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Régions polaires, cryosphère et circulation thermohaline : Que nous ont appris les simulations du 4e rapport d'évaluation du giec ?

01 Jan 2007-Vol. 8, Iss: 56, pp 33-39

Abstract: Le 4 e rapport du Groupe intergouvernemental d'experts sur l'evolution du climat (Giec), recemment paru, propose une evaluation remise a jour des elements scientifiques, techniques et socio-economiques permettant une meilleure comprehension du changement climatique, de ses impacts potentiels et des possibilites d'adaptation et de mitigation. Il s'appuie sur des simulations numeriques des climats preindustriels des xx e et XXI e siecles, realisees de maniere concertee par les principaux groupes de recherche sur le climat de par le monde. Nous proposons ici une synthese du travail realise sur ces simulations par la communaute de recherche francaise dans le cadre du projet national Escrime, en montrant en particulier comment, selon ces etudes, la cryosphere, la circulation thermohaline et le climat des regions polaires pourraient evoluer au cours du XXI e siecle dans le cadre du rechauffement climatique.

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Régions polaires, cryosphère et circulation
thermohaline : Que nous ont appris les simulations du 4e
rapport d’évaluation du GIEC ?
David Salas y Melia, C. Genthon, O. Arzel, C. Cassou, Virginie Guemas, G.
Krinner, M. Minvielle, D. Swingedouw
To cite this version:
David Salas y Melia, C. Genthon, O. Arzel, C. Cassou, Virginie Guemas, et al.. Régions polaires,
cryosphère et circulation thermohaline : Que nous ont appris les simulations du 4e rapport d’évaluation
du GIEC ?. La Météorologie, Météo et Climat, 2008, 8 (56), pp.33. �10.4267/2042/18166�. �insu-
03249175�

La Météorologie - n° 56 - février 2007
33
Changement climatique
Régions polaires,
cryosphère et circulation
thermohaline
Que nous ont appris les simulations
du 4
e
rapport d’évaluation du GIEC ?
D. Salas y Mélia
(1)
, C. Genthon
(2)
, O. Arzel
(3)
, C. Cassou
(4)
, V. Guemas
(1)
,
G. Krinner
(2)
, M. Minvielle
(4)
et D. Swingedouw
(5)
(1) Météo-France - Centre national de recherches météorologiques (CNRM)
42, avenue Gaspard-Coriolis - 31057 Toulouse Cedex 1
david.salas@meteo.fr
(2) Laboratoire de glaciologie et géophysique de l’environnement (LGGE)
Saint-Martin-d’Hères
(3) Climate and Environmental Dynamics Laboratory (CEDL)
University of New South Wales - Sydney - Australie
(4) Centre européen de recherche et de formation avancée en calcul scientifique
(Cerfacs) - Toulouse
(5) Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement (LSCE-IPSL)
CNRS-CEA - Gif-sur-Yvette
Résumé
Le 4
e
rapport du Groupe intergouver-
nemental d’experts sur l’évolution du
climat (Giec), récemment paru, pro-
pose une évaluation remise à jour des
éléments scientifiques, techniques et
socio-économiques permettant une
meilleure compréhension du change-
ment climatique, de ses impacts
potentiels et des possibilités d’adap-
tation et de mitigation. Il s’appuie
sur des simulations numériques
des climats préindustriels des
XX
e
et
XXI
e
siècles, réalisées de manière
concertée par les principaux groupes
de recherche sur le climat de par
le monde. Nous proposons ici une
synthèse du travail réalisé sur ces
simulations par la communauté de
recherche française dans le cadre du
projet national Escrime, en montrant
en particulier comment, selon ces
études, la cryosphère, la circulation
thermohaline et le climat des régions
polaires pourraient évoluer au cours
du
XXI
e
siècle dans le cadre du
réchauffement climatique.
Abstract
Polar regions, cryosphere
and thermohaline circulation:
what conclusions can be drawn
from the IPCC Fourth Assessment
Report?
The Intergovernmental Panel on
Climate Change (IPCC) Fourth
Assessment Report recently appea-
red. It proposes an updated assess-
ment of the scientific, technical and
socio-economic information relevant
for the understanding of climate
change, its potential impacts and
options for adaptation and mitiga-
tion. It is based on numerical simula-
tions of preindustrial, 20th and 21st
centuries climates, performed in a
coordinated way by modelling groups
world-wide. This paper presents key
results obtained by the French model-
ling groups by analysing the IPCC
simulations in the framework of the
French national project Escrime.
More specifically, conclusions about
how the cryosphere, the thermohaline
circulation and the climate of polar
regions could be affected during the
21st century by the ongoing global
warming are given.
La place
des régions polaires
dans le système
climatique global
Un ensemble
climatique sensible
et en évolution rapide
Les hautes latitudes des deux hémi-
sphères concentrent une grande partie
de la cryosphère marine et terrestre
(glace de mer, neige, calottes et gla-
ciers) et sont, avec la Méditerranée,
les seules régions du globe où se pro-
duit la convection océanique profonde.
Lorsque cette dernière a lieu, les eaux
océaniques de surface plongent vers le
fond de l’océan. Ce processus de venti-
lation océanique a un impact notable
sur le climat de la planète. Il se produit
notamment en mer du Labrador, en
mers d’Irminger, du Groenland,
d’Islande et de Norvège (figure 1), et
constitue le principal moteur de la cir-
culation thermohaline globale. Celle-ci,
en interagissant avec le Gulf Stream,
donne naissance à la dérive Nord-
Atlantique ; ce courant océanique chaud
est l’un des facteurs expliquant la rela-
tive douceur du climat de l’Europe de
l’Ouest
(1)
.
Au cours du
XX
e
siècle, le climat de la
planète s’est réchauffé de 0,6 ± 0,2 °C
(IPCC, 2001). Dans ce contexte, les
hautes latitudes de l’hémisphère Nord
se réchauffent plus rapidement que les
autres régions : depuis le milieu des
années 1970, les tendances au réchauf-
fement observées atteignent 1 °C par
décennie sur une partie de la Sibérie, le
nord du Canada et l’Alaska. Cette ten-
dance marquée sur les surfaces conti-
nentales s’explique en partie par un
recul de la couverture neigeuse obser-
vée, que les modèles utilisés pour
le 4
e
rapport d’évaluation du Giec
ne reproduisent que partiellement
(Roesch, 2006).
(1) Cependant, la principale raison expliquant la
douceur du climat de la façade ouest de l’Europe
par rapport à celui de l’est de l’Amérique du
Nord est la prédominance d’une circulation
atmosphérique de secteur ouest, soumettant cette
région à l’influence de masses d’air maritime
tempérées par l’océan Atlantique.
Ndlr Cet article est la reprise du chapitre 6 du rapport Escrime (voir la pré-
sentation page 27).

34
La Météorologie - n° 56 - février 2007
Un réchauffement s’était également pro-
duit à l’échelle de l’hémisphère Nord
dans les années 1930 et 1940 ; à son
maximum, il atteignait 0,5 °C en
moyenne globale, mais dans le même
temps l’Arctique s’était réchauffé de
1,7 °C, ce qui a été interprété notamment
par des rétroactions climatiques positives
impliquant la glace de mer (Bengtsson et
al., 2004). En revanche, une telle ampli-
fication du réchauffement climatique n’a
pas été observée en Antarctique au cours
du
XX
e
siècle, sauf dans la région de la
péninsule Antarctique.
Des projections réalisées avec des
modèles climatiques pour le
XXI
e
siècle
indiquent également une forte amplifi-
cation du réchauffement sur l’Arctique
par rapport à la tendance en moyenne
globale, ce que l’on ne retrouve pas en
Antarctique. Des simulations acadé-
miques de doublement du taux de CO
2
atmosphérique réalisées dans le cadre
de l’exercice d’intercomparaison de
modèles CMIP2 ont montré que le
réchauffement en Arctique était de 1,5 à
4,5 fois plus intense qu’en moyenne
globale (Holland and Bitz, 2003). Si
cette amplification est essentiellement
due à une boucle de rétroaction impli-
quant l’albédo de la banquise, sa disper-
sion selon les modèles tient surtout à
l’état initial de la couverture de ban-
quise arctique
(1)
, aux réponses diverses
des nuages, tandis que les neiges et
glaces continentales jouent un rôle de
second ordre. Par ailleurs, des simula-
tions paléoclimatiques du « Dernier
maximum glaciaire » (DMG, il y a
21 000 ans), réalisées dans le cadre de
PMIP2, indiquent également que le
réchauffement entre le DMG et le cli-
mat préindustriel est amplifié dans les
régions polaires par rapport à la
moyenne globale de ce réchauffement
(Masson-Delmotte et al., 2006) et qu’il
existe une corrélation forte entre la tem-
pérature simulée dans les régions po-
laires et la température moyenne du
globe, confirmant que les données
issues de carottes de glace constituent
de bons indicateurs de certaines varia-
tions climatiques globales.
Couplages climatiques
mettant en jeu
la glace de mer
Les couvertures de banquise des deux
hémisphères présentent une variabilité
interannuelle importante, en réponse à
l’action de l’océan et de l’atmosphère.
Si, en Antarctique, aucune tendance
nette de la surface englacée n’est actuel-
lement décelable, en Arctique, sur la
période 1972-2002, l’extension de glace
de mer en moyenne annuelle s’est
réduite de 900 000 km
2
(Cavalieri et al.,
2003). À titre de comparaison, cela
représente près de deux fois la surface de
la France. De plus, ce retrait s’est accé-
léré depuis la fin des années 1990, en
particulier l’été (Stroeve et al., 2005).
Des boucles de rétroaction positive met-
tant en jeu la glace de mer ont été mises
en évidence, à la fois par l’observation et
la modélisation. Par exemple, pendant
l’été, les parcelles d’eau libre au sein du
pack de banquise (chenaux) ont un faible
albédo, absorbent une fraction impor-
tante du rayonnement solaire incident, et
donc se réchauffent. Cela accentue la
fonte latérale des plaques de banquise,
Figure 1 - Situation géographique des principales mers de l’Atlantique Nord.
Navigation dans la banquise au Svalbard, archipel norvégien. (Photo Pierre Taverniers)
(1) Au démarrage de ces simulations, l’épaisseur
moyenne de la banquise arctique diffère selon les
modèles, notamment car il n’existe pas encore de
mesure globale et simultanée de ce paramètre.
Plus la banquise arctique est initialement fine,
plus elle disparaît rapidement à mesure que l’at-
mosphère simulée se réchauffe. Une fois que l’es-
sentiel de la banquise a fondu, le réchauffement
atmosphérique a tendance à s’amplifier par effet
de rétroaction.

La Météorologie - n° 56 - février 2007
35
Glacier Raudfjord au Svalbard. (Photo Pierre Taverniers)
conduisant à une augmentation de l’ab-
sorption de rayonnement solaire par la
surface marine (Maykut et Perovich,
1987). Curry et al. (1995) ont documenté
d’autres boucles de rétroaction positive
mettant en jeu l’albédo de la glace. Ce
paramètre dépend de l’épaisseur du bloc
considéré, des déformations qu’il a
subies et de la nature de sa surface (cou-
verture de neige, présence de mares de
fonte
(1)
…). Il est souligné dans cette
étude que la simulation de la banquise ne
peut être validée uniquement par compa-
raison des épaisseurs modélisées et
observées sur la fin du XX
e
siècle : il faut
également s’assurer que la sensibilité de
l’épaisseur modélisée aux forçages cli-
matiques est correcte, surtout en vue de
réaliser des projections sur le
XXI
e
siècle.
Par exemple, il est probable qu’un
modèle de glace simulant une fonte esti-
vale trop rapide surestime la régression
de la banquise soumise à un réchauffe-
ment du climat.
Par ailleurs, de nombreux travaux ont
suggéré des boucles de rétroaction met-
tant en jeu des interactions entre
l’Arctique et l’Atlantique Nord (par
exemple, Goosse et al., 2002 ; Goosse et
Holland, 2005). Ainsi, une modification
de l’intensité de la dérive Nord-
Atlantique et donc de la quantité de cha-
leur qu’apportent les courants océaniques
à l’Arctique peuvent moduler la position
du bord de glace en Atlantique du Nord-
Est. Réciproquement, comme la banquise
est très peu salée par rapport à l’eau de
mer, lorsqu’elle quitte l’Arctique en lon-
geant l’est du Groenland, sa fonte libère
progressivement de l’eau douce, ce qui
réduit la salinité de l’océan de surface.
Cela peut affecter la circulation océa-
nique, en particulier la circulation
thermohaline et donc l’intensité de la
dérive Nord-Atlantique. Il faut cependant
souligner que ce phénomène ne devrait
pas avoir d’impact climatique sur
l’Europe, le léger effet de refroidissement
qu’il implique étant largement masqué
par le réchauffement climatique.
Couplages climatiques
impliquant
les calottes glaciaires
et les glaciers
Des observations altimétriques ont
montré que le niveau moyen des océans
a augmenté de 37 mm sur la période
1993-2005 (Nerem et al., 2006) ; 40 %
de cette variation s’explique par la fonte
des glaciers et des calottes glaciaires.
Une étude récente montre que l’écoule-
ment des grands glaciers drainant la
calotte groenlandaise s’accélère, ce qui
indique que les projections futures de la
remontée du niveau des mers sont vrai-
semblablement sous-estimées (Rignot
et Kanagaratnam, 2006). De plus,
d’autres études basées à la fois sur des
résultats de modélisation et sur des
observations altimétriques (Krabill et
al., 2004) révèlent une perte de masse
importante survenue au cours de la der-
nière décennie (Schutz et al., 2005 ;
Zwally et al., 2005). Cet afflux d’eau
supplémentaire vers l’océan pourrait
réduire la convection océanique pro-
fonde en mer du Labrador, avec pour
conséquence l’affaiblissement de la cir-
culation thermohaline.
(1) La glace de mer est souvent recouverte de
neige, ce qui limite ses échanges thermiques avec
l’atmosphère et réduit ainsi sa croissance hiver-
nale. En été, sous l’effet du soleil et de tempéra-
tures moins froides, la glace de mer et la neige
fondent, formant des mares de fonte sur la ban-
quise. Ces mares ont un albédo plus faible que
celui de la glace nue et absorbent plus de rayon-
nement solaire que la glace ou la neige, ce qui
favorise la fonte, donc l’extension des mares
superficielles. Il s’agit donc encore là d’une
rétroaction positive.

36
La Météorologie - n° 56 - février 2007
Cryosphère
et circulation
thermohaline :
projections
pour le XXI
e
siècle
Cette partie donne un rapide aperçu de
la modélisation de l’état actuel des diffé-
rentes composantes de la cryosphère
(neige, glace de mer, glaciers et calottes)
et de leurs évolutions respectives au
cours du
XXI
e
siècle simulées par les
modèles climatiques utilisés pour le
4
e
rapport d’évaluation du Giec.
Évolution de la couverture
de glace de mer
Sur les vingt modèles de banquise utilisés
dans le cadre des récentes simulations du
Giec, onze comportent une discrétisation
verticale des plaques de glace, sept pren-
nent en compte des catégories d’épais-
seurs
(1)
et dix-sept utilisent une dynamique
de glace avancée, ce qui représente un net
progrès en modélisation de banquise par
rapport au précédent rapport du Giec.
Tout en gardant à l’esprit que la simula-
tion de la glace dépend fortement des for-
çages atmosphériques et océaniques, ces
progrès sont visibles à l’examen des éten-
dues de glace simulées sur la période
1981-2000 par les différents modèles,
même si les écarts aux observations res-
tent parfois importants en Antarctique
(Arzel et al., 2006a). En revanche, bien
que l’on dispose de relativement peu
d’observations, il est très probable que
l’épaisseur de la banquise sur la même
période ne soit généralement pas correc-
tement simulée (répartition géographique
et épaisseur moyenne). Par conséquent, si
de nombreux modèles simulent un océan
Arctique libre de glaces à la fin de l’été
pour la fin du
XXI
e
siècle (Arzel et al.,
2006a), la date à laquelle ce phénomène
pourrait se produire pour la première fois
reste très incertaine. Enfin, les modèles
semblent s’accorder sur le fait qu’en
Arctique, le volume moyen annuel de la
banquise devrait décroître deux fois plus
rapidement que sa surface (tableau 1).
La fonte massive de la banquise arctique
pourrait entraîner un changement de
régime climatique, comme cela est ob-
servé dans la simulation SRES-A1B uti-
lisant IPSL-CM4 (le modèle climatique
couplé global du CNRS/IPSL). Dans
cette expérience, le débit océanique des
eaux quittant l’Arctique par le détroit de
Fram
(2)
augmente fortement entre 1990 et
2010 (figure 2). L’océan Arctique étant
moins salé que l’océan Atlantique, ce
transport de masses d’eau, s’additionnant
au transport de banquise évoqué précé-
demment, équivaut à une importante
source d’eau douce pour le nord de
l’Atlantique. Selon Arzel et al. (2006b),
une rétroaction positive du système
océan-glace de mer-atmosphère dans le
secteur des mers de Groenland-Islande-
Norvège (GIN)-Barents serait responsa-
ble de cette évolution.
Ce processus est initié par le recul de la
banquise en mer de Barents, en lien avec
le réchauffement du climat de l’Arctique
durant la fin du XX
e
siècle. Il s’ensuit une
amplification locale de ce réchauffement,
impliquant une diminution de la pression
moyenne en mers de GIN et de Barents,
donc une circulation atmosphérique
moyenne plus dépressionnaire dans cette
région. Par conséquent, les vents moyens
à l’ouest de cette zone (détroit de Fram),
de secteur nord, tendent à se renforcer. À
l’inverse, sur le flanc est de la structure
dépressionnaire, les vents de secteur
sud se renforcent. Par effet de friction,
cette intensification des vents induit une
augmentation des transports de masses
d’eaux océaniques et une dérive accrue
des glaces le long des côtes groenlan-
daises. Vers l’année 2080, le modèle
présente une seconde transition à l’issue
de laquelle le débit au détroit de Fram
retrouve sa faible valeur initiale. Une
lente désalinisation des mers de GIN est
invoquée pour expliquer cette transition.
Évolution des bilans
de masse des calottes
glaciaires et des glaciers
L’évolution du bilan de masse
(3)
de la
calotte glaciaire antarctique et de son
impact sur le niveau des océans a été
estimée pour la fin du XXI
e
siècle en
régionalisant des simulations clima-
tiques réalisées avec le modèle IPSL-
CM4 au moyen d’une version zoomée
de LMDZ à 60 km de résolution hori-
zontale. Une simulation utilisant direc-
tement les conditions aux limites
océaniques (température de la surface
océanique et couverture de glace) four-
nies par IPSL-CM4 pour l’époque
actuelle (1981-2000) et la fin du
XXI
e
siècle (2081-2100) indique que le
bilan de masse annuel de la calotte
Antarctique augmenterait de 32 mm au
cours du XXI
e
siècle (figure 3), ce qui
équivaut à une diminution du niveau de
la mer de 1,2 mm/an (Krinner et al.,
2006a). En effet, cette augmentation de
Arctique Antarctique
Mars Septembre AM Mars Septembre AM
Étendue de glace -15,4 -61,7 -27,7 -49 -19,1 -24
Volume de glace -47,8 -78,9 -58,8 -58,1 -27,4 -33,7
Figure 2 - Séries temporelles du transport océanique (gauche) et de l’export d’eau douce liquide (droite) au détroit
de Fram, modélisés par IPSL-CM4, en Sverdrups (1Sv = 10
6
m
3
/s). Une moyenne glissante de cinq ans a été
appliquée. Les traits fins et épais représentent respectivement les séries temporelles associées à une expérience
préindustrielle (contrôle) et à une simulation du XX
e
siècle suivie d’un scénario SRES-A1B sur le XXI
e
siècle.
(1) La discrétisation verticale des plaques de
glace permet de mieux estimer la conduction de la
chaleur dans ce milieu et d’estimer plus finement
la croissance de la glace en fonction des condi-
tions atmosphériques. La prise en compte de plu-
sieurs catégories d’épaisseurs de banquise est
souhaitable dans un modèle, la croissance d’un
bloc de glace dépendant fortement de son épais-
seur : il est donc important de représenter correc-
tement les hétérogénéités d’un pack pour mieux
modéliser l’évolution de son épaisseur moyenne.
(2) Détroit séparant le Groenland du Spitzberg.
(3) Différence entre la masse de neige accumulée
sur un glacier pendant une période donnée et la
perte de masse liée à la fonte de la neige dans le
même temps.
Tableau 1 - Moyenne multimodèles des changements relatifs d’étendue et de volume de glace de mer (%) entre
les périodes 2081-2100 et 1981-2000 pour les mois de mars, septembre, et en moyenne annuelle (AM) dans les
deux hémisphères.
Sv
Sv
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
1900 1950 2000 2050 2100
3.5
0.2
0.15
0.1
0.05
0
1900 1950 2000 2050 2100

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TL;DR: The structure of assemblages of dung beetles as well as their species composition and diversity were compared between two sites on both sides of the Mediterranean Sea and it was demonstrated that autumn-winter was the most constraining season in FR.
Abstract: Quantification of the species richness and diversity is important when comparing sites; these variables are influenced by local and regional factors. The structure of assemblages of dung beetles as well as their species composition and diversity were compared between two sites on both sides of the Mediterranean Sea (France FR and Tunisia TN). From a total of 132 traps, 15,778 specimens were collected belonging to 86 species (46 in FR vs. 40 in TN). Species composition varied highly between FR and TN (only 10 species in common). The temporal occurrence of Aphodiidae and Scarabaeidae showed different patterns due to several factors: phenology of species, geographical distribution and local ecological requirements. When quantifying the beta diversity, the turnover of species was for almost cases higher within the same season than between seasons. Moreover, seasonal turnover was different at both sites. Evenness and rank-abundance analyses demonstrated that autumn-winter was the most constraining sea...

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  • ...…gure the conditions that could be expected most northerly (France) in the case of global warming, with a rise in average temperature between 1.8 and 3.4 °C by 2100 according to the IPCC scenarios and more precipitation in winter, but lower in summer (Randall et al. 2007; Salas y Mélia et al. 2007)....

    [...]


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