : en moyenne, 8 000 heures machine, soit deux à trois mois de travail, sont nécessaires pour obtenir l’ensemble des simulations permettant de se projeter en 2100 !

À l’échelle internationale, vingt et un modèles différents (qui fonctionnent essentiellement dans des laboratoires d’Amérique du Nord et d’Europe, mais aussi en Australie, au Japon, en Chine) sont utilisés pour esquisser les bulletins météo du siècle à venir. Outre l’atmosphère, les modèles ont pris en compte, au fur à mesure des progrès scientifiques, de plus en plus de composants : les surfaces terrestres (années quatre-vingt), puis l’océan et la banquise (années quatre-vingt-dix), puis les aérosols (fin des années quatre-vingt-dix), le cycle du carbone (années deux mille). Les modèles les plus récents intègrent également la dynamique de la végétation et la chimie atmosphérique (évolution des gaz en fonction des autres paramètres : vent, pluie, etc.).

Malgré cela, aucun modèle ne peut à lui seul parfaitement reproduire l’extrême complexité de la machine climatique terrestre. "Les approximations et les marges d’erreur inhérentes à nos modèles ont plusieurs origines, explique Pascale Braconnot. D’abord, nous travaillons sur des mailles de 100 à 300 km de côté : les phénomènes climatiques qui entrent en jeu à des échelles inférieures sont donc représentés de façon simplifiée par nos simulations. C’est par exemple le cas des nuages ou des tourbillons océaniques de quelques dizaines de kilomètres." Par ailleurs, certains phénomènes physiques ou chimiques restent très délicats à modéliser et introduisent des incertitudes supplémentaires sur les résultats. "Les lois sur l’évaporation dans les nuages, les phénomènes de convection, de turbulence, etc., sont encore mal connus. Ce sont autant de sources d’approximation et de marges d’erreurs", confirme Pascale Braconnot. Or, de façon routinière en tout cas, les puissances de calcul des ordinateurs ne permettent pas encore de descendre en dessous de cette précision moyenne de 200 km dans les modèles d’évolution climatique de la Terre. Les températures ou les précipitations issues des simulations n’ont donc de sens qu’à l’échelle d’une région, voire de pays entiers. Pour affiner les résultats, il faut utiliser un modèle régional, de grille plus fine, qui permet de représenter les phénomènes locaux liés, par exemple, au contraste entre la partie au vent ou sous le vent d’un relief.
Les modèles météorologiques utilisés pour les prévisions à court terme (semaine) utilisent un maillage beaucoup plus fin, mais ils font des prévisions de quelques jours, non pas d’une centaine d’année….

Il reste beaucoup de zones d’ombre, mais ces outils en perpétuelle évolution s’améliorent constamment. Et donnent tous une même tendance : dans le dernier rapport du GIEC en 2001, la fourchette des évaluations allait de 1,4 à 5,8 °C en plus à l’horizon d’un siècle.

02.Prochain bilan climatique en janvier 2007

"La communauté climatique française vient de réaliser un exercice de simulation de l’évolution du climat sans précédent", explique Pascale Braconnot. Courbes à l’appui, la jeune femme décrypte le travail mené depuis 2001 avec d’autres laboratoires de recherche français, dont ceux de Météo France, à Toulouse, dans le cadre du projet Escrime (Étude des Scénarios Climatiques Réalisés par l’IPSL - Institut Pierre-Simon Laplace - et Météo France).
"Nous avons fait tourner deux modèles climatiques différents et envisagé les phénomènes de rétroaction en jeu dans le comportement de la machine terrestre, notamment vis-à-vis du CO2." Les deux modèles représentaient les circulations atmosphérique et océanique, la glace de mer, les surfaces continentales. Bien que basés sur les mêmes lois de physique, ils diffèrent par les traitements des équations et les degrés d’approximation nécessaires pour représenter les phénomènes de petites échelles (nuages, interaction entre l’atmosphère et la végétation, etc.).

Scénarios 2090-2099Deux scénarios possibles de réchauffement climatique sur la planète entre 2090-2099 (comparés à 2000-2009). La carte A2 correspond au scénario le plus pessimiste où personne ne réagit, celle A1B au scénario intermédiaire où l’on réagit, mais un peu tard, pour diminuer les émissions de gaz à effets de serre.
© Pascale Bracannot/Patrick Brockmann

Plusieurs scénarios ont été envisagés. Certains privilégient une croissance démographique et économique rapide (scénarios de type A), d’autres considèrent que des mesures environnementales vont être prises (scénarios de type B). On compare ainsi le scénario le plus pessimiste, A2 ("on ne fait rien"), au plus optimiste, B1 ("on met en œuvre des mesures draconiennes contre les émissions de gaz à effet de serre").

Quelque 20 000 heures de calcul plus tard, les deux modèles s’accordaient sur le principal résultat : tous deux prévoient un réchauffement planétaire moyen* de 4 °C environ en 2100 pour le scénario le plus pessimiste (de 2 °C environ pour le plus optimiste), avec des disparités à la surface du globe : tandis que dans les régions sèches, de l’Afrique au nord de l’Inde, les températures augmenteraient de 4 °C d’ici 2100, elles grimperaient de plus de 5 °C environ dans les régions continentales de l’hémisphère nord et les zones arctiques, et de 3 à 5 °C environ sur l’Europe et l’Eurasie. Au global, selon les climatologues français, les régions sèches auraient tendance à s’assécher dans le siècle à venir et les régions humides à subir plus de précipitations encore qu’aujourd’hui. Le pourtour méditerranéen notamment, serait touché par une grande aridité, tandis que l’Europe du Nord devrait faire face à une humidification croissante.
Mais si, entre les deux modèles, la répartition des changements de température ou de précipitation est comparable à de très grandes échelles d’espace, à l’échelle d’une région particulière de la planète les différences sont notables. "Cela s’explique car, par exemple, les nuages et les pluies restent des phénomènes locaux complexes, très difficiles à représenter. D’où l’intérêt de continuer à utiliser différents modèles", souligne Pascale Braconnot.

Les scientifiques du LSCE et de Météo France se sont aussi interrogés sur les relations entre la production de CO2 par les activités humaines et le cycle naturel du carbone sur Terre. "Jusqu’ici, on estimait les émissions de CO2, puis on estimait la concentration de CO2 dans l’atmosphère", explique Pascale Braconnot. Et c’est cette dernière donnée que l’on entrait dans le modèle. Désormais, nous estimons toujours l’augmentation des émissions de CO2 (à partir des données économiques et démographiques notamment), mais nous laissons ensuite le modèle calculer les concentrations de CO2 qui vont dépendre des échanges entre l’atmosphère, les surfaces continentales et l’océan. Et le fait de prendre en compte les effets rétroactifs de cette augmentation sur le cycle naturel du carbone de façon interactive dans un modèle conduit à des concentrations en CO2 de 5 à 30 % supérieures aux calculs réalisés jusqu’à présent ! s’alarme la chercheuse. Car les émissions de CO2 d’origine humaine ont bien évidemment une incidence sur le cycle naturel du carbone." En d’autres termes, l’emballement de la machine climatique terrestre pourrait être encore plus inquiétant qu’imaginé il y a seulement cinq ans… "Il se pourrait bien qu’on ait ouvert une nouvelle boîte de Pandore".

Pire encore : une stabilisation des émissions en gaz carbonique, si elle avait lieu aujourd’hui, ne suffirait pas à stopper la tendance au réchauffement climatique. "L’inertie est très forte sur la machine climatique terrestre, confirme Pascale Braconnot. Si on stoppait du jour au lendemain tous les rejets de CO2 dus aux activités humaines, il faudrait quatre générations pour voir les effets sur le climat se stabiliser."

Les résultats des laboratoires français, comme ceux de centaines d’autres installés aux quatre coins du globe, sont désormais entre les mains du GIEC. La synthèse de 240 analyses publiées depuis 4 à 6 ans est en cours de rédaction à l’échelle internationale ! Le LSCE de Saclay compte parmi les quatorze laboratoires internationaux qui travaillent à l’écriture finale de ce document. "Le choix de chaque mot est important, explique Pascale Braconnot, qui est également membre du comité de rédaction. Ces quelques pages feront le tour du monde. Nous devons construire notre message à partir d’une somme colossale de données scientifiques, au risque parfois, de simplifier le discours pour la bonne compréhension de tous. Bien sûr, on peut toujours discuter telle ou telle approximation. Mais le travail du GIEC a permis, depuis 15 ans, une véritable prise de conscience."

*Il faut toujours prendre en compte une marge d’erreur de 1 °C ou - 1 °C par rapport aux chiffres cités.

03.Demandez la météo de votre ville en 2100 !

Carte des températures à ÉvryÉvolution des températures de la ville d’Évry en Essonne, de 1960 à 2100, dans le cas d’un scénario incluant les températures maximales sur une période annuelle.
© ONERC
Comme en 2001, le rapport du GIEC devrait, début 2007, confirmer le phénomène de réchauffement climatique à la surface de la planète. Ce sont désormais les conséquences de cette surchauffe qui inquiètent la société tout entière. "Nous sentons très nettement l’intérêt vis-à-vis de nos recherches se déplacer : le curseur bascule vers l’étude d’impact plus que vers la recherche fondamentale sur le phénomène du réchauffement", confirme Pascale Braconnot. Et pour cause : la société tout entière se montre de plus en plus vulnérable par rapport aux risques climatiques. L’agriculture, le tourisme, l’urbanisme, etc., nombre d’activités économiques sont aux premiers chefs concernées par cette météo du futur sur laquelle travaillent les chercheurs.

Du coup, les climatologues explorent de nouvelles pistes. Des prévisions saisonnières commencent à voir le jour, tentant de dessiner le profil de l’été ou de l’hiver qui s’annonce à l’échelle d’un pays. Météo France propose ainsi ce nouveau service sur son site web. Les tendances décennales sont aussi à l’étude : "travailler sur ces courtes échelles de temps est délicat car cela impose de combiner deux approches différentes dans les analyses, celle de la météorologie du quotidien et celle des modèles d’évolution du climat à long terme", explique la chercheuse.

D’une façon générale, les chercheurs font de plus en plus d’efforts pour rendre leurs travaux accessibles au grand public. Ainsi, l’Observatoire National sur les Effets du Réchauffement Climatique (ONERC) met en ligne (www.onerc.gouv.fr) les différents scénarios de changement climatique envisagés par les scientifiques et régionalisés sur la France. "Le site va continuer à s’enrichir des travaux des laboratoires de climatologie français, explique Pascale Braconnot, qui a participé à sa mise en ligne. On peut dès à présent y consulter des simulations météo d’ici 2100 dans chaque région de l’Hexagone et les principales villes. Bien sûr, ces données ne sont pas à prendre au pied de la lettre. Elles représentent un des scénarios possibles, mais donnent une tendance désormais inéluctable : celle du réchauffement."

À quoi pourrait donc ressembler l’été 2100 à Evry ? Les scientifiques ont d’abord fait tourner un modèle atmosphérique de grande échelle, qui couple des données atmosphériques et océanographiques, puis ils ont utilisé un modèle de Météo France réalisé avec des mailles beaucoup plus fines de 50 km de côté et d’1 km d'épaisseur prenant en compte les équations d'évolution du vent, de la pression, de la température et de l'humidité. Voici les prévisions qui en résultent pour la capitale de l’Essonne : les températures moyennes risquent d’y frôler les 22 °C environ, là où elles ne dépassent guère les 18 °C aujourd’hui… Avec des pointes (en moyenne au cours de la saison estivale) entre 28 et 30 °C au lieu des 22 à 24 °C à l’heure actuelle. Quant à la pluviométrie, dans le même temps, elle recule de 30 % environ... Difficile d’y croire, et encore moins d’imaginer le quotidien dans ces conditions… Et le paysage ? "Un seul degré d’augmentation des températures dans le bassin méditerranéen provoquerait la migration de plantes locales de 100 km vers le Nord", précise Pascale Braconnot. Avec 4 °C d’augmentation des températures en 2100, ce pourrait être la Côte d’Azur en Essonne. La mer Méditerranée en moins…

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