D6 Modèles et projections climatiques

Topique

Les modèles climatiques sont des représentations mathématiques du système climatique qui permettent de simuler son évolution au fil du temps. Les modèles les plus détaillés divisent l'atmosphère et l'océan en une grille spatiale tridimensionnelle de cellules et résolvent les équations physiques qui décrivent leur comportement au sein de ces cellules. Les cellules voisines échangent de la masse, de l'énergie et de la quantité de mouvement, permettant ainsi la représentation combinée des schémas de circulation atmosphérique et océanique à l'échelle planétaire.

Les modèles de circulation générale sont l'un des principaux outils pour réaliser ces simulations. Dans l'atmosphère, ils résolvent les équations primitives qui expriment la conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie, en intégrant les effets de la rotation de la Terre, la relation entre la pression atmosphérique, la température et la densité, ainsi que la conservation de la vapeur d'eau. La composante atmosphérique est également couplée à des modèles de l'océan, de la banquise et de la surface terrestre, de sorte que les changements dans chaque composante affectent les autres au cours de la simulation.

La résolution spatiale typique de ces modèles est de l'ordre de quelques dizaines de kilomètres, tant dans l'atmosphère que dans l'océan, et ils utilisent de nombreux niveaux verticaux. Cependant, de nombreux processus importants, tels que la convection, la formation des nuages, la turbulence de surface et certaines ondes atmosphériques, se produisent à des échelles inférieures à la cellule. Comme ils ne peuvent être résolus explicitement, leurs effets sont intégrés par paramétrisation : des représentations simplifiées qui estiment leur influence moyenne sur les variables calculées par le modèle.

Les modèles du système terrestre étendent cette représentation en intégrant les processus biogéochimiques et, en particulier, un cycle du carbone interactif. Dans ces modèles, la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone peut résulter de l’équilibre entre les émissions et l’absorption par les écosystèmes terrestres et l’océan. Ceci permet de représenter les interactions entre le climat et le cycle du carbone : pour un même niveau d’émissions, une absorption terrestre ou océanique plus importante entraîne une moindre accumulation de CO₂ dans l’atmosphère, tandis que le changement climatique peut, à son tour, modifier la capacité de ces réservoirs à le capturer.

À l’autre extrémité du spectre, on trouve les modèles de bilan énergétique. Au lieu de représenter explicitement une grille tridimensionnelle de la planète, ils décrivent la réponse climatique à l’aide d’un petit nombre d’équations. Un exemple en est le modèle à deux compartiments, qui représente une composante de surface et une composante océanique profonde, entre lesquelles des échanges de chaleur ont lieu. Ses paramètres permettent d'étudier la réponse de la température à un forçage donné et de distinguer la réponse transitoire de la réponse à l'équilibre. Ces modèles permettent d'analyser les propriétés globales du système climatique à un coût de calcul bien inférieur à celui d'une simulation tridimensionnelle.

Entre ces deux extrêmes se situent les modèles de complexité intermédiaire. Ceux-ci conservent une partie de la structure spatiale du système climatique, notamment la distribution géographique des continents et des océans, mais simplifient de nombreux processus que les modèles de circulation générale représentent plus en détail. Ils peuvent également intégrer certains cycles biogéochimiques, bien que de manière moins exhaustive que les modèles du système Terre.

Les modèles de bilan énergétique, les modèles de complexité intermédiaire, les modèles de circulation générale et les modèles du système Terre forment ainsi un continuum d'outils. À une extrémité se trouvent les modèles à équations réduites, rapides et utiles pour comprendre les mécanismes fondamentaux et les réponses climatiques globales ; à l'autre, les modèles tridimensionnels qui représentent en détail les interactions physiques et biogéochimiques de la planète. Le choix dépend du problème étudié : un modèle simple peut suffire à étudier les mécanismes ou à effectuer de nombreuses simulations, tandis qu’une analyse détaillée des schémas régionaux, des interactions entre les composants ou des rétroactions du cycle du carbone nécessite des modèles d’une plus grande complexité physique, spatiale et informatique.

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