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Les modèles climatiques sont des outils essentiels pour comprendre et prédire le comportement du système climatique terrestre. Ils représentent mathématiquement les processus physiques, chimiques et biologiques qui régissent le climat de notre planète.
La construction des modèles climatiques est un processus complexe qui implique la représentation numérique des différentes composantes du système climatique : l’atmosphère, les océans, la surface terrestre, la cryosphère et la biosphère.
Ces modèles sont basés sur les lois fondamentales de la physique, telles que les équations de la dynamique des fluides et de la thermodynamique. Ils intègrent également des paramétrisations pour représenter les processus qui se produisent à des échelles trop petites pour être résolues explicitement, comme la formation des nuages ou les interactions entre l’océan et l’atmosphère.
Les modèles climatiques sont généralement organisés en grilles tridimensionnelles couvrant la planète, avec une résolution spatiale qui peut varier de quelques centaines de kilomètres à quelques kilomètres pour les modèles les plus avancés.
La résolution temporelle peut aller de quelques minutes à plusieurs heures, selon la complexité du modèle et la durée de la simulation.
Figure 1.7.1 : Schéma d’un modèle climatique couplé en trois dimensions. De Wikipedia.org.
Les modèles les plus complets, appelés modèles du système Terre, intègrent non seulement les processus physiques mais aussi les cycles biogéochimiques comme le cycle du carbone, ainsi que les interactions entre le climat et la végétation. Ces modèles nécessitent une puissance de calcul considérable et sont généralement exécutés sur des superordinateurs.
L’évaluation des modèles climatiques est une étape cruciale pour s’assurer de leur fiabilité et de leur capacité à reproduire le climat observé. Cette évaluation se fait à travers plusieurs approches. Tout d’abord, les modèles sont testés sur leur capacité à reproduire le climat actuel et ses variations saisonnières et interannuelles. Ils sont également évalués sur leur capacité à simuler les changements climatiques passés, comme les périodes glaciaires et interglaciaires.
Figure 1.7. 2 : Illustrations des surfaces terrestres (couleurs vertes et brunes) et du fond marin (bleu) à une résolution fine (en haut ; ~10 km) et grossière (en bas ; ~100 km). Notez que les altitudes et les profondeurs sont fortement exagérées par rapport aux distances horizontales. De ucar.edu.
Une autre méthode d’évaluation consiste à comparer les résultats de différents modèles entre eux et avec les observations. Les projets d’intercomparaison de modèles, comme le Coupled Model Intercomparison Project (CMIP), permettent de comparer systématiquement les résultats de nombreux modèles développés par différentes institutions à travers le monde.
L’évaluation des modèles permet d’identifier leurs forces et leurs faiblesses, et guide les efforts d’amélioration continue. Il est important de noter qu’aucun modèle n’est parfait, et que la confiance dans les projections climatiques repose sur la convergence des résultats de multiples modèles et leur cohérence avec notre compréhension théorique du système climatique.
Figure 1.7. 7 : Changements dans le contenu thermique des océans simulés par les modèles CMIP5 (lignes fines), et leur moyenne multi-modèles (ligne épaisse rouge), comparés aux observations (ligne épaisse noire). De ipcc.ch.
Les applications des modèles climatiques sont nombreuses et variées. Leur utilisation principale est la projection des changements climatiques futurs sous différents scénarios d’émissions de gaz à effet de serre. Ces projections sont essentielles pour informer les politiques d’atténuation et d’adaptation au changement climatique.
Les modèles sont également utilisés pour étudier les mécanismes du système climatique, comme l’influence des aérosols sur le climat ou les rétroactions entre le climat et le cycle du carbone. Ils permettent d’explorer des scénarios hypothétiques, comme l’impact d’une réduction rapide des émissions de CO2 ou les effets potentiels de techniques de géo-ingénierie.
À des échelles de temps plus courtes, les modèles climatiques sont utilisés pour les prévisions saisonnières et décennales, qui sont importantes pour la planification dans des secteurs comme l’agriculture, la gestion de l’eau ou l’énergie.
Les modèles sont également cruciaux pour attribuer les changements climatiques observés à des causes naturelles ou anthropiques. Cette attribution est essentielle pour comprendre l’influence humaine sur le climat et pour informer les politiques de réduction des émissions de gaz à effet de serre.
Figure 1.7.8 : Comparaison des simulations de modèles climatiques avec les changements de température de surface observés. Les panneaux de gauche montrent les séries temporelles des températures de surface moyennes mondiales de la génération actuelle de modèles climatiques (CMIP5 ; les lignes fines jaunes montrent les modèles individuels, la ligne épaisse rouge montre la moyenne des modèles multiples) et de la génération précédente (CMIP3 ; lignes bleues, principalement masquées par les lignes jaunes superposées). Deux ensembles de simulations sont montrés. Les panneaux supérieurs montrent les modèles forcés uniquement par des forcages naturels, les panneaux inférieurs montrent les modèles forcés à la fois par des forcages naturels et humains. De ipcc.ch. Il s’agit d’une figure clé.
Enfin, les modèles climatiques sont de plus en plus couplés à des modèles d’impact pour évaluer les conséquences potentielles du changement climatique sur les écosystèmes, l’agriculture, les ressources en eau, la santé humaine et l’économie.
En conclusion, les modèles climatiques sont des outils indispensables pour notre compréhension du climat et notre capacité à anticiper ses changements futurs. Bien qu’ils comportent des incertitudes, leur amélioration continue et leur utilisation judicieuse fournissent des informations précieuses pour guider les décisions sociétales face au défi du changement climatique.
Climate models are essential tools for understanding and predicting the behavior of the Earth’s climate system. They mathematically represent the physical, chemical and biological processes that govern our planet’s climate.
The construction of climate models is a complex process involving the numerical representation of the various components of the climate system: the atmosphere, the oceans, the earth’s surface, the cryosphere and the biosphere.
These models are based on the fundamental laws of physics, such as the equations of fluid dynamics and thermodynamics. They also incorporate parameterizations to represent processes that occur at scales too small to be resolved explicitly, such as cloud formation or ocean-atmosphere interactions.
Climate models are generally organized in three-dimensional grids covering the planet, with a spatial resolution that can vary from a few hundred kilometers to a few kilometers for the most advanced models.
Temporal resolution can range from a few minutes to several hours, depending on the complexity of the model and the duration of the simulation.
Figure 1.7.1: Diagram of a three-dimensional coupled climate model. From Wikipedia.org.
The most comprehensive models, known as Earth system models, integrate not only physical processes, but also biogeochemical cycles such as the carbon cycle, as well as interactions between climate and vegetation. These models require considerable computing power and are generally run on supercomputers.
The evaluation of climate models is a crucial step in ensuring their reliability and ability to reproduce the observed climate. There are several approaches to this evaluation. Firstly, models are tested on their ability to reproduce the current climate and its seasonal and interannual variations. They are also assessed on their ability to simulate past climate changes, such as glacial and interglacial periods.
Figure 1.7. 2: Illustrations of land surfaces (green and brown) and seabed (blue) at fine (top; ~10 km) and coarse (bottom; ~100 km) resolution. Note that altitudes and depths are greatly exaggerated in relation to horizontal distances. From ucar.edu.
Another method of evaluation is to compare the results of different models with each other and with observations. Model intercomparison projects, such as the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP), systematically compare the results of numerous models developed by different institutions around the world.
The evaluation of models identifies their strengths and weaknesses, and guides continuous improvement efforts. It is important to note that no model is perfect, and that confidence in climate projections relies on the convergence of results from multiple models and their consistency with our theoretical understanding of the climate system.
Figure 1.7. 7: Changes in ocean heat content simulated by CMIP5 models (thin lines), and their multi-model mean (thick red line), compared with observations (thick black line). From ipcc.ch.
The applications of climate models are many and varied. Their main use is to project future climate change under different greenhouse gas emission scenarios. These projections are essential to inform climate change mitigation and adaptation policies.
Models are also used to study climate system mechanisms, such as the influence of aerosols on climate, or feedbacks between climate and the carbon cycle. They can be used to explore hypothetical scenarios, such as the impact of a rapid reduction in CO2 emissions or the potential effects of geo-engineering techniques.
On shorter time scales, climate models are used for seasonal and decadal forecasts, which are important for planning in sectors such as agriculture, water management or energy.
Models are also crucial for attributing observed climate changes to natural or anthropogenic causes. This attribution is essential for understanding human influence on climate, and for informing policies to reduce greenhouse gas emissions.
Figure 1.7.8: Comparison of climate model simulations with observed surface temperature changes. The left panels show the time series of global average surface temperatures of the current generation of climate models (CMIP5; yellow thin lines show individual models, red thick line shows the average of multiple models) and the previous generation (CMIP3; blue lines, mostly masked by superimposed yellow lines). Two sets of simulations are shown. The upper panels show models forced only by natural forcages, the lower panels show models forced by both natural and human forcages. From ipcc.ch. This is a key figure.
Finally, climate models are increasingly being coupled with impact models to assess the potential impacts of climate change on ecosystems, agriculture, water resources, human health and the economy.
In conclusion, climate models are essential tools for our understanding of the climate and our ability to anticipate future changes. Although they are uncertain, their continuous improvement and judicious use provide valuable information to guide societal decisions in the face of the challenge of climate change.