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Oscillations et rétroactions climatiques aux échelles décennales : mécanismes, sensibilité et incertitudes – MORDICUS

Etude des mécanismes de variabilité climatique aux échelles de temps interannuelle à multidécennale et implication pour le climat des 30 prochaines années.

Le réchauffement climatique global sur le dernier siècle, attribué en grande partie depuis les années 1970 aux émissions anthropiques de gaz à effet de serre, est modulé par des modes de variabilité interne, principalement océaniques, aux échelles de temps interannuelle à décennale. Les connexions associées sur les continents, via l'atmosphère, peuvent masquer temporairement l'empreinte du forçage anthropique aux échelles régionales. <br />

Rôle respectif des forcages anthropiques (gaz à effet de serre, aérosols, ozone stratosphérique) et des modes de variabilité interne dans les tendances multidécennales observées sur le dernier siècle.

Les objectifs principaux de MORDICUS visent à : <br />1. Mieux comprendre les mécanismes physiques et dynamiques couplés océan-atmosphère à l'origine des fluctuations intrinsèques du système climatique aux échelles de temps interannuelle à décennale. Les processus liant la subsurface océanique (source de la mémoire climatique) avec la surface, induisant potentiellement des teleconnections atmosphériques de grande échelle, sont étudiés en détail dans le projet. L'accent est mis sur les modes multidécennaux de variabilité de l'Atlantique Nord (AMV) et du Pacifique (PDV). <br />2. Extraire et caractériser l'empreinte des forcages naturels (solaire + volcan) et des forcages anthropiques (gaz a effet de serre + aérosols + ozone) sur les climats aux échelles régionales, et explorer les mécanismes physiques et dynamiques (effet radiatif direct, couplage océan-atmosphère etc.) par lesquels les forcages externes contribuent à la variance de la température et des précipitations dans la bande de fréquence décennale. Une attention particulière est portée aux interactions entre les forcages et les modes AMV et PDV (blocage dans certaines phases du mode, transitions privilégiées etc.). <br />3. Isoler les rôles respectifs des modes de variabilité décennaux et des forçages anthropiques dans les changements observés de l'atmosphère et sur les continents depuis ~1920, avec un focus particulier sur le cycle hydrologique (sécheresses etc.) et les événements extrêmes tels que les tempêtes aux moyennes latitudes et les cyclones tropicaux. <br />MORDICUS a ainsi pour but de mieux comprendre et contraster les périodes de réchauffement accéléré, telles 1980-1990 ou 1920-1940, avec les décennies de «hiatus«, telles 1970-1980 et 2000-2015, et de mieux décliner leur influence sur les paramètres sensibles (précipitations, période de sécheresse etc.)

MORDICUS est un projet orienté « processus », construit sur les leçons tirées de l’exercice d’intercomparaison CMIP5 dont les résultats ont été compilés dans le 5eme rapport du GIEC de 2013-1014. Dans ce cadre, MORDICUS se base sur une stratégie de modélisation numérique et le design d’ensembles de simulations ciblées et dédiées pour, de manière coordonnée entres les différents partenaires, lever les verrous dans la compréhension de l’origine de la variabilité décennale, pour améliorer l’interprétation des signaux observés sur le dernier siècle et fournir une estimation des possibles climatiques aux échelles régionales (bassins océaniques, continents) pour les decennies à venir. Il s’agit par une approche amont centrée sur les mécanismes de variabilité d’aller au delà des problématiques de prévisions décennales strito-sensu, avec pour but ultime de mieux les comprendre et de les améliorer. Les outils sont les modèles de circulation générale de l’IPSL et du CNRM-Cerfacs, intégrés dans différentes configurations, et autant que faire se peut, intercomparés pour mieux évaluer les incertitudes associées.

A 1/3 du parcours, MORDICUS a permis de mettre en évidence, entre autres :
1. Le rôle important des éruptions volcaniques dans l’excitation des événements El Nino, l’année qui suit l’éruption, via le relâchement des alizés dans le Pacifique tropical et le ralentissement de la cellule de Walker associé. Les changements d'alizés s’expliquent par un effet de type « méga-brise » induit par la réponse différentiée entre continents (forts refroidissement en réponse à la perturbation radiative associée aux volcans) et océans de plus grande inertie, diminuant ainsi le contraste terre-mer en particulier dans le Pacifique Ouest.
2. Le rôle important des éruptions volcaniques dans le phasage du cycle à ~20 ans de la circulation océanique meridienne de retournement dans l’Atlantique Nord (AMOC). Ce forcage volcanique indirect et retardé sur l'océan est visible dans les fluctuations observées depuis environ 50 ans. Son analyse permet de mieux comprendre les enregistrements paléoclimatiques qui révèlent aussi ce cycle.
3. L’empreinte du forçage lié aux gaz à effet de serre d'origine anthropique, dans les changements du cycle saisonnier des températures et de la dynamique atmosphérique sur l’Europe de l’Ouest depuis 1950 (début plus précoce des conditions estivales en accord avec des indicateurs phénologiques) , mais aussi l'importance des aérosols qui tendent à moduler cet effet en particulier dans les années 1950-1970.

MORDICUS a permis de mettre en évidence l’interaction entre les modes de variabilité internes (El Nino, circulation atmospherique, AMOC) et les forcages externes (volcans). Ces mécanismes insistent ainsi sur l’importance de prendre en compte de potentielles éruptions volcaniques à venir pour fournir une fourchette des possibles climatiques futurs sur les 20 prochaines années. MORDICUS a permis aussi de mettre en évidence le rôle important des aérosols dont l’empreinte peut être significative localement sur l’Europe à la fois en terme de température mais aussi de cycle hydrologique, jouant un rôle modulateur sur les tendances induites par les gaz a effet de serre sur les 100 dernières années. Ces connaissances sont essentielles en terme de prévisibilité décennale, et permettent de mieux comprendre les scores de prévision rejouées depuis 1960.

Sélection de 3 publications de rang A, une par partenaire:
1. The influence of separate teleconnections from the Pacific and Indian Oceans on the Northern Annular Mode (2015). Fletcher and Cassou, Journal of Climate, in press.
2. Douville H., A. Voldoire, O. Geoffroy (2015) The recent global warming hiatus: What is the role of Pacific variability? Geophys. Res. Lett., doi: 10.1002/2014GL062775
3. Swingedouw, D., P. Ortega, J. Mignot, E. Guilyardi, V. Masson-Delmotte, P. G. Butler and M. Khodri (2015). Bidecadal North Atlantic ocean circulation variability controlled by timing of volcanic eruptions. Nature Communications, 6, 6545, doi: 10.1038/ncomms7545

La compréhension scientifique du changement climatique est suffisamment avancée pour affirmer qu’un réchauffement d’origine anthropique est en cours, avec une évolution projetée qui dépasse largement les variations climatiques observées des derniers 10 000 ans. Il reste cependant des incertitudes, en particulier sur les changements régionaux et locaux des prochaines décennies, pour lesquels la variabilité naturelle (à la fois interne et externe) est importante. De plus, la compréhension et l’attribution des changements observés depuis 100 ans sont encore lacunaires. Cette limite dans la connaissance peut retarder les stratégies d’adaptation car les acteurs sociaux-économiques, des gestionnaires en ressources en eau jusqu’aux experts en santé publique, ont besoin de savoir si les événements climatiques qu’ils subissent sont le fait de la variabilité naturelle, et donc peuvent s’inverser, ou s’ils résultent d’un changement d’origine anthropique, potentiellement irréversible. Cette incertitude épistémique a deux causes principales : la première concerne la faible connaissance que nous avons de la variabilité décennale naturelle et du degré avec lequel elle module le changement climatique anthropique à l’échelle continentale et régionale. La seconde concerne les incertitudes liées aux émissions passée et futures des gaz traces qui modifient l’équilibre radiatif terrestre (dont les gaz à effet de serre, l’ozone stratosphérique,…) et des polluants qui affectent la composition des aérosols atmosphériques, ainsi que notre capacité à simuler précisément la réponse du système climatique à ces modifications du forçage radiatif.

Dans ce cadre, MORDICUS a trois principaux objectifs. Le 1er est de comprendre les mécanismes qui sous-tendent l’existence même des modes de variabilité interne aux échelles décennales. Nous étudierons principalement les deux modes dominants à savoir l’IPV et l’AMV, acronymes pour Interdecadal Pacific et Atlantic Multidecadal Variability. L’accent sera mis sur les processus connectant la subsurface océanique, source de mémoire climatique, avec la surface interagissant avec l’atmosphère. Le 2eme but est de caractériser les empreintes des différents forcages externes sur les évolutions climatiques régionales, puis d’explorer les mécanismes par lesquels ils contribuent à l’existence même de la variabilité aux échelles décennales. Une attention particulière sera portée d’une part aux aérosols en tant que tels et d’autre part sur les interactions entre les forçages et les modes IPV/AMV. Le 3eme but est d’isoler l’influence respective des modes décennaux océaniques et des facteurs anthropiques à la fois sur les changements continentaux et les changements de circulation atmosphérique observés sur la période 1920-2010, mais aussi de produire une estimation pour le climat entre 2010 et 2035. Une attention particulière sera portée au cycle hydrologique et aux événements extrêmes (sécheresses, cyclones).

MORDICUS est un projet orienté sur les processus et motivé par les premières leçons tirées des simulations du 5ème exercice d ‘intercomparaison des modèles couplés (CMIP5). Il suit les recommandations et les besoins d’approches en terme de mécanismes pour aller au delà de l’exercice de prévision décennale de CMIP5 qui était principalement dédié à l’estimation de la prévisibilité. MORDICUS est un projet de modélisation ambitieux porté par un consortium regroupant à l’échelle nationale les équipes impliquées dans les exercices CMIP. Il propose un ensemble de simulations et de configurations numériques pour aborder les questions scientifiques mentionnées ci-dessus et anticiper CMIP6. En complément des grands exercices d’intercomparaison qui visent à exploiter au maximum toutes les sources potentielles de prévisibilité décennale, les résultats de MORDICUS seront clés pour les décideurs dans les mesures à prendre par les sociétés pour s’adapter au changement climatiques des prochaines décennies.

Coordinateur du projet

Monsieur Christophe Cassou (Sciences de l'Univers au CERFACS) – cassou@cerfacs.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

SUC - DR14 CNRS Sciences de l'Univers au CERFACS
LOCEAN - DR2 CNRS Laboratoire d'Oceanographie et du Climat: Experimentations et Approches Numeriques
LMD - UPMC Laboratoire de Meteorologie Dynamique
CNRM-GAME / DR14 CNRS Centre National de Recherches Météorologiques - Groupe d'étude de l'atmosphère météorologique

Aide de l'ANR 1 068 080 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2013 - 48 Mois

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