Les modèles climatiques simulent le système climatique de la Terre. Ils permettent de mieux comprendre les processus du système climatique, de reproduire les changements climatiques passés dans l'histoire de la Terre et de prévoir les évolutions futures possibles. Mais comment fonctionnent-ils exactement ?
Chaque jour, nous recevons de la part de nos lecteurs et lectrices de nombreuses questions sur le climat et le changement climatique. Dans cette série, nous reprenons les questions les plus fréquemment posées et y répondons.
Partie 1 : Comment prévoir l’évolution du climat sur 100 ans
Les modèles climatiques simulent le système climatique de la Terre en se basant sur des lois scientifiques telles que la conservation de la masse, de l'impulsion et de l'énergie. Leur origine est proche de celle des modèles de prévision météorologique numérique, mais les questions posées par les modèles climatiques sont différentes de celles posées par la prévision météorologique. Les modèles climatiques tentent de reproduire les processus et les interactions entre les différentes composantes du système climatique de la Terre, c'est-à-dire par exemple entre l'atmosphère, les océans et les masses de glace.
Outre la description de l’évolution possible du climat sur la base de scénarios d'émissions (appelés aussi scénarios climatiques), les modèles climatiques servent à renforcer la compréhension des processus et interactions déterminants dans le système climatique. En outre, ils aident à quantifier l'influence des activités humaines sur le climat.
Pour modéliser le climat, les climatologues couvrent la Terre d'un quadrillage tridimensionnel (appelé points de grille). La résolution horizontale d’un point de grille est généralement de 50 à 150 km. Pour chaque point de grille et pour chaque pas de temps, de nombreux paramètres sont calculés, par exemple la température, la vitesse et la direction du vent, la pression, l'humidité de l'air, etc. Les lois physiques sous-jacentes sont représentées par des milliers de lignes de code informatique. Les modèles climatiques font donc partie des modèles les plus complexes et les plus coûteux qui existent aujourd'hui. Grâce à des ordinateurs de plus en plus performants et au progrès général des connaissances, les modèles climatiques ont pu reproduire ces dernières années de plus en plus de processus physiques et simuler les interactions entre les différents composants du système climatique. Les processus dans les océans et leurs interactions avec l'atmosphère en sont un exemple.
Grâce à des affinements dans la résolution spatiale des modèles climatiques, il est possible de simuler des processus physiques complexes à petite échelle et de mieux représenter des régions topographiques complexes comme l'espace alpin. Pour décrire le climat au niveau régional ou local, par exemple pour la Suisse, les simulations climatiques globales sont donc complétées par des modèles climatiques régionaux. Il est ainsi possible, par exemple, de mieux représenter les vallées alpines et la haute montagne.
Les projections climatiques permettent de se prononcer sur la manière dont le climat pourrait évoluer au cours du 21e siècle. Cela dépend fortement de la vitesse et de l'ampleur de l'augmentation des concentrations des gaz à effet de serre dans l'atmosphère et donc de l'augmentation ou de la diminution des émissions de gaz à effet de serre. Pour pouvoir se prononcer à ce sujet, des hypothèses sur les changements sociaux et économiques des prochaines décennies sont formulées et traduites en différents scénarios d'émissions. Si, par exemple, toutes les mesures connues de protection du climat sont exploitées, les émissions de gaz à effet de serre pourront être réduites rapidement et durablement. Si, en revanche, aucune mesure n'est prise, les émissions continueront d'augmenter de manière incontrôlée.
Pour vérifier la fiabilité des modèles climatiques, les résultats des calculs des modèles sont comparés aux valeurs réellement mesurées pendant une période d'observation qui se chevauche. On peut ainsi montrer que les modèles climatiques reproduisent bien les valeurs mesurées : la courbe du réchauffement observé se situe dans la plage de variation calculée par les modèles (figure 2). La figure 2 montre également l'influence humaine sur le climat. Les modèles climatiques sont très utiles pour séparer cette influence des facteurs naturels.
Afin de mieux décrire les incertitudes des modèles de projections climatiques et de les intégrer dans nos conclusions, on ne se contente plus aujourd'hui de regarder des simulations de modèles isolées, mais dans la mesure du possible, plusieurs simulations comparables dans leur configuration, ce que l'on appelle des ensembles. Cela donne moins de poids aux modèles individuels, qui peuvent comporter des erreurs, et permet de faire des déclarations basées sur la probabilité. Pour la communication, les valeurs moyennes des ensembles de modèles sont souvent indiquées comme meilleure estimation, mais aussi la fourchette des résultats obtenus, afin de mettre en évidence les incertitudes ou les concordances claires. Les ensembles sur lesquels se base le dernier rapport d'évaluation du GIEC se composent de plusieurs centaines de simulations, réparties sur cinq scénarios d'émissions, qui sont toujours considérés séparément dans l'examen des changements climatiques possibles.
Malgré les progrès significatifs réalisés ces dernières années, les modèles climatiques restent des représentations simplifiées de la réalité et les projections climatiques, comportent certaines incertitudes. Celles-ci ont différentes origines. Elles proviennent par exemple des connaissances restreintes sur les processus naturels, comme la formation des nuages et la convection (par exemple les orages), des données de mesure disponibles limitées et des capacités de calcul insuffisantes. Les modèles diffèrent dans la simulation des processus et leur simplification et peuvent réagir différemment aux modifications des concentrations de gaz à effet de serre. Les incertitudes qui y sont liées sont regroupées sous le terme d'incertitude du modèle.
De plus, les scénarios d'émissions sous-jacents, qui reposent sur des estimations de changements sociaux et économiques difficilement prévisibles dans les décennies à venir, sont par définition incertains. C'est pourquoi plusieurs scénarios d'émissions plausibles sont définis, couvrant une fourchette allant de mesures strictes de réduction des émissions de gaz à effet de serre à l'absence de mesures. La prise en compte de plusieurs scénarios d'émissions permet de comparer les avantages et les coûts des mesures de réduction des émissions aux conséquences d'un réchauffement climatique non maîtrisé et aide ainsi de nombreux décideurs.
Outre l'incertitude liée aux scénarios d'émissions, le climat présente une grande variabilité naturelle (ou interne). Celle-ci se caractérise par des variations du climat qui ne sont pas dues au changement climatique provoqué par les activités humaines, mais à des interactions naturelles entre les composantes du système climatique. La variabilité naturelle se superpose à la tendance au réchauffement climatique et est la raison principale de l'alternance d'années sèches et humides, ainsi que de périodes plus chaudes et plus froides.
Simuler toutes les subtilités du climat est impossible à l'échelle humaine. Néanmoins, les modèles climatiques sont aujourd'hui en mesure de calculer de manière fiable les tendances climatiques à long terme. Sans eux, les simulations du climat au 21e siècle seraient impensables. Ils nous donnent une image des futurs climatiques possibles de notre planète et constituent une base importante pour les décisions, par exemple en matière de réduction des émissions d gaz à effet de serre. Pour la Suisse, les scénarios climatiques CH2018 montrent où et comment le changement climatique affecte la Suisse et ce que les efforts mondiaux de protection du climat peuvent faire pour y remédier.