pascale braconnot lsce/ipsl, france
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Les leçons du passé
Pascale BraconnotLSCE/IPSL, France
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Plan• Introduction : changements climatiques • Un exemple : simulations du climat glaciaire • Notion de sensibilité climatique et de
rétroaction• Forçages et rétroactions : glaciaire/futur • Changement de circulation et précipitations
tropicales : glaciaire / futur • Hydrologie et mousoon à l’holocène moyen • La rétroaction de la végétation• Tendance sur l’Holocène : mousson africaine • Conclusion
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Introduction
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Projections : différentes incertitude
Barre d’erreur estimée à partir de 39 simulations (modèles) : tient compte des différences entre modèles, de la nature chaotique du climat
Hypothèses d’évolution des facteurs socio-économiques
= réponse du climat à différents types de « forçages »
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Mise au regard du passé
Pre-Quaternaire
Glacial-interglacialcycles
Quaternaire
Projections AR5
Anthropocene
transitionEocène-
Oligocène
Dernier Maximum Glaciaire
Evenements abruptsHolocène moyen : « Sahara vert »
Eoceneoptimum
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Les simulations paleoclimatiques : • Pour mieux comprendre les mécanismes
et les rétroactions• Pour évaluer les modèles et la capacité à
reproduire un climat différent de l’actuel. – La sensibilité climatique (amplitude du
changement de température en fonction du forçage)
– Hydrologie et les liens avec l’environnement
– variabilité multi décennale et millénaire
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Les constantes de temps en jeu
Echanges biogéochimiques
CO2, CH4, O3
1 mois - 109 ans
Lithosphère104-109 ans
Biosphère1 mois -100 ans
1 mois -10 ansOcéan
10 - 1000 ans
Atmosphère1 jour - 10 ans
Echanges d’énergie
H20H20
Echanges d’eau
Glace1 mois - 10 ans
Calotte103-106 ans
•Imbrication des échelles de temps et d’espace : de la météorologie (seconde à heure) au millénaire et au delà
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• Différents niveaux de validation et d’évaluation • Processus
• Climatologie
• Variabilité climatique
• Caractérisation des rétroactions
• Climats passés
Facteurs affectant les résultats des simulations
Protocole expérimental
incertitude des forçages
Variabilité interne
paramètres
Contenu
modèles
dynamique, physique,
biogéochimique
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Periodes representatives de différents forçages
Dernier maximum glaciaire ( 21000 ans BP)
Holocène moyen(6000 and BP)
Dernier millénaire
Preindustriel
Trace gases
Ice Sheet
Gas traces
CO2 : 185 ppmCH4 : 350 ppb…
CO2 : 280 ppmCH4 : 650 ppb…
Configuration orbitale
Evolution gaz à effet de serre, constante solaire volcanisme, paramètres orbitaux, utilisation des terres
référence
Bra
co
nn
ot
et
al.
NC
C a
dd
itio
na
lm
ate
ria
l, 2
01
2
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Le climat glaciaire
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• Reconstructions climatiques disponibles – Données marines: surface,
fond, traceurs, circulation…
– Données continentales: e.g. pollens
– Données glaciologiques pour le Groenland et l’Antarctique
Un climat bien documenté
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Ce que nous apprennent les données
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Bartlein et al. (2011)
Des synthèses
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Expériences numériques
• Simulations de référence :
climat pré-industriel
• Simulations perturbées :
climat du dernier maximum
glaciaire
Modèle numérique du climat
Conditions initiales :
TempératureHumidité (salinité)
Courants
Conditions aux limites :
Ex : rayonnement solaire incident
Gaz à effet de serre
Résultats:
Température, humidité (salinité),
courants au cours du temps + diagnostics
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Les ingrédients
Cf. http://pmip3.lsce.ipsl.fr
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Température de l’air : PI - DMG
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Comparaison aux données
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(°C)
LGM / RCP8.5 : quelques similitudes
Glaciaire à présent
Présent à RCP8.5
CNRM-CERFACS IPSL
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• Modèles ont tendance à – Surestimer le
refroidissement tropical
– Sous estimer le refroidissement des moyennes latitudes
– Sous estimer le gradient équateur/pôle
Données
modèles
Braconnot et al. 2012
Contraste terre/mer
Ex Tropics
∆T océan
∆T c
ontin
ent
En glaciaire ∆T
con
tinen
t
∆T océan
Comparaison aux projections futures
LGM
2xCO2 4xCO2
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Polar amplification
21st siècle
DMG(il y a 21 000 ans)
Pliocène(Il y a 3 million d’années )
Eocène(54 million d’années)
AR5 WG1 Fig5.5
OCEAN CONTINENT
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Notion de sensibilitéclimatique et rétroactions
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Comment les rétroactions « amplifient »-elles le forçage?
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Bilan énergétique
Solaire incidentπR2S0
Infrarouge émis4πR2σΤe
4Solaire réfléchi
απR2S0
Équilibre énergétique: flux infrarouge émis = flux solaire absorbé σTe
4 = ¼ (1-α) S0 Te: Température d'équilibre radiatif On observe par satellite que a = 0, 3 Te = 255K (-18°C)
La température plus élevée, de 15°C en moyenne globale est due à l’effet de serre
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Bilan énergétique : perturbations
• La température globale a un sens / bilan énergétique. Elle est utilisée comme un « estimateur » des perturbations climatiques
• Comprendre les variations de température globale demande d’étudier – Les variations de l’irradiance solaire (S0)
• Paramètres orbitaux, activité solaire
– Les variation de l’albédo (réflectivité) planétaire (α) : • Couleur de la surface (type de surface, végétation, nuages , composition atmosphère (aérosols)
…
– Les variation de l’effet de serre (ε): • Gaz à effet de serre (dont vapeur d’eau), nuages,
εσTe4 = ¼ (1-α) S0
Te et Ts sont liées par l’équilibre radiatif/convectif
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La sensibilité et rétroactions climatiques • Sensibilité clilmatique à l’équilibre (ECS)
– Changement de température pour un doublement de CO2
• Sensibilité climatique transitoire (TCS) : – Changement de température au doublement de
CO2 (simulations 1% CO2/an)
• Rétroactions climatiques :– � � �λ��
– ∑+=x
xp λλλ
Schéma équivalent
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•Rétroactions :
albédo
neige αT
•Rétroactions :
albédo
neige αT neige αT
Boucle de rétroaction
Vapeur d’eau
T εVapeur d’eau
Vapeur d’eau
T εVapeur d’eau T εVapeur d’eau
(α)
A l’équilibre 2xCO2 � ∆T ~ +1.2°CAvec rétroaction vapeur eau : ∆T ~ 2.4°C
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Forçages et rétroactions
Dernier maximum glaciaire et futur
![Page 28: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/28.jpg)
Forçages LGM : estimation
IPCC WG1 Chapter 6, 2007
Calottes et niveau marin : forçage lié à l’albédo de surface
Les différents termes contribuant au forçage SW et LW
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Incertitudes liées aux reconstruction des calottes
dtas PMIP3/PMIP2
Calottes : PMIP2 : ICE5G (Pelletier 2005)PMIP3 : moyenne ensemble de 3 reconstructions
Forçage en moyenne plus fort avec la calotte PMIP3 / PMIP2Simulations PMIP3 un peu plus froides
![Page 30: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/30.jpg)
Ordres de grandeurs
Ordre de grandeur glaciaire / Pre-industriel
![Page 31: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/31.jpg)
Les rétroactions
AR5 WG1 Fig5.5
![Page 32: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/32.jpg)
LGM/futur?
AR5 WG1 Fig5.5
Paleo ne donne pas une estimation directe de la sensibilité climatique (CO2)
Mais il est possible d’évaluer les rétroactions et plus généralement les résultats des modèles
![Page 33: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/33.jpg)
Circulation et précipitationstropicales
Glaciaires / futur
![Page 34: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/34.jpg)
Lien circulation : Walker et Hadley
LGM : 21 ka BP
Différence au préindustriel: moyenne d’ensemble de 6 modèles
2xCO2
Di Nezio et al. 2011
Circulation océan Pacifique
![Page 35: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/35.jpg)
Humidité et précipitation : tropiques
• La vapeur d’eau suit Clausius-Clapeyron • Les précipitations ont un taux plus faible (lien avec le bilan
énergétique)• Taux très proches entre DMG et CO2
Di Nezio et al. 2011
DMG
Futur
FuturDMG
![Page 36: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/36.jpg)
Hydrology et mousson
Holocène moyen, il y a 6000 ans
![Page 37: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/37.jpg)
Il y a 6000 ans …
Période du « Sahara vert »lPluies annuelles 6000 ans BP – Actuel
Points = reconstruction à partir de données de lac, pollen et macro restes
Carte = moyenne d’ensemble de 17 modèles
![Page 38: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/38.jpg)
Milankovitvh Medal EGU 2009
Milutin Milankovitch1924
41 000 ans
100 000 ans
41 000 ans
19 000 et 23 000 ans
Astronomie and paleoclimats
![Page 39: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/39.jpg)
Configuration orbitale et changement de saisonnalité
Location of the Vernal equinox
![Page 40: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/40.jpg)
Succès et difficultés des simulations
IPCC AR5 chapter 9
![Page 41: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/41.jpg)
Le verdicte des données 60º to 180º E
v
Indice d’humidité Température du mois le plus chaud
20º W to 40º EPrécipitation annuelles
Assèchement continental trop fort � questions / réchauffement et assèchement futur (uncertitude humidité des sols)
Sous estimation des précipitation en Afrique de l’Ouest : Sous estimation gradients N/S pour l’actuel �localisation ITCZ trop sud ; rétroactions climatiques sous estimées
Harrison et al. in press
![Page 42: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/42.jpg)
Afrique : classification des précipitations
![Page 43: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/43.jpg)
Mais des mécanismes robustesPrecipitation = f(ω500)
Regime distribution Efficacité des précipitations
• 6k : changements dominés par changement de régimes� rôle advection de grand échelle
• Poids des biais de la simulation de controle(précipitation dans les régimes) Zheng and Braconnot, 2013
![Page 44: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/44.jpg)
Forçages et rétroactions (ex Juillet
∆(Swnet) = forçage + rétroaction = (1 – α0) ∆SWi –∆α SWi6
Au sommet de l’atmosphère
IPSL_CM1
HadCM2
![Page 45: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/45.jpg)
Rétroaction de la végétation
Holocène moyen, il y a 6000 ans
![Page 46: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/46.jpg)
Utiliser les nouvelles possibilités
Modélisation interactive du cycle du carbone
Modélisation interactive du couvert végétal
Modélisation interactive de la biogéochimie marine
From Kageyama et al. , clim dyn, 2012b
![Page 47: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/47.jpg)
La rétroaction de la végétation
Fraction de grille couverte pare la forêt ou les herbes : MH-PI, (modèle) IPSL_CM5
Impact sur l’albédo de surface et le recyclage de l’eau par les plantes
Changement de végétation simulé à -6000 ans
Kageyama et al. 2013
![Page 48: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/48.jpg)
Amplitude de la perturbation radiative
• Le changement de végétation au Sahel il y a 6000 ans amplifie la réponse de la mousson
• Réponse << nuages ou effet de serre lié à la vapeur d’eau (~20 W/m2)
• Sous-estimé?
![Page 49: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/49.jpg)
Tendances sur l’Holocène
Vers les longues simulations transitoires avec les modèles utilisés
pour les projections climatiques
![Page 50: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/50.jpg)
Hydrology : evolution en Afrique/Arabie
Lézine et al. 2011; Lezine and Bassinot. 2014
• Maximum de - 1000 à –7000 ans
• Retard par rapport à l’insolation au début de l’Holocène
• Retrait plus rapide des lacs• Différences temporelles
entre l’Afrique et l’Arabieperiod.
![Page 51: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/51.jpg)
Rôle de la précession: changements plus importants entre 6ka and 4 ka qu’entre 9.5k et 6k
Flux eau et calotte : déplacement vers le S de la ZCIT et assèchement au Sahel
51
Position de la ZCIT en Afrique de l’Ouest
Braconnot et al. 2007b
Lézine et al. 2011; Braconnot et al. 2008 ; Marzin and Braconnot, 2009, Marzin et al. 2013,
Une suite de simulations : modèle IPSL
![Page 52: Pascale Braconnot LSCE/IPSL, France](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062601/62b4856475a9760b0929e33d/html5/thumbnails/52.jpg)
Pour finir
– Les climats passés offrent de nombreux cas d’étude
– La comparaison de différentes périodes climatiques et la comparaison aux données permet de donner des estimations de la sensibilité climatiques (LGM, MH, Eemien, Pliocène)
– Besoin d’affiner la représentation du cycle du carbone et de la végétation (rétroactions)
– Incertitudes / résultats robustes et compréhension des mécanisme
– Étude de la variabilité interannuelle à multi décennale est possible (enregistrements à haute résolution)
– Simulations transitoires vont se généraliser : approche dynamique du climat