Climatologie Slide Chapitre 7 PDF

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Chap. 7 Climatologie et agroclimatologieCentre de recherches sur la terre et le climat Georges Lemaître Hugues Goosse Université catholique de Louvain Earth and Life Institute Tel : +32 10 47 32 98/+32 10 47 32 96/ +32 10 47 32 97 (secretary)1348 Louvain-Place Pasteur, 3la-Neuve e-mail: hugues@uclou...

Description

LBIR1328: Climatologie et hydrologie appliquée à l'agronomie et l'environnement

Chap. 7 Climatologie et agroclimatologie Hugues Goosse Centre de recherches sur la terre et le climat Georges Lemaître Earth and Life Institute Université catholique de Louvain Place Pasteur, 3 1348 Louvain-la-Neuve Tel : +32 10 47 32 98/+32 10 47 32 96/ +32 10 47 32 97 (secretary) e-mail: [email protected]

7.1 Réponse du système climatique à une perturbation

Climatologie Base : Bilan radiatif Transport d’énergie par l’atmosphère et l’océan Echanges avec la surface Interactions impliquant la cryosphère Cycle du carbone 2

7.1 Réponse du système climatique Bilan énergétique de la terre

Estimation du bilan énergétique annuel et global de la terre en W m-2. Source: Hartmann et al. (2014). 3

7.1 Réponse du système climatique Cycle global du carbone

Estimation du cycle global du carbone montrant les flux en PgC par an: les valeurs préindustrielles (correspondant à 1750) sont en noir et les valeurs anthropiques (années 2000-2009) en rouge. Les stocks des différents réservoirs sont en PgC. Source: Ciais et al. (2013).

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7.1 Réponse du système climatique Notion de forçage et de rétroaction (feedback)

En situation d’équilibre, l’absorption d’énergie en provenance du Soleil est compensée par l’émission terrestre. Si cet état est perturbé, un nouvel état du système est trouvé après une phase d’ajustement.

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7.1 Réponse du système climatique Notion de forçage et de rétroaction (feedback) Si la Terre se comportait comme un corps noir homogène:

Q  0Ts  0 0 a une valeur d’environ -3.8 W m-2 K-1 (linéarisation de l’équation de Stefan Boltzmann ).

Pour un doublement de la concentration en CO2 dans l’atmosphère Q = 3.7 W m-2 Ts~1°C

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7.1 Réponse du système climatique Notion de forçage et de rétroaction (feedback)

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7.1 Réponse du système climatique Notion de forçage et de rétroaction (feedback) En présence de rétroactions:

 f  0

Q   f Ts  0

Pour un doublement de la concentration en CO2 dans l’atmosphère

Ts  

Q

f



3.7

f

= Sensibilité climatique

2.5C  Ts  4C Estimation la plus probable TS=3°C

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7.1 Réponse du système climatique Rétroaction liée à l’humidité du sol Deux régimes pour l’évapotranspiration (perte combinée en eau par transpiration et par évaporation directe de l’eau du sol et des surface libres): 1. Sol sec: l'humidité du sol constitue le facteur limitant 2. Sol humide: l'évapotranspiration n’est limitée que par l'énergie requise pour faire passer l'eau de l'état liquide à l'état vapeur. Fw

Représentation des régimes d'évaporation en fonction de l'humidité du sol. F w,max est le maximum du flux d’eau F w lorsque l'humidité du sol n'est plus limitante (adapté Seneviratne et al., 2010).

Fw,max

q PFP

Humidité du sol

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7.1 Réponse du système climatique Rétroaction liée à l’humidité du sol Répartition des deux régimes à l’échelle du globe:

Corrélation (rP,E) entre l'évapotranspiration (notée E sur ce graphique) et les précipitations P et corrélation (rRg,E) entre l'évapotranspiration et le bilan radiatif net (notée Rg sur ce graphique). Les zones où la corrélation avec les précipitations est grande sont en rouge, celles où la corrélation avec le bilan radiatif net est grande sont en bleu. Ces résultats sont basés sur des modèles contraints par des 10 observations (Seneviratne et al., 2010).

7.1 Réponse du système climatique Rétroaction liée à l’humidité du sol

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7.2 Les modèles climatiques Un modèle climatique est un représentation mathématique du système climatique basée sur les principes physiques, chimiques et biologiques.

www.climate.be/textbook

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7.3 Le climat du dernier siècle Augmentation de la température au cours du dernier siècle

Température globale en moyenne annuelle par rapport à la période de référence 1901-2000. Source: https://www.ncdc.noaa.gov/cag/

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7.3 Le climat du dernier siècle Augmentation de la température au cours du dernier siècle

Température en Europe en moyenne annuelle par rapport à la période de référence 19012000. Source: https://www.ncdc.noaa.gov/cag/

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7.3 Le climat du dernier siècle Augmentation de la température au cours du dernier siècle

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7.3 Le climat du dernier siècle La tendance sur les précipitations en moyenne annuelle est faible.

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7.3 Le climat du dernier siècle Recul de la plupart des glaciers au cours du dernier siècle

Glacier de Grindelwald (à gauche) en 1858 (1856?) (photo: F. V. de Martens , Alpine Club Library, London) et (à droite) en 2013 (photo: S. U. Nussbaumer). Source : Zumbühl and Nussbaumer, 2018: Little Ice Age glacier history of the Central and Western Alps from pictorial documents. Cuadernos de Investigación Geográfica, 44(1), 115–136. 17

7.3 Le climat du dernier siècle Forçages anthropiques et naturels Concentration atmosphérique en CO2 basée sur des mesures dans les carottes de glace

Source: Frank et al. 2010

Source: https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/

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7.3 Le climat du dernier siècle Le CO2 est le deuxième gaz à effet de serre le plus important. Son augmentation entraine un réchauffement.

Concentration en CO2 dans l’atmosphère mesurée à l’observatoire de Mauna Loa

Source: https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/

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7.3 Le climat du dernier siècle

Les changements climatiques passés sont en accord avec la théorie. Evolution de la température globale au cours des 2000 dernières années

Source: IPCC 2021

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7.3 Le climat du dernier siècle Détection et attribution d’un changement climatique

L’augmentation observée des concentrations de gaz à effet de serre d’origine anthropique est responsable de l’essentiel de la hausse des températures moyennes mondiales depuis le milieu du 20ème siècle • Le réchauffement observé est compatible avec la réponse attendue aux forçages anthropiques. • Le réchauffement est incompatible avec les autres explications proposées. La détection et l’attribution des changements sont basés sur la comparaison entre une estimation de la réponse aux forçages et les observations, en tenant compte des incertitudes et de la variabilité naturelle du climat. 21

7.3 Le climat du dernier siècle Détection et attribution d’un changement climatique Comparaison entre les changements de température observés à l’échelle globale avec ceux simulés par les modèles climatiques utilisant les forçages naturels et anthropiques.

Source: IPCC 2021 22

7.3 Le climat du dernier siècle Détection et attribution d’un changement climatique Contributions de différents facteurs au réchauffement global.

Source: IPCC 2021 23

7.3 Le climat du dernier siècle

Les observations récentes sont en accord avec les prévisions réalisées depuis 40 ans .

Une prévision réalisée en 1981

Source: Hansen et al. 1981. Geert Jan van Oldenborgh and Rein Haarsma, KNMI, http://www.realclimate.org

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7.3 Le climat du dernier siècle

Les observations récentes sont en accord avec les prévisions réalisées depuis 40 ans . Une prévision réalisée en 1981: Comparaison avec les observations

Source: Hansen et al. 1981. Geert Jan van Oldenborgh and Rein Haarsma, KNMI, http://www.realclimate.org

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7.4 Prévisions à court et moyen terme Information à court terme: prévisions météorologiques Les prévisions météorologiques sont basées sur un problème aux conditions initiales. La première étape est donc d’estimer les conditions à un temps t à partir d’observations. Exemples de méthodes d’observations utiles dans les prévisions météorologiques

Source ECMWF 2009, http://mathsci.ucd.ie/met/msc/Met-Labs/ECMWF-EPS.pdf

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7.4 Prévisions à court et moyen terme Sensibilité aux conditions initiales.

La prédictabilité est limitée et elle dépend de l’état du système 27

7.4 Prévisions à court et moyen terme Prévisions d’ensemble. Elles sont basées sur un groupe de simulations réalisées avec un modèle partant de conditions initiales légèrement différentes afin de mesurer l’incertitude sur les prévisions. On obtient une distribution de probabilité basée sur un ensemble de prévisions déterministes.

Source ECMWF 2009, http://mathsci.ucd.ie/met/msc/Met-Labs/ECMWF-EPS.pdf

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7.4 Prévisions à court et moyen terme Information à court terme: prévisions météorologiques La qualité des prévisions diminue avec le temps: l’erreur qui est au départ celle des conditions initiales augmente avec l’échéance de la prévision. Mesure de la qualité des prévisions à une échéance de 3, 5, 7 et 10 jours calculée sur les zones extratropicales des deux hémisphères. La qualité est mesurée par la corrélation entre la hauteur géopotentielle à 500 hPa prévue et l’analyse faite plus tard à partir d’observations. Source : Bauer et al. (2015).

Source ECMWF 2009, http://mathsci.ucd.ie/met/msc/Met-Labs/ECMWF-EPS.pdf

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7.4 Prévisions à court et moyen terme Information à moyen terme: de la saison à la décennie • Des informations de type agrométéorologique peuvent être déduites des observations passées et des conditions moyennes (exemple: date prévue de la récolte basée sur les températures et précipitations des derniers mois). • La fiabilité des prévisions saisonnières est en générale assez faible aux moyennes latitudes (mais elles peuvent être utiles dans certains cas). • La fiabilité est plus élevée dans les régions tropicales mais les informations sont de nature différente par rapport aux prévisions météorologiques.

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7.4 Prévisions à court et moyen terme Information à moyen terme Prévision de l’indice ENSO (indice Niño 3.4) .

Prévision de l’indice ENSO (Niño 3.4) à partir de modèles dynamiques et statistiques. Source : IRI (2015), http://iri.columbia.edu/ourexpertise/climate/forecasts/enso/curre nt/.

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7.4 Prévisions à court et moyen terme Information à moyen terme Prévision de indice ENSO (indice Niño 3.4) .

Prévision de l’indice ENSO (Niño 3.4) à partir de modèles dynamiques. Les prévisions individuelles sont en gris, les moyennes d’ensemble en rouge. Source: Lheureux et al. (2017) Observing and Predicting the 2015/16 El Niño. Bulletin of the American Meteorological Society, 98,1363-1382, DOI:10.1175/BAMS-D-16-0009.1

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7.5 Projections climatiques Information à long terme (> 10 ans) • Il s’agit d’un problème aux conditions limites lié à des changements dans les conditions extérieures (comme le cycle des saisons est prévisible en se basant sur la position de la terre par rapport au soleil). • On n’a plus une prévision d’un évènement précis comme pour les prévisions météorologiques (on ne peut prévoir le temps d’un jour particulier dans 10 ans) mais des informations statistiques sur les conditions futures, comme par exemple les changements de température moyenne sur 10 ans ou la probabilité de certains évènements.

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7.5 Projections climatiques Scenarios d’émissions et de concentrations

Les changements climatiques futurs dépendront de l’évolution des forçages mais cette évolution est incertaine. Différentes hypothèses sont donc étudiées, conduisant à une gamme de scénarios d’émissions ou/et de concentrations des gaz à effet de serre, des concentrations des différents types d’aérosols. Les simulations forcées suivant ces scenarios sont souvent appelées projections.

Représentation schématique de la réalisation d’un scénario (source, Moss et al. 2007)

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7.5 Projections climatiques Scenarios d’émissions et de concentrations Concentration et émission de CO2 pour 4 scenarios RCP.

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7.5 Projections climatiques Scenarios d’émissions et de concentrations Concentration et émission de CO2 pour les scénarios Shared Socioeconomic Pathways (SSP).

Sources: Rihai et al. (2016), O’Neill et al. (2016). 36

7.5 Projections climatiques Scenarios pour l’occupation des sols Changement des surfaces de culture et de forêt pour les scénarios SSP.

Sources: Rihai et al. (2016), O’Neill et al. (2016). 37

7.5 Projections climatiques Projections pour le 21ème siècle

Réchauffement global en surface (par rapport à 1850-1900) pour 5 scenarios SSP. Les lignes sont les estimations moyennes, les zones colorées représentent la gamme d’incertitude à 5– 95%. Source: IPCC (2021). 38

7.5 Projections climatiques Projections pour le 21ème siècle

Incertitude relative sur la température de surface (moyennée sur 10 ans) associée à différentes sources: l’incertitude sur le scénario (vert), l’incertitude des modèles (bleu), l’incertitude relative à la variabilité naturelle du climat (orange). Source: Hawkins and Sutton (2009) 39

7.5 Projections climatiques Projections pour le 21ème siècle Température de surface

Moyenne des changements de température annuelle correspondants à un réchauffement global de 2° et de 4°C simulés par plusieurs modèles (°C). Source IPCC (2021). 40

7.5 Projections climatiques Projections pour le 21ème siècle Précipitations

Moyenne des changements de précipitation annuelle correspondants à un réchauffement global de 2° et de 4°C simulés par plusieurs modèles (%). Source IPCC (2021). 41

7.5 Projections climatiques Projections pour le 21ème siècle Humidité du sol

Moyenne des changements d’humidité du sol en moyenne annuelle correspondants à un réchauffement global de 2° et de 4°C simulés par plusieurs modèles (en déviation standard). Source IPCC (2021).

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7.5 Projections climatiques Projections pour le 21ème siècle : évènements extrêmes

Représentation schématique de la manière dont un changement de l’état moyen peut affecter la probabilité d’évènement extrêmes. Source, Solomon et al. (2007). 43

7.5 Projections climatiques Projections pour le 21ème siècle : évènements extrêmes

Changements du maximum de température journalière pour un réchauffement global de 2°C (en °C). Source IPCC (2021), Fig. 11.11. 44

7.5 Projections climatiques Evènements extrêmes: indices de sécheresse Différents types de sécheresse: sécheresse météorologique; sécheresse hydrologique sécheresse agricole

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7.5 Projections climatiques Projections pour le 21ème siècle : évènements extrêmes

Changements du maximum de précipitation journalière pour un réchauffement global de 2°C (en %). Source IPCC (2021), Fig. 11.16. 46

7.5 Projections climatiques Projections pour le 21ème siècle : évènements extrêmes

Contribution des processus thermodynamiques et dynamiques aux changements du maximum de précipitation journalière. Source IPCC (2021), Fig. 1 box 11.1.

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7.5 Projections climatiques Projections pour le 21ème siècle : évènements extrêmes

Changements de la fréquence des sécheresses décennales (mesurées au niveau de l’humidité du sol entre juin et août) pour un réchauffement de 4°C. Source IPCC (2021). Fig. 11.19 48

7.5 Projections climatiques Changements du niveau des mers

Contributions à l’élévation du niveau des mers pour la période 19712018. Source, IPCC (2021) Cross-Chapter 9.1, Figure 1 49

7.5 Projections climatiques Changements du niveau des mers

Projections des changements du niveau des mers par rapport à 19952014 pour 5 scénarios différents. Source IPCC (2021). Fig. TS4. 50

7.6 Impacts des changements climatiques  Les impacts des changements climatiques seront nombreux et varieront d’une région à l’autre.  Comme les communautés sont adaptées au climat actuel, la plupart des changements auront un effet néfaste.  L’influence du climat s’ajoute à d’autres problèmes environnementaux et l’impact final dépend des mesures prises pour limiter l’ampleur des changements (mitigation) et atténuer (adaptation) leurs conséquences. Dans la suite, nous allons discuter quelques exemples relatifs à la disponibilité en eau, aux écosystèmes, à la production agricole, au niveau des mers et à la santé. 51

7.6 Impacts des changements climatiques Ecosystèmes:

Déplacement des aires de répartitions des plantes et animaux Araignées

Coléoptères terrestres

Papillons

Sauterelles

Décalages de latitude observés pour les limites nord de l'aire de répartition des espèces au sein de quatre groupes taxonomiques, étudiés pendant plus de 25 ans en Grande-Bretagne. I-Ching Chen et al., 2011, Science 333:1024-1026

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7.6 Impacts des changements climatiques Ecosystèmes Pourcentage des espèces présentant un risque majeur d’extinction en fonction de l’augmentation de la température.

Chaque disque indique une étude différente, la taille du disque étant proportionnelle au nombre d’espèces étudiés. Source : Urban (2015).

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7.6 Impacts des changements climatiques Ecosystèmes Le risque de feu de forêt va augmenter dans la plupart des régions d’Europe (Kovats et al. 2014)

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7.6 Impacts des changements climatiques Production agricole

Variation moyenne du rendement du blé pour une augmentation de la température globale de 2.5°C fournie par trois modèles de culture forcés par le modèle climatique HadGEM-ES. L’estimation est donnée en pourcentage du rendement historique moyen (moyenne 1980– 55 2010), en considérant une absence d’irrigation. Source : Ostberg et al. (2018).

7.6 Impacts des changements climatiques

Estimation des changements de la production agricole en fonction de la température pour différentes cultures pour les régions tempérées et tropicales en fonction de l’augmentation de la température basée sur 66 études différentes. Les études sont séparées suivant qu’elles incluent (bleu) ou non (orange) des politiques d’adaptation. Source : Challinor et al. (2015). 56

7.6 Impacts des changements climatiques Modélisation des changements des pertes de rendement dues aux insectes nuisibles dans un climat plus chaud de 2°C.

Les résultats présentent l’augmentation (pourcentage) des pertes de rendement dues aux ravageurs, à cause de changements métaboliques et démographiques induits par l’augmentation de température pour le blé (A) et (B) le riz. Source : A. Deutsch e t al. (2018). Increase in crop losses to insect pests in a warming climate, Science 361, 916-919. 57

7.6 Impacts des changements climatiques Niveau des mers Changement de la fréquence des inondations entre 2010 et 2100 en raison de l'élévation régionale relative du niveau de la mer projetée selon le scénario RCP4.5

https://www.eea.europa. eu/data-andmaps/figures/increasein-the-frequency-of-1

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7.6 Impacts des changements climatiques Niveau des mers

Situation actuelle 59

7.6 Impacts des changements climatiques Niveau des mers

Impact d’une hausse du niveau des mers à l’échelle globale 60

7.6 Impacts des changements climatiques Niveau des mers L’élévation du niveau des mers aura un impact majeurs sur les îles basses dont l’altitude est au maximum de quelques...