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DOSSIER SUR LE SYSTEME CLIMATIQUE


Sommaire du dossier : Les autres dossiers :
- le système climatique - le climat actuel
- la variabilité climatique - quel climat futur ?
- la modélisation du climat - quelles conséquences ?

Sources : bibliographie : David Pollack (Météo France) conférence sur le changement climatique. Les supports illustratifs sont issus de Météo France, de l'ENM (Serge Planton, David Salas) ainsi que des rapports du GIEC.


Le système climatique

Le climat vient du mot Grec Klima qui se réfère à l'inclinaison de l'axe de rotation de la terre. Aristote fût le premier à découper le globe en zones climatiques selon l'inclinaison des rayons du soleil par rapport à l'horizon. De nos jours, le climat se définit à partir de mesures et statistiques sur les évènements météos pour une période de 30 ans.
De nombreux paramètres interagissent et façonnent ainsi notre climat. La figure ci-dessous à gauche (fig.1) résume le système climatique. En bleu sont représentés les facteurs naturels et en rouge les différents forçages. Celle de droite (fig.2) présente les échanges énergétiques caractéristiques et leurs durées.


système climatique

échanges climatiques

figure 1: les facteurs de forçage du climat figure 2: temps caractéristiques des échanges d'énergie

Les phénomènes en jeu ont des durées très variables et ont donc des effets quasi instantanés pour certains et à très long terme pour d'autres. Ces échanges (fig.3) permettent de bien comprendre l'inertie du système climatique. Ainsi, les efforts réalisés maintenant pour limiter l'émission de gaz à effet de serre n'auront pas d'influence notable avant plusieurs décennies.

L'énergie reçue par la planète est maximale au niveau de l'équateur puis transportée vers les pôles pour équilibrer le bilan énergétique de la planète; une partie est véhiculée par l'atmosphère et l'autre partie par l'océan (fig.4).


transport énergie

courants marins

figure 3: rayonnement net et transport d'énergie figure 4: circulation thermohaline mondiale

On peut schématiser les zones climatiques sans rentrer dans le détail de la façon suivante : la zone tropicale s'étendant de part et d'autre de l'équateur jusqu'à une latitude de 30°, les zones arctique et antartique et les zones de moyennes latitudes, pour l'hémisphère nord par exemple, les latitudes supérieures à 30° (Maroc). Dans ces zones de moyennes latitudes, le climat est relativement tempéré, notamment en remontant vers le nord et est difficilement prévisible, de nombreux phénomènes rentrant en jeu. Pour la France, ce sont essentiellement l'anticyclone des Açores l'été et le courant Jet (courant perturbé d'altitude d'est en ouest) l'hiver qui pilotent les grandes lignes du temps qu'il fait selon leur position.

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La variabilité climatique

Souvenez-vous! Il y a 21000 ans, la planète connaissait son dernier maximum glaciaire et les glaces recouvraient la Scandinavie et s'arrêtaient aux portes de la France (fig.5). Le climat varie au fil des siècles et la terre a tantôt été baignée par une moite torpeur, tantôt figée sous un froid glacial; ces 2 extrêmes étant ponctués de longs épisodes plus ou moins tempérés. De nombreux paramètres jouent sur le climat et le façonnent au long des années.
C'est d'abord une histoire d'astronomie. Ainsi, les paramètres orbitaux de la terre influent sur son climat, que ce soient la précession (changement de direction de l'axe de rotation), l'inclinaison de ce même axe et également l'excentricité de son orbite autour du soleil (fig.6).


age glaciaire

paramètres orbitaux

figure 5: dernier maximum glaciaire figure 6: les paramètres orbitaux (Milankovitch, 1920)

Toujours en lien avec l'astronomie, l'activité solaire a elle aussi son mot à dire. Le soleil connait des cycles d'environ 11 ans au cours desquels son activité varie, certains cycles peuvent aussi se caractériser par un minimum ou un maximum "absolu" d'activité. On sait reconstituer cette activité car elle est directement correlée au nombre de tâches solaires que l'on peut observer de la terre (fig.7). L'influence du soleil est bien rélle mais son incidence sur la variabilité du climat demeure cependant limitée.
Plus proche de nous, le volcanisme joue également un rôle. Les éruptions pouvant être très violentes et dégager beaucoup de particules et de fumées dans l'atmosphère, l'influence directe sur le climat peut être importante mais de courte durée (fig.8).


var solaire

volcanisme

figure 7: la variabilité solaire figure 8: évolution des températures due au volcanisme

Toujours interne à la planète, la modification de certains courants marins peuvent sur de courtes périodes modifier conséquemment le climat. C'est notamment le cas du phénomène El Nino qui est décrit en détail ICI .
Il y a également la NAO (North Atlantic Oscillation) qui caractérise un fort gradient de pressions présent sur l'atlantique nord. Selon, la position relative des hautes et des basses pressions, la NAO sera dite positive ou négative. En cas de NAO positive (fig.9), il y a un fort courant d'ouest générant de multiples dépressions vers l'Europe du nord. En cas de NAO négative (fig.10), le rail dépressionnaire est moins intense et passe plus au sud.

NAO +

NAO -

figure 9: cas de la NAO + figure 10: cas de la NAO -

Pour terminer ce petit tour des principaux paramètres jouant sur la variabilité climatique, parlons de l'effet de serre qui est à la fois un phénomène naturel mais également anthropique (dû aux activités humaines). La figure 11 ci-dessous explique simplement le phénomène. Pour plus de détails, consulter le dossier "le climat actuel" dont l'introduction présente en détail l'effet de serre.


NAO +

figure 11: effet de serre

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La modélisation du climat

Le comportement de l'atmosphère est régi par les lois de la physique (thermodynamique, mécanique...) qu'il convient d'appliquer afin de calculer l'évolution des variables décrivant le climat. Il faut aussi tenir compte d'autres composantes du système climatique (chimiques et biologiques) qui interagissent avec l'atmosphère. Certaines lois sont parfaitement maitrisées mais d'autres sont encore mal connues. Le nombre de paramètres et de lois étant très important, seule une approche numérique peut permettre la résolution des équations mathématiques qui découlent des lois physiques. Cette résolution nécessite également la connaissance des valeurs initiales issues des observations dans le monde entier (fig.12).
Pour les prévisions à court terme, on établit alors des modèles dans lesquels on injecte les observations à l'instant t. A partir de ces données, le modèle propose une prévision à l'instant t+1. On reprend alors les conditions initiales en les faisant légèrement variées de façon à obtenir tout un jeu de scénario de prévisions à t+1. La convergence d'un grand nombre de ces scénarios permet alors de réaliser une prévision.
Une des principales difficultés de la modélisation réside en la réalisation du maillage 3D. Il faut discrétiser l'espace et associer à chaque zone discrète un jeu de variables météos (vent, température, pression,...), de variables géographiques (hydrologie, relief, végétation,...) et de variables maritimes (salinité, profondeur,...) (fig. 13). Evidemment, plus le maillage est fin et plus les prévisions seront précises et fiables mais le nombre de calculs nécessaires augmente alors de manière exponentielle. Aussi, on n'utilisera pas le même maillage pour une prévision à 3 jours que pour une prévision à 24h que l'on désire très fiable.
De même, les modèles climatiques dont le but est de réaliser des projections du climat futur utiliseront des maillages plus grossiers, les buts étant très sensiblement différents.

modèle

maillage

figure 12: cycle de modélisation figure 13: maillage tri-dimensionnel

Certains processus (rayonnement, certaines précipitations et nuages ...) se font à des échelles inférieures à la taille des mailles des modèles. On utilise alors des paramétrisations supplémentaires qui permettent de traiter ces processus. On parle de modèles couplés qui sont très utiles pour établir des projections climatiques futures. Un modèle climatique classique, qui couple un modèle atmosphérique continental à un modèle océanique, met en oeuvre plusieurs dizaines de millions de variables décrivant l'état du climat à chaque pas de calcul. Cela nécessite donc des calculateurs de plus en plus puissants (fig.14).


calculateurs

figure 14: croissance de la capacité de calcul

flop = opération par seconde



Il est aisé de valider des modèles de prévisions car il suffit de comparer leurs prévisions aux observations. Pour des modèles climatiques, cela n'est évidemment plus possible dans la même échelle de temps. Pour des prévisions saisonnières, il faut donc attendre que la saison soit écoulée pour valider le modèle. Pour des prévisions à échéance plus lointaine (climat prévu en 2050, par exemple), on fait tourner le modèle sur des années passées. Par exemple, on rentre les observations et paramètres nécessaires des années antérieures à 1980 et on réalise une projection pour l'an 2000; on pourra alors comparer les résultats obtenus avec les observations et valider ou non le modèle.

Consulter le dossier suivant : "Le climat actuel"

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