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La Dynamique non-lin éaire du climat : Variabilité interne et forçage

La Dynamique non-lin éaire du climat : Variabilité interne et forçage. Michael Ghil Ecole Normale Supérieure, Paris, et University of California, Los Angeles. Pour plus d’infos, veuillez consulter ces sites : http://www.environnement.ens.fr/ http://e2c2.ipsl.jussieu.fr/

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La Dynamique non-lin éaire du climat : Variabilité interne et forçage

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  1. La Dynamique non-linéaire du climat :Variabilité interne et forçage Michael Ghil Ecole Normale Supérieure, Paris, et University of California, Los Angeles Pour plus d’infos, veuillez consulter ces sites : http://www.environnement.ens.fr/ http://e2c2.ipsl.jussieu.fr/ http://www.atmos.ucla.edu/tcd/

  2. Motivation et plan • Le système climatique est fortement non linéaire et très complexe. • Sa « compréhension prédictive » doit s’appuyer sur la modélisation physique du système (et chimique, biologique, géologique, etc.), mais aussi sur l’analyse mathématique des modèles ainsi obtenus. • L’approche de la « modélisation hiérarchique » permet de donner leur poids respectifs à la compréhension et au réalisme des modèles. • Cette approche facilite l’évaluation des prognostics (prévisions ?) basé(e)s sur ces modèles. • Aller - retour entre modèles conceptuels et détaillés et entre modèles et données.

  3. Le réchauffement global et ses retombées socio-économiques Les températures montent: • Et les impacts ? • Comment faciliter l’adaptation aux et la réduction des effets ? Source : IPCC/Giec (2001), TAR, WGI, SPM

  4. Les GES montent Nous y sommes pour quelque chose, n’est-ce pas ? Mais combien au juste ? IPCC/Giec (2001)

  5. La vie n’est pas si simple que ça : tout doit être simplifié autant que possible, mais pas plus ! (A. Einstein) Que faire? (V.I. Lenine, D.K. Campbell) Ghil, M., 2002: Natural climate variability, in Encyclopedia of Global Environmental Change, T. Munn (Ed.), Vol. 1, Wiley

  6. Spectre composite de la variabilité du climat Traitement standard des bandes de fréquence : 1. Hautes fréquences – bruit blanc (ou ‘‘coloré’’) 2. Basses fréquences –évolution lente de paramètres D’après Ghil (2001, EGEC), tiré de Mitchell* (1976) * ‘‘No known source of deterministic internal variability’’ ** 27 ans – Brier (1968, Rev Geophys.)

  7. F. Bretherton's "horrendogram" of Earth System Science Earth System Science Overview, NASA Advisory Council, 1986

  8. Modèles du climat (atmosphériques & couplés) : Une classification • Temps • stationnaire, (quasi-)équilibre • transitoire, variabilité du climat • Espace • 0-D (dimension 0) • 1-D • vertical • latitudinal • 2-D • horizontal • plan méridien • 3-D, MCGs (Modèle de Circulation Générale, GCM) • horizontal • plan méridien • Modèles simples et intermédiaires 2-D & 3-D • Couplage • Partiel • unidirectionnel • asynchrone, hybride • Complet Hiérarchie : du plus simple au plus élaboré, comparaison itérative avec les données Ri Ro Modèle Radiatif-Convectif (RCM) Modèle de Bilan Energétique (EBM)

  9. Bilan radiatif Rin Rout L’équilibre à long terme entre le rayonnement incident (solaire, ultra-violet et visible) et le rayonnement émis vers l’espace (terrestre, infra-rouge) domine le climat. Refs. [1] Scribe égyptien (3000 av. J.C.) : ‘’Le Soleil chauffe la Terre‘’, Pierre de Rosette, ll. 13-17. [2] Hérodote (484 - cca. 425 av. J.C.)

  10. Bilan radiatif - Moyenne annuelle Solar Constant 4 22 3 L’équilibre à long terme entre le rayonnement entrant (solaire, ultra-violet et visible) et le rayonnement sortant (terrestre, infra-rouge) domine le climat. S.C. = 1370 Wm-2± 2 Wm-2 Constante solaire de (1370  2) Wm–2; tous les flux radiatifs comportent des incertitudes du même ordre de grandeur que les effets des GES.

  11. Modèle EBM 0-D Ri= Q0 [1 – (T)],Ro = m(T)T4 ;  - l’albédo (réflectivité), m - l’effet de serre

  12. Diagramme de bifurcation EBM 1-D : Stable Instable Stable Sensibilité du climat  0,01 (1 K pour 1 % de Q0)

  13. Sensibilité du climat à une variation de l’insolation dans un MCG (GCM) ‘‘As stated in the Introduction, it is not, however, reasonable to conclude that the present results are more reliable than the results from the one-dimensional studies mentioned above simply because our model treats the effect of transport explicitly rather than by parameterization.’’ * ‘‘Nevertheless, it seems to be significant that both the one-dimensional and three-dimensional models yield qualitatively similar results in many respects.’’ * Area-mean temperatures for various model levels, as well as the mass-weighted mean temperature of the model atmosphere. Vertical scale has been adjusted for each case separately; units are in K. * D’après Wetherald et Manabe (1975),J. Atmos. Sci., 32, 2044-2059.

  14. Réponse du système climatique en quasi-équilibre Oscillations : Amplitude = 0,1°C en T pour 0,1% en Q0 Phase = 1-10 milliers d’années de retard par rapport au forçage

  15. , % espèces 18O,% espèces (~ T, V) (~ T, V) Carottes glaciaires profondeur Carottes marines Carottes continentales (lacustres, etc…) Cours M1. Dynamique du climat(ENS) Les glaciations du Quaternaire Une pierre d’achoppement pour notre approche 2. Avancéesthéoriques – météorologie dynamique, dynamique du climat – océanographie physique & (biogéo)chimique – glaciologie – géodynamique – théorie des systèmes dynamiques, mécanique céleste 1. Données – géochimiques, micropaléontologiques – séries temporelles, sections

  16. Le dilemme du cycle de 100 ka& autres mystères 1) Les données géologiques 2) Le forçage • orbital • bruit("météo") A expliquer : • Le picdominant autour de100 ka • Le bruit de fondcontinu – la majorité de la variance • Des pics de haute fréquence – dus aux réchauffements soudains et à des pics prononcés (Younger Dryas, événements d’Heinrich)

  17. Le CO2 atmosphérique et les températures Qui force qui et quand ? Le CO2 et la Ts augmentent en phase, mais les températures baissent bien avant le CO2 : couplage non linéaire ?

  18. Mécanisme de base des oscillations stable instable stable dT/dt - m Rétroaction glace-albédo Equilibres multiples; Budyko (1968), Sellers (1969) Rétroaction température-précipitation Variabilité interne : oscillations libres Källen, Crafoord & Ghil (1979)

  19. Oscillations libres dans un modèle couplé EBM-ISM (ISM = Ice-Sheet Model, Modèle de calotte glaciaire) Oscillations auto-entretenues à forçage constant * Température globale Masse globale de glace dT/dt –  dm/dt  p α – albédo, m - masse de la calotte, p – précipitation (nette), T - température (globale) p – précipitation dT/dt – m dm/dt  T rétroaction glace-albédo rétroaction précipitation-température N.B. : Le déphasage entre T et ℓ (m) est essentiel à l’oscillation ; la période est de 6 à 7000 ans sur une large gamme des paramètres. * Tiré de Ghil et Le Treut (1981, J. Geophys. Res.) et Källén, Crafoord & Ghil (1979, J. Atmos. Sci.)

  20. Rétroaction charge - accumulation A,a : Zone d’accumulation A’, a’ : Zone d’ablation Zone passive taux a a’ aire A A’ Isotherme 0°C Pente s = σ x 10-3 Lithosphère (élastique) MSL (Mean Sea Level) Manteau supérieur (visqueux) Manteau inférieur Eq. Pôle dm/dt p dp/dt  – m Equilibres multiples(*) — Weertman (1976), Källén et al. (1979), Birchfield et al. (1981), Oerlemans (1982), Pollard (1983) Oscillations autoentretenues — Birchfield & Grumbine (1985), Peltier & Hyde (1984). (*)dV/dt = aA - a’A’  = a/a’ Couplage avec un modèle de climat oscillatoire — Ghil & Le Treut (1981), Le Treut & Ghil (1983), Le Treut et al. (1988).

  21. Bruit de fond rouge continu => Irrégularité Forçage orbital complet III V I IV II 1) Période moyenne dominante  100 ka 2) Terminaisons rapides : Younger Dryas (‘‘pics’’) 3) Irrégularité * * * * * * * * * * Simulation modèle Terminaisons rapides Basses fréquences Hautes fréquences 109 10.4 14.7 41 échelle logarithmique échelle linéaire ‘‘Carotte glaciaire’’ ‘‘Carotte marine’’ Différence de tonsbasses fréquences Somme de tonshautes fréquences Combinaisons de tons Tiré de Le Treut et al. (1988), J. Geophys. Res., 93D, 9365-9383.

  22. Quelques conclusions et/ou questions Que savons-nous ? • Il fait plus chaud, et il fera plus chaud encore. • Nous y sommes pour quelque chose. • Donc, il faut agir au mieux de nos connaissances ! Que savons-nous moins bien ? • Comment, au juste, fonctionne le système climatique ? • Comment interagissent la variabilité naturelle du climat et le forçage anthropique ? Que faire ? • Mieux comprendre le système et ses forçages. • Mieux comprendre les effets sur l’économie et la société, et vice-versa. • Séparer le discours politique et médiatique de la recherche.

  23. Un peu de bibliographie Ghil, M., R. Benzi, and G. Parisi (Eds.), 1985: Turbulence and Predictability in Geophysical Fluid Dynamics and Climate Dynamics, North-Holland,, 449 pp. Ghil, M., and S. Childress, 1987: Topics in Geophysical Fluid Dynamics: Atmospheric Dynamics, Dynamo Theory and Climate Dynamics, Springer-Verlag, 485 pp. Ghil, M., 1994: Cryothermodynamics: The chaotic dynamics of paleoclimate, Physica D, 77, 130–159. Ghil, M., 2001: Hilbert problems for the geosciences in the 21st century, Nonlin. Proc. Geophys.,8, 211–222. Saltzman, B., 2001: Dynamical Paleoclimatology: Generalized Theory of Global Climate Change, 350 pp. (Academic Press). Ghil, M., and A. W. Robertson, 2002: "Waves" vs. "particles" in the atmosphere's phase space: A pathway to long-range forecasting? Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99 (Suppl. 1), 2493–2500. Dijkstra, H. A., and M. Ghil, 2005: Low-frequency variability of the large-scale ocean circulation: A dynamical systems approach, Rev. Geophys.,43, RG3002, doi:10.1029/2002RG000122. Dijkstra, H.A., 2005: Nonlinear Physical Oceanography : A Dynamical Systems Approach to the Large-Scale Ocean Circulation and El Niño, 2nd edn., Springer, 532 pp. Ghil, M., and E. Simonnet, 2007: Nonlinear Climate Theory, Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK/London/New York, in preparation (approx. 450 pp.).

  24. Un peu plus de bibliographie Benzi, R., G. Parisi, A. Sutera and A. Vulpiani, 1982: Stochastic resonance in climatic change. Tellus, 34, 10–16. Nicolis, C., 1982: Stochastic aspects of climatic transitions – response to a periodic forcing. Tellus, 34, 1–9. Le Treut, H., J. Portes, J. Jouzel, and M. Ghil, 1988: Isotopic modeling of climatic oscillations: implications for a comparative study of marine and ice-core records, J. Geophys. Res., 93, 9365–9383. Pestiaux, P., I. van der Mersch, A. Berger and J. C. Duplessy, 1988: Paleo-climatic variability at frequencies ranging from 1 cycle per 104 years to 1 cycle per 103 years: Evidence for nonlinear behavior of the climate system. Climatic Change, 12, 9–37. Yiou, P., M. Ghil, J. Jouzel, D. Paillard and R. Vautard, 1994: Nonlinear variability of the climatic system, from singular and power spectra of late Quaternary records, Climate Dyn., 9, 371–389. Paillard, D., 1998: The timing of Pleistocene glaciations from a simple multiple-state climate model, Nature,391 (6665), 378–381. Gildor, H., and E. Tziperman, A sea-ice climate-switch mechanism for the 100 kyr glacial cycles, J. Geophys. Res., 106, 9117–9133, 2001. Sayag, R., E. Tziperman, and M. Ghil, 2004: Rapid switch-like sea ice growth and land ice–sea ice hysteresis, Paleoceanogr., 19, doi:10.1029/2003PA000946, PA1021.

  25. Diapos de réserve

  26. The “hockey stick” & beyond La “crosse de hockey” du 3e rapport du Giec est une version typiquement simplifiée de connaissances bien plus détaillées et fiables. National Research Council, 2006: Surface Temperature Reconstructions For the Last 2000 Years. National Academies Press, Washington, DC, 144 pp. http://www.nap.edu/openbook.php? record_id=11676&page=2

  27. (- 30) (- 30) (30 + 22 = 52) (67) (45) (+98) Valeurs en rouge: cf. figure précédente. Bilan énergétique de l’atmosphère terrestre (- 113) D’après Kuo-Nan Liou, 1980: An Introduction to Atmospheric Radiation (fig. 8.19) (33) (3) (+45) (+26) (+21) (+22) (+47) (+53) (4) (+24) (24)

  28. LA CIRCULATION ATMOSPHERIQUE MOYENNE – Version allégée Rayonnement solaire Rayonnement IR fenêtre poêle Equateur Pôle Circulation de Hadley (directe ) Schéma idéalisée de la circulation générale de l’atmosphère, en coupe. * La circulation moyenne observée comporte les cellules de Hadley, Ferrel et polaire, et bien d’autres structures. Schéma de la circulation générale de l’atmosphère, en perspective. * * D’après Ghil et Childress (1987), Chap. 4

  29. Équations du modèle Ghil - Le Treut Rayonnement IR Rayonnement solaire absorbé Q(1-α)  – fraction de la surface de la Terre occupée par les continents dT/dt ~ –  dm/dt ~ p Oscillation due au couplage entre la rétroaction glace-albédoet la rétroaction précipitation-température  = a/a’ – ratio accumulation/ablation

  30. Courtoisie de P. Yiou

  31. Le Glacier des Bossons, au pied du Mont Blanc Les glaciers de vallée tempérés ont une dynamique compliquée, due au bilan hydrologique + à l’écoulement. Les calottes polaires d’autant plus !

  32. CO2 et Ts sur 400 ka Les mêmes décalages se manifestent sur ces 4 cycles glaciaires …

  33. En opposition de phase En phase Etendue de la glace de mer Arctique Etendue de la glace dans l’Océan Arctique à la fin du mois d’août (en haut) et déviation des températures estivales par rapport à la moyenne 1940-1960 (en bas). La courbe en gras représente la moyenne sur 5 ans. * * Tiré de Barry (1983).

  34. Confrontations des combinaisons de ton avec les données. Tiré de Yiou et al. (1994)

  35. Prévision et prévisibilité 1) Le plus facile à prévoir : phénomènes constants, e. g., le rayon de la Terre R – besoin d’un seul nombre. 2) Un peu plus compliqué : phénomènes périodiques e. g., le lever du soleil, marées – besoin de trois nombres : période, amplitude et phase. 3) Plus dur encore : phénomènes multi-périodiques e. g., mécanique céleste – besoin d’un nombre important (mais fini) de nombres. 4) Le plus dur : phénomènes apériodiques e. g., convection thermique, météo - besoin d’une infinité de nombres.

  36. Observations peu fréquentes et localisées Erreurs expérimentales Interprétation incorrecte des observations Compréhension théorique biaisée Modèles trop simplifiés Amélioration de détails insignifiants Controverse Modèles numériques Directives hiérarchiques Erreurs de programmation Physique irréaliste Confusion Outils de diagnostique primaires Entêtement dans l’erreur Accord fortuit entre théorie et observation Publication

  37. Relations Soleil - Climat • C’est pas nouveau: v. 1000 papiers (en 1978 !) et Marcus et al. (1998, GRL). • Corrélation n’est pas raison. • Ça demande une étude sérieuse de la physique solaire.

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