Mais au fait, le changement climatique, comment on le calcule ?

Aucun d’eux n’a fait d’apparition à la tribune de la COP 21 ni ne prend de décisions pour l’avenir de la planète. Mais rien ne peut se faire sans eux… Des centaines de chercheurs et d’ingénieurs travaillent à travers le monde pour modéliser l’évolution du climat. Autrement dit, mettre en équations tous les phénomènes liés au climat qui règne sur le globe terrestre. Le but est de prévoir, après de longs calculs avec les ordinateurs les plus puissants au monde, l’évolution probable des températures et des précipitations sur vingt ans, cinquante ans, un siècle…

prévoir l’évolution du climat, un travail coopératif

Un travail largement collaboratif parce que la tâche est immense et parce qu’il s’agit de combiner de nombreuses simulations. Celles-ci portent sur l’atmosphère du globe, les terres émergées (avec le relief et la végétation), les océans et la banquise, mais aussi les nuages, les poussières dans l’atmosphère, sans oublier le CO2 et les autres gaz à effet de serre. Les spécialistes s’efforcent de valider leurs modèles et de les coupler. "Les premiers modèles atmosphériques sont nés dans les années 1960, dérivés de ceux développés pour la météo. Les modèles océaniques simplifiés existaient dès les ­années 1970, mais ce n’est qu’à partir de 1990 qu’ils ont été étendus en 3 D", raconte Michel Déqué, chercheur au Centre national de recherches météorologiques (Météo France).

20 à 30 modèles à combiner

Le couplage entre les modèles atmosphériques et océaniques est aujourd’hui possible grâce à la puissance croissante des ordinateurs. Et sa mise au point a été stimulée par la demande du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (Giec) : impossible de calculer un réchauffement de la planète lié au CO2 sans un modèle couplé atmosphère - océan. Ce noyau de base de la simulation du climat est au cœur des 20 à 30 modèles climatiques existants à travers le monde.

En France, la communauté des chercheurs s’est structurée autour de deux modèles globaux : celui de Météo France, et celui de l’institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL), qui regroupe neuf laboratoires spécialisés dans l’environnement. D’autres groupes de recherche importants se sont constitués : le National center for atmospheric research (Colorado) et le Geophysical fluid dynamics laboratory (Université de Princeton, New Jersey) aux États-Unis ; le Hadley center for climate prediction and research au Royaume-Uni ; le Max-Planck institute for meteorology en Allemagne.

DES DIVERGENCES ENTRE LES "MAILLES " DES CHERCHEURS

Sur le cœur de la modélisation, pas de divergences radicales entre les équipes, même si chacune a sa manière de découper l’atmosphère pour le calcul. Par exemple, en créant un maillage dans lequel chaque "maille" est un parallélépipède de 100 à 200?kilomètres sur deux côtés, mais d’épaisseur toujours plus fine à mesure que l’on se rapproche de la surface du globe. À l’intérieur de chaque maille, les paramètres (température, vitesse du vent…) ont une valeur moyenne, et c’est celle-ci que l’on fera varier au cours du temps pour simuler l’évolution du climat.

Les laboratoires développent aussi de nombreux modèles spécifiques pour les glaciers, l’impact des aérosols, l’évolution de la végétation… Ils ne sont pour l’instant pas intégrés dans les modèles climatiques ou le sont sous une forme simplifiée. "Vouloir tout coupler n’est pas forcément intéressant, ni pour une utilisation optimale des moyens de calcul, ni pour celle des budgets", estime Michel Déqué.

des équations empiriques pour les Phénomènes Sous-maille

Les chercheurs ont déjà fort à faire avec des divergences régulièrement constatées entre leurs modèles, notamment lors des campagnes d’intercomparaison internationales [lire l’encadré ci-contre]. Ils ont identifié l’origine du problème : ce sont les phénomènes dits "sous-maille", qui jouent un rôle clé à une échelle plus petite que celle des mailles utilisées. Échanges radiatifs, turbulences de l’air dans la couche proche de la surface du globe, rôle des nuages et des aérosols sulfatés…

La théorie ne suffit pas pour fonder les calculs. Les chercheurs doivent compléter leurs modèles avec des équations empiriques, améliorées peu à peu à partir de résultats de mesures et d’observations. Les nuages, en particulier, ­présents sur de grandes surfaces au-dessus des océans, jouent un rôle clé. "Leur impact est significatif sur l’évolution de la température du globe, mais leur rôle est encore mal connu. C’est l’origine d’une bonne part des dispersions entre les résultats obtenus par les différents modèles climatiques", affirme Jean-Yves Grandpeix, chercheur au Laboratoire de météorologie dynamique (LMD), une unité mixte implantée sur trois sites : à l’École polytechnique à Palaiseau (Essonne), à l’École normale supérieure et à l’université ­Pierre-et-­Marie-Curie, à Paris.

Améliorer la précision des données

Ce constat a débouché dès 2007 sur des campagnes de ­mesures satellitaires des nuages dont les résultats commencent à être pris en compte. Comme pour les autres phénomènes sous-maille, chaque équipe s’efforce d’affiner ses modèles en faisant des allers et retours entre les mesures recueillies et les valeurs qui étaient attendues.

Autre défi pour les climatologues : affiner leurs calculs, c’est-à-dire réduire la taille des mailles. Ce qui suppose d’avoir des programmes de simulation capables d’exploiter au mieux la puissance des supercalculateurs, en distribuant ces calculs sur de nombreux processeurs en parallèle. C’est pourquoi, aux côtés des physiciens, des équipes d’informaticiens (20 à 30 personnes à l’institut Pierre-Simon-Laplace) jouent désormais un rôle clé pour transformer les modèles climatiques en code de simulation efficace. "