GEO 2122 Climatologie

1
GEO 2122Climatologie

• Cours 17
• Changements climatiques
• Science/généralités/modélisation
• Professeur Bhawan Singh PhD

2
LE CHANGEMENT CLIMATIQUE DÛ ÀDES GAZ À EFFET DE
SERRE

• PARTICULARITÉS DE LA SCIENCE DU CHANGEMENT
  CLIMATIQUE DÛ À DES GAZ À EFFET DE SERRE

3
Quest-ce que le changement climatique?

• Cest un changement de climat comparativement
• au climat dune période servant de référence,
• causé par

4
Histoire du climat de la terre
5
Causes probables des changements climatiques

• Activité / luminosité solaire
• Volcanicité
• Effet de serre
• - naturel
• - renforcé

6
Reconstruction du climat du passé
Département de géographie
7
Causes/échelles de changement climatique
Département de géographie
8
Causes/échelles de changement climatique
9
Activité / luminosité solaire
10
Luminosité solaire/vulcanisme/GES
11
3. FACTEURS ASTRONOMIQUES / MILANKOVITCH

• Excentricité
• Périodicité de 100 000 ans
• Obliquité
• Périodicité de 41 000 ans
• Précession
• Périodicité de 26 000 ans

12
Causes probables des changements climatiques
13
Influence Obliquité
14
Influence Précession
15
Obliquité/Excentricité/Précession
16
Obliquité/Excentricité/Précession
17
Émissions naturelles et anthropiques des GES
Département de géographie
18
Changement climatique effet de serre

• PROBLÈME
• Concentration de gaz à effet de serre (CO2, CH4,
  N2O, CFCs etc.) à la hausse depuis la dernière
  centaine dannées.
• Effet de serre naturel Ts ? 15 ?
• Dans son absence Ts ? -15 ?C

19
Composition de latmosphère
20
Participants primaires à l effet de serre naturel
10
25
65
21
Depuis plus dun siècle, des scientifiques
étudient la relation entre les concentrations de
gaz à effet de serre et le climat
22
Cycle de carbone
23
Bilan de CO2
24
Température- 20 000 ans
25
Constante solaire (Io)

• Valeur 1382 W m-2 (1,98 ly min-1) (1354 à 1396 W
  m-2)
• Io intensité dénergie solaire qui tombe sur
  une surface qui est perpendiculaire aux rayons
  solaires, cette surface se trouvant à la limite
  de latmosphère et à une distance moyenne de 150
  x 106 km (distance moyenne terre soleil)

26
MAGNITUDE DE LEFFET DE SERRE NATUREL

• BILAN ÉNERGÉTIQUE PLANÉTAIRE
• ? T4e Io (1 - ?)
• 4
• Te température de la surface de la terre (K)
• ? constante de Stephan Boltzmann
• (5,67 X 10-8 W m-2 K-4)
• Io constante solaire (1370 W m-2)
• ? albedo planétaire (0.30)
• Facteur 4 - moitié de la terre captant
  lénergie
• solaire
• - moyenné selon langle dincidence
  (latitude)
• Io moyenne 342.5 W m-2

27
MAGNITUDE DE LEFFET DE SERRE NATUREL

• Température de la surface de la terre sans
• atmosphère (GES)
• Te 4?Io (I - ?)
• 4?
• Divisant les deux côtés de léquation précédente
• par s
• Prenant la racine à puissance 4 des deux côtés

28
MAGNITUDE DE LEFFET DE SERRE NATUREL

• Te 4? 1370 W m-2 (I 0.3)
• 4 x 5.67 x 10-8 W m-2 k-4
• 255K
• ? -18C
• Mais Ts réel 288K 15C
• Magnitude de leffet de serre naturel (?TG)
• ?TG Ts Te
• 15C (-18C) 33C

29
LE RENFORCEMENT DE LEFFET DE SERRE

• Émissions industrielles et du transport ( 80 )
• Hausse dans la concentration des GES
• (CO2, CH4, N2O, O3, H2O)
• Réduction des puits dabsorption de CO 2 à la
  surface ( 20 )
• Déforestation, agriculture, urbanisation

30
Leffet de serre

• Leffet de serre

31
Les causes

• Émissions industrielles (? 80)
• Utilisation du sol (déforestation etc.) (? 20)

32
Au cours du siècle dernier, les émissions de gaz
carbonique en provenance de sources humaines ont
régulièrement augmenté
Émissions provenant de combustibles ou
carburants fossilifères
Millions de tonnes de carbone par an (Gt C/an)
Émissions résultant du changement daffectation
de terrains
Année
33
Where have all the forests gone?
34
Les GES
35
(No Transcript)
36
Sources du CO2
37
Atmospheric concentrations of carbon dioxide,
methane and nitrous oxide over the last 10,000
years (large panels) and since 1750 (inset
panels). Measurements are shown from ice cores
(symbols with different colours for different
studies) and atmospheric samples (red lines).The
corresponding radiative forcings are shown on the
right hand axes of the large panels.
38
Tendances GES
39
Tendances observées de CO2
40
Concentration/durée des GES
41
Émissions, concentration de CO2 et température de
lair
42
Les tendances des forçages anthropiques clés du
dernier siècle sont dominées par les gaz à effet
de serre, mais compensées en partie par dautres
facteurs
Radiative forcing (W/m2)
Année
43
Variations passées de la température
44
Tendances observés-température
45
Évolution des températures observées
46
Variations de la température arctique
47
Modélisation numérique du climat

• MCG modèles mathématiques / physiques
• utilisation de super ordinateurs
• modèles climatiques vs modèles météorologiques
• o    effets de rétroaction (nuages etc.)
• o    inertie thermique des océans
• analyse de sensibilité 2x CO2

48
Scénarios-émissions
49
Scénarios-émissions
50
Pouvoirs de réchauffement - GES
51
Potentiel de réchauffement/forçage radiatif
52
FIGURE SPM-2. Global-average radiative forcing
(RF) estimates and ranges in 2005 for
anthropogenic carbon dioxide (CO2), methane
(CH4), nitrous oxide (N2O) and other important
agents and mechanisms, together with the typical
geographical extent (spatial scale) of the
forcing and the assessed level of scientific
understanding (LOSU). The net anthropogenic
radiative forcing and its range are also
shown.These require summing asymmetric
uncertainty estimates from the component terms,
and cannot be obtained by simple addition.
Additional forcing factors not included here are
considered to have a very low LOSU. Volcanic
aerosols contribute an additional natural forcing
but are not included in this figure due to their
episodic nature. Range for linear contrails does
not include other possible effects of aviation on
cloudiness. 2.9, Figure 2.20
53
Bilan radiatif
54
Circulation générale-vents
55
Circulation océanique
56
Résultats

• Projections des MCG
• global
• nord américain
• température
• précipitation

57
Modèles climatiques
58
Scénarios-température
59
Solid lines are multi-model global averages of
surface warming (relative to 1980-99) for the
scenarios A2, A1B and B1, shown as continuations
of the 20th century simulations. Shading denotes
the plus/minus one standard deviation range of
individual model annual means. The number of
AOGCMs run for a given time period and scenario
is indicated by the coloured numbers at the
bottom part of the panel. The orange line is for
the experiment where concentrations were held
constant at year 2000 values. The gray bars at
right indicate the best estimate (solid line
within each bar) and the likely range assessed
for the six SRES marker scenarios. The assessment
of the best estimate and likely ranges in the
gray bars includes the AOGCMs in the left part of
the figure, as well as results from a hierarchy
of independent models and observational
constraints
60
Comparison of observed continental- and
global-scale changes in surface temperature with
results simulated by climate models using natural
and anthropogenic forcings. Decadal averages of
observations are shown for the period 19062005
(black line) plotted against the centre of the
decade and relative to the corresponding average
for 19011950. Lines are dashed where spatial
coverage is less than 50. Blue shaded bands show
the 595 range for 19 simulations from 5 climate
models using only the natural forcings due to
solar activity and volcanoes. Red shaded bands
show the 595 range for 58 simulations from 14
climate models using both natural and
anthropogenic forcings.
61
Projected surface temperature changes for the
early and late 21st century relative to the
period 19801999. The central and right panels
show the Atmosphere-Ocean General Circulation
multi-Model average projections for the B1 (top),
A1B (middle) and A2 (bottom) SRES scenarios
averaged over decades 20202029 (center) and
20902099 (right). The left panel shows
corresponding uncertainties as the relative
probabilities of estimated global average warming
from several different AOGCM and EMICs studies
for the same periods. Some studies present
results only for a subset of the SRES scenarios,
or for various model versions. Therefore the
difference in the number of curves, shown in the
left-hand panels, is due only to differences in
the availability of results.
62
Relative changes in precipitation (in percent)
for the period 20902099, relative to 19801999.
Values are multi-model averages based on the SRES
A1B scenario for December to February (left) and
June to August (right). White areas are where
less than 66 of the models agree in the sign of
the change and stippled areas are where more than
90 of the models agree in the sign of the
change.
63
Québec Montreal ex.
64
Changements climatiques

• Hausse de la température globale ? 2.5?C (1. 5? à
  4. 5?C)
• Variations régionales
• Plus élevés dans les régions polaires et en hiver
• Ex sud du Québec 6 à 8? C en hiver et 4 à 6? C
  en été
• ?T ? 0.6? C globalement pendant la dernière
  centaine dannées

65
Limitations des MCGs

• Projections futures de gaz à effet de serre
• calibration (précipitation-problématique)
• échelle (maille de 500 km x 500 km)
• solution équilibrées vs temporelles (transients)
• nuages
• variabilité
• couplage avec la circulation océanique
• les glaciers (Antarctique)

66
Incertitudes des modèles

• Concentration de gaz à effet de serre a déjà
  augmentée de 45
• rôle des nuages
• rôle des sulfates
• effet fertilisant de CO2
• rôle des océans (inertie thermique)

67
Cependant, cest quand à la fois la moyenne et la
variabilité changent quon peut avoir le plus
grand changement des extrêmes de température
68
Développements récents

• Modèles régionaux (RCM -UQAM)
• modèles couplés (océans)
• biosphère, cryosphère

69
Hausse du niveau moyen de la mer

• Expansion thermique de leau
• Fonte des glaciers
• 10 cm la dernière centaine dannées
• 60 cm dici 2050

70
Hausse du niveau moyen de la mer
71
Observed rate of sea level rise and estimated
contributions from different sources (m).
72
Observed changes in (a) global average surface
temperature (b) global average sea level rise
from tide gauge (blue) and satellite (red) data
and (c) Northern Hemisphere snow cover for
March-April. All changes are relative to
corresponding averages for the period 1961-1990.
Smoothed curves represent decadal averaged values
while circles show yearly values. The shaded
areas are the uncertainty intervals estimated
from a comprehensive analysis of known
uncertainties (a and b) and from the time series
(c).
73
Scénarios-émissions-niveau de la mer
74
Hausse nu niveau moyen de la mer projetée
75
Changement climatique-impacts/adaptation/mitigatio
n
76
Impacts/secteurs
77
(No Transcript)
78
(No Transcript)
79
(No Transcript)
80
Protocole de Kyoto

• 3 traités importants
• 1.- Implémentation conjointe (JI) - pays
  développés
• et en voie de développement (Européen)
  (Article 6)
• 2.- Mécanisme de développement propre (CDM)-
• pays développés et sous développés
  (Article 12)
• 3.- Échanges de crédits démissions évitées (IET)
  - entre
• les pays développés (Annexe-1) (Article
  17)

81
Protocole de Kyoto

• Autres éléments importants
• Communications Nationales
• 1.- Inventaire des gaz à effet de serre
• 2.- Études de vulnérabilités par secteurs
• 3.- Plans de mitigation- pays développés
• 4.- Plan dadaptation politiques,
• éducation, sensibilisation

82
Annexe _ A_ Gaz à effet de serre

• Dioxyde de carbone (CO 2)
• Méthane (CH 4)
• Oxyde nitreux (N 2 O)
• Hydrofluorocarbones (HFC)
• Hydrocarbures perfluorés (PFC)
• Hexafluorure de soufre (SF 6)

83
Annexe _ B (Pays Annexe 1/quotas)

• Partie de référence)
• Engagements chiffrés de limitation ou de
  réduction des émissions (en pourcentage des
  émissions de l'année ou de la période
• Allemagne 92
• Australie 108
• Autriche 92
• Belgique 92
• Bulgarie 92
• Canada 94
• Communauté européenne 92
• Croatie 95
• Danemark 92
• Espagne 92
• Estonie 92
• États Unis
• d'Amérique 93
• Fédération de Russie 100
• Finlande 92
• France 92
• Grèce 92

84
Annexe _ B _suite (Pays Annexe 1/quotas)

• Italie 92
• Japon 94
• Lettonie 92
• Lituanie 92
• Liechtenstein 92
• Luxembourg 92
• Monaco 92
• Norvège 101
• Nouvelle Zélande 100
• Pays Bas 92
• Pologne 94
• Portugal 92
• République tchèque 92
• Roumanie 92
• Royaume-Uni de Grande Bretagne
• et d'Irlande du Nord 92
• Slovaquie 92
• Slovénie 92
• Suède 92

85
Étapes à suivre
86
(No Transcript)
87
Scénarios-incertitudes
88
FIN
89
Annexes

• Informations supplémentaires

90
Constante solaire
GEO2122
notion de la Constante Solaire
Département de géographie
91
Dérivation de la constante solaire (Io ?1382 W
m-2)Io ? ? Ts4 x 4 ?(rs)2 F W 4
? (rts)2 A m2? émissivité de la surface du
soleil (? 1,0) ? constante de Stephan-Boltzmann
(5,68 x 10-8 W m-2 K-4)Ts température de la
surface du soleil (5 800 oK)rs rayon du soleil
(696 x 106 m)rts distance moyenne entre la
terre et le soleil (1.5 x 1011 m)
92
Io1.0 x (5,67 x 10-8) (5800)4 x 4 x 3,1416 (696
x 106)2 W m-2 x m2 W 4 x 3,1416 (1,5 x
1011)2 m2 m2 3,9068 x 1026 W 4 x
3,1416 x (1,5)2 x 1022 m2 3,9068 x
104 W 28,26 m2 1382,4 W m-2
93
Composition de latmosphère
94
Concentration des gaz-élévation

Département de géographie
95
Cycles Milankovitch
96
Obliquité
97
Obliquité/Excentricité/Précession
98
Io ? ? Ts4 x 4 ?(rs)2 4 ? (rts)2 ? ? Ts4
( (rs)2) ((rts)2) 1x(5.67x10-8) (5800)4 x
(696 x 106)2 (1.5 x 1011)2 1380.64 W m-2
99

                                               
         
Estimation de lampleur de leffet de serre
naturel
 
Toutefois, la température moyenne à la surface de
la Terre est de 14 ?C
100
GES-quotas établis par Kyoto
101
Forçage radiatif
102
Émissions futures des GES
103
Pertes de surfaces forestières
104
Concentrations/durée-GES
105
Évolution des CFCs
106
Concentrations/durée - CFCs
107
Potentiel de forçage radiatif
108
Les températures planétaires en surface sont en
hausse
109
Température moyenne terrestre/océanique de la
planète, avec marge derreur
Moyenne optimum (Folland et al., 2000)
Moyenne pondérée en fonction de la superficie
(adaptée de Jones et al., 2000)
Anomalie planétaire (en oC) par rapport à
1961-1990
Source GEIC(2001)
Année
110
Concentrations/émissions-GES
111
Circulation océanique
112
Scénarios-émissions-températures
113
1. CAUSES PROBABLES DE CHANGEMENTS CLIMATIQUES

• Énergie solaire
• Facteurs astronomiques
• Transparence de latmosphère (K? et L?)
• Chaleur interne circulation du système
  océan/atmosphère
• Absorption et émission de lénergie terrestre
• Nuages
• Nature de la surface

114
2. ÉNERGIE SOLAIRE

• Variations de lémission de lénergie radiante
  solaire
• Température de la surface du soleil
• Tâches solaires / facules
• Cycle de 11 ans (9 à 14 ans)
• Courts cycles plus grand nombre de taches
  solaires

115
4. TRANSPARENCE DE LATMOSPHÈRE

• Éruptions volcaniques
• Fines particules, SO2, CO2, H2O
• Durée de résidence des particules 1 à 7 ans
• Interception du rayonnement solaire (K?)
  réflexion, dispersion, absorption
• Baisse de lénergie solaire (K?) et de la
  température à la surface (0.1 à 1.3 C)
• Activités anthropiques (renforcement de leffet
  de
• serre)

116
5. CHALEUR INTERNE/CIRCULATION DU SYSTÈME
OCÉAN/ATMOSPHÈRE

• Variations aléatoires (chaotiques)
• Corrélations (incertaines) avec
• Cycles dactivités solaires
• Tension marémotrice des planètes soleil
• Variations cycliques de linfluence marémotrice
• de la lune et du soleil sur la terre (les océans
  et latmosphère)
• Petits déplacements de laxe polaire (Chandler
  Wobble)
• Périodicité de 13 à 15 mois
• Déplacements de la position polaire de quelques
  mètres
• Circulation océanique ex. ENSO

117
6. MODIFICATIONS ANTHROPIQUES DE LA SURFACE DE
LA TERRE

• Déforestation
• Forêts de la zone tempérée des moyennes
• latitudes (gt 5 000 ans AP)
• Agriculture, urbanisation
• Présentement en Amazonie
• Hausse de lalbédo planétaire/régional
• Baisse de la température
• Réduction de lévaporation et de la
  précipitation

118
7. MODIFICATIONS ANTHROPIQUES DE LA SURFACE DE
LA TERRE

• Zones/barrières vertes
• Réduction de lérosion des sols
• Agriculture - irrigation
• Niveau deau des lacs, rivières, nappes
  phréatiques (mer dAral)
• Réduction de débits salinité des océans -
  circulation océanique

119
Bilan énergétique
Département de géographie
120
Équilibre énergétique
121
Effet de serre
122
Tendances-émissions de CO2
123
Tendances-Température
124
Tendances-GES
125
Il y a une bonne corrélation entre les tempêtes
dhiver et les températures dans lhémisphère Nord
126
La couverture de neige sur lArctique au
printemps diminue rapidement
2.0
1.0
0
Anomalie-type pour février à juillet par rapport
à la période 1991-1990
-1.0
E. de lArctique
O. de lArctique
-2.0
Été 1998
1960
1970
1980
1990
2000
Année
John Walsh U. Illinois
127
La couverture de glace dans locéan Arctique est
de moins en moins vaste
Étendue de la glace (en million de km2)
128
Effets rétroactifs
129
Effets rétroactifs des nuages
130
Scénarios-émissions-forçages radiatifs
131
Un faible changement de la température moyenne
peut induire un important changement de la
fréquence des températures extrêmes
132
Incertitudes modèles climatiques
133
Confiance- modèles climatiques
134
Relation climate/niveau de la mer
135
Hausse du niveau moyen de la mer
136
Inertie des changements climatiques
137
Activité / luminosité solaire
138
Climat du passé/variations de CO2 et CH4
139
Bilan du flux de CO2 atmosphérique
140
Contributions des GES au réchauffement planétaire
141
Forçage radiatif
142
Transport de chaleur-océans
143
Hausse du niveau moyen de la mer
144
Table SPM-2. Projected globally averaged surface
warming and sea level rise at the end of the 21st
century for different model cases. The sea level
projections do not include uncertainties in
carbon-cycle feedbacks, because a basis in
published literature is lacking. 10.5, 10.6,
Table 10.7
145
Impacts due to altered frequencies and
intensities of extreme weather, climate, andsea
level events are very likely to change.
146
Table SPM-1. Recent trends, assessment of human
influence on the trend, and projections for
extreme weather events for which there is an
observed late 20th century trend. Tables 3.7,
3.8, 9.4, Sections 3.8, 5.5, 9.7, 11.2-11.9
147
(No Transcript)
148
Luminosité solaire/vulcanisme
149
Consensus/certitude-changement climatique
150

                                               
         
Estimation de lampleur de leffet de serre
naturel
 
Toutefois, la température moyenne à la surface de
la Terre est de 14 ?C