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Études de Systèmes Climatiques 2009

Clement, A.C., R. Burgman and J.R. Norris, 2009. Observational and Model Evidence for positive Low-Level Cloud Feedback, Science, vol. 325, 460, DOI: 10.1126/science.1171255.
Au cours des dernières décennies, la réduction de la couverture nuageuse de l'étage inférieur au-dessus du Pacifique Nord-Est a amplifié le réchauffement. Désormais, le défi consiste à améliorer la capacité des modèles climatiques globaux pour représenter cette rétroaction de manière adéquate afin d'accorder un degré de confiance plus élevé aux rétroactions liées à la couverture nuageuse de l'étage inférieur face aux futures variations des concentrations de gaz à effet de serre.
Les nuages de l'étage inférieur ont un effet de refroidissement sur le climat mondial puisqu'ils augmentent l'albédo de la Terre et réfléchissent le rayonnement solaire incident. Pour le moment, nous ne savons pas si les changements qui toucheront dans le futur la couverture nuageuse de l'étage inférieur auront une rétroaction négative ou positive sur le réchauffement climatique. De plus, les rétractions qui portent sur les nuages de l'étage inférieur demeurent une cause d'incertitude majeure pour les projections réalisées par des modèles climatiques globaux. Cette étude permet de traiter cette question par un examen de la variabilité décennale des nuages de l'étage inférieur par rapport à une partie importante du Nord-Est de l'océan Pacifique entre 1952 et 2006. Deux ensembles indépendants de données portant sur les nuages sont utilisés : le premier porte sur des observations et le second porte sur des mesures obtenues par satellite. Les résultats de cette étude indiquent que durant les périodes de réchauffement régional, la couverture nuageuse, et plus particulièrement celle de l'étage inférieur, a diminué, la température des océans a augmenté, la pression atmosphérique au niveau de la mer a baissé et la circulation atmosphérique s'est affaiblie. La réduction de la couverture nuageuse de l'étage inférieur a permis d'obtenir une rétroaction positive sur le climat, dans la mesure où un ensoleillement plus important réchauffe la surface. Durant les épisodes de refroidissement, ces tendances étaient inversées. Les auteurs ont également analysé des simulations climatiques du XXe siècle à l'aide de 18 modèles climatiques globaux afin de vérifier si ces derniers représentaient de manière adéquate la rétroaction de la couverture nuageuse de l'étage inférieur correspondant à cette région. Seuls deux modèles permettaient de représenter de manière adéquate les changements subis par la couverture nuageuse de l'étage inférieur. Dans le cas d'une simulation de concentrations de CO2 deux fois plus élevées (2XCO2), un seul modèle (HadGEM1) pouvait également produire des changements de température et de circulation correspondant à la moyenne des 18 modèles ensemble. Comme nous pouvons le constater, ce modèle produit une réduction nuageuse au-dessus d'une bonne partie du Pacifique, en réaction au forçage des gaz à effet de serre. Cela représente une rétroaction positive pour les nuages de l'étage inférieur.

McGuire, D.A., L.G. Anderson, T.R. Christensen et al., 2009, Sensitivity of the carbon cycle in the Arctic to climate change, Ecological Monographs, 79 (4): 523-555.
Une évaluation exhaustive du cycle du carbone dans l'Arctique et de sa réaction aux changements climatiques actuels montre que les rétroactions et réactions du cycle du carbone au cours des 50 à 100 prochaines années sont extrêmement incertaines.
La réaction du cycle du carbone aux changements climatiques dans l'Arctique est une préoccupation mondiale en raison des grandes réserves de carbone dans cette région qui pourrait être rejeté avec un réchauffement continu. Une évaluation exhaustive de cette question est fournie par McGuire et ses collègues dans la revue Ecological Monographs; celle-ci vise à éclaircir des incertitudes et vulnérabilités clés qui seront pertinentes au cours des 50 à 100 prochaines années. Ils estiment les réserves de carbone dans l'Arctique à des quantités comprises entre 1 400 et 1 850 PgC dans la matière organique se trouvant à la surface du sol (0 à 3 m) et plus en profondeur; une grande partie de ces réserves est stockée dans des tourbières et le pergélisol profond en Sibérie. L'Arctique était un puits pour le CO2 atmosphérique entre 0 et 0,8 PgC par an pendant les années 1990, ce qui représente entre 0 et 25 % du flux net global des terres et des océans, soit 3,2 PgC par an, déclaré dans le quatrième rapport d'évaluation du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat pendant la même période. La majorité de l'activité du puits est due à la croissance des arbres dans la forêt boréale. L'Arctique était une source de méthane (CH4) pour l'atmosphère représentant entre 15 et 50 Tg de CH4 par an pour la période allant de 1984 à 2004, ce qui représente entre 3 % et 9 % de la source nette des terres et des océans, soit 552 Tg de CH4 par an, estimée dans le quatrième rapport d'évaluation du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat. La majorité de cette source provient des écosystèmes des terres humides. Au cours des 50 à 100 prochaines années, la sensibilité du cycle du carbone dans l'Arctique aux changements climatiques prévus est extrêmement incertaine pour ce qui est de l'ampleur et de l'orientation (rétroactions positives ou négatives), d'après la réaction de la photosynthèse de la végétation aux augmentations du CO2 atmosphérique. Le cycle du carbone dans l'Arctique comprend de nombreux processus complexes et le futur bilan des rétroactions concurrentielles représente une incertitude importante. Les futures recherches doivent donc se concentrer sur des études régionales afin de mieux comprendre les processus concernés et l'intégration de ces connaissances dans les modèles améliorés.

Phillips, O.L., Aragão, L.E.O.C., Lewis, S.L. et al., 2009. Drought sensitivity of the Amazon rainforest. Science 323:1344-1347; Malhi, Y., Aragão, L.E.O.C., Galbraith, D. et al., 2009. Exploring the likelihood and mechanism of a climate-change-induced dieback of the Amazon rainforest. PNAS 106, doi/10. 1073/pnas. 0804619106.
Les climats plus chauds devraient entraîner de larges pertes de biomasse dans les forêts amazoniennes par suite de leur dépérissement et d'incendies, mais les pertes pourraient ne pas être aussi élevées qu'on le prévoyait auparavant.
Deux articles récents ont de nouveau attiré l'attention sur le risque de dépérissement des forêts amazoniennes sous des climats plus chauds. Un dépérissement à grande échelle entraînerait régionalement la libération d'une énorme quantité de CO2 dans l'atmosphère, ce qui représenterait une rétroaction positive majeure dans le système climatique. Dans l'une des études, publiée dans la revue Science, une importante équipe internationale composée de 67 experts a analysé les données fournies par des parcelles témoins pour la surveillance à long terme établies dans la région pour déterminer les incidences potentielles des intenses sécheresses, comme celle de 2005, sur la biomasse des forêts amazoniennes. En 2005, ces forêts, qui représentaient traditionnellement un puits net pour le dioxyde de carbone atmosphérique, sont devenues une importante source nette, de l'ordre de 1,2 à 1,6 milliard de tonnes métriques de carbone, ce qui correspond à environ 20 à 25 % des émissions annuelles mondiales de dioxyde de carbone dues à la combustion de combustibles fossiles. Comme de nombreux modèles climatiques prévoient des conditions plus sèches pour la région sous un climat plus chaud, les auteurs préviennent que les émissions nettes considérables de CO2 des forêts amazoniennes en 2005 pourraient être un signe avant-coureur de ce qui va arriver. Toutefois, la deuxième étude (publiée dans la revue Proceedings of the Natural Academy of Sciences) prévient que l'avenir de la région amazonienne pourrait être moins sombre que ne le prévoient beaucoup de modèles. Elle a été réalisée par une équipe de scientifiques britanniques qui a comparé les observations avec les simulations du climat actuel de l'Amazonie orientale réalisées à l'aide de 19 modèles climatiques mondiaux des plus perfectionnés. Les chercheurs ont noté que les modèles, en général, tendaient à sous-estimer les quantités de pluie reçues actuellement dans la région. Les simulations des modèles pour le prochain siècle indiquent une tendance régionale à l'intensification du stress hydrique. Il s'ensuit une augmentation des risques d'incendie et donc des épisodes de perte importante de biomasse. Toutefois, en considérant le biais général des modèles qu'indiquent leurs simulations du climat actuel en ce qui a trait aux précipitations totales, les chercheurs avancent comme hypothèse que la forêt de la région pourrait devenir une forêt saisonnière à biomasse réduite au lieu de dépérir complètement. Ils font également remarquer que la limitation délibérée de la déforestation et l'amélioration de la lutte contre les incendies pourraient aider les forêts de la région à demeurer résilientes.

Piao, S., Ciais, P., Friedlingstein, P. et al. 2009. Spatiotemporal patterns of terrestrial carbon cycle during the 20th century. Global Biogeochemical Cycles 23, GB4026, doi:10.1029/2008GB0033339.
Les simulations de la réaction des écosystèmes terrestres planétaires aux changements dans l'utilisation des terres, aux changements climatiques et à la hausse des concentrations de CO2 semblent indiquer que la croissance des puits terrestres de carbone due à l'augmentation de la productivité primaire nette a dépassé les émissions issues des changements dans l'utilisation des terres depuis 1980. Cependant, la respiration des écosystèmes due aux climats plus chauds augmente également et elle pourrait renvoyer les écosystèmes terrestres planétaires vers des sources nettes de CO2 atmosphérique au cours des prochaines décennies.
La réaction des écosystèmes des surfaces terrestres planétaires aux changements dans l'utilisation des terres par l'homme et aux changements climatiques est difficile à projeter, en partie parce que les effets de la fertilisation causée par la hausse des concentrations de CO2 et des dépôts d'azote sont complexes. Néanmoins, plusieurs modèles de végétation dynamiques mondiaux sont maintenant parvenus à saisir bon nombre des processus impliqués et à se rapprocher du comportement des écosystèmes en réponse à ces facteurs ou éléments de causalité. Dans un article récent publié dans Global Biogeochemical Cycles, une équipe de chercheurs français et chinois fait état de résultats obtenus avec le modèle ORCHIDÉE, qui prend en considération les changements dans l'utilisation des terres, les changements climatiques et les changements liés aux concentrations de CO2 en tant qu'éléments. Les effets des dépôts d'azote n'ont pas été inclus. Les résultats laissent penser qu'au cours du dernier siècle, environ trois quarts des émissions nettes causées par les changements liés à l'utilisation des terres ont été déclenchés par l'augmentation de la production primaire nette (PPN) en raison des effets de la fertilisation dus à la hausse des concentrations de CO2 et des changements climatiques. Depuis 1980, la production primaire nette augmente au taux de 0,4 % par an. Celle-ci a donné lieu à un puits de carbone net pendant les deux dernières décennies qui a dépassé les émissions simultanées issues des changements dans l'utilisation des terres. Pendant les années 1990, le puits mondial net qui résulte de la prise en considération des contributions naturelles et anthropiques a atteint un milliard de tonnes de carbone par an. Ce résultat est très proche des résultats issus d'évaluations de modèles d'inversion de distributions et de profils de CO2. Toutefois, le modèle laisse entendre également que le rejet naturel de CO2 par la respiration des écosystèmes augmente et que les écosystèmes mondiaux peuvent une fois de plus devenir une source de dioxyde de carbone dans les décennies à venir.

Schuur, E. A. G., Vogel, J.G., Crummer, K.G., Lee, H., Sickman, J.O., Osterkamp, T.E. 2009. The effect of permafrost thaw on old carbon release and net carbon exchange from tundra. Nature 459, 28 mai 2009, p.556-559.
Une étude sur les flux de carbone dans les zones de pergélisol exposées à différents niveaux de fonte indique qu'au cours des décennies, la décomposition du vieux carbone stocké dépassait le carbone absorbé par la croissance accélérée des plantes. Les résultats indiquent que dans un monde plus chaud, la fonte du pergélisol pourrait devenir une source importante de carbone pour l'atmosphère, entraînant ainsi une rétroaction positive sur le système climatique.
Au fur et à mesure que l'Arctique se réchauffe, l'une des principales incertitudes concerne la quantité de carbone libérée dans l'atmosphère provenant de l'énorme stock enseveli sous le pergélisol, en fonction de sa fonte, entraînant une rétroaction positive sur le système climatique. Dans cette étude, une équipe de scientifiques américains a pris des mesures sur plusieurs sites en Alaska subissant une fonte du pergélisol pour fournir un aperçu sur la manière dont les flux de carbone des zones subissant une fonte du pergélisol pourraient changer au cours du temps et sur les probabilités pour que le vieux carbone soit libéré. Les scientifiques ont découvert que même si les pertes de vieux carbone étaient plus importantes pour les sites subissant une fonte accélérée du pergélisol, ceux qui subissaient une fonte modérée (sites subissant une fonte depuis les 15 dernières années) permettaient une absorption globale réelle du carbone par l'écosystème, dans la mesure où la croissance accélérée des plantes compensait les pertes par la respiration. Par contre, les anciens sites subissant une fonte considérable constituaient une source nette de carbone, avec une décomposition du vieux carbone supérieure à l'absorption du carbone par les plantes. Les auteurs estiment qu'entre 9 et 13 % du carbone stocké dans les 80 cm de la couche active du sol de ce bassin pourrait être perdu d'ici la fin du siècle. L'application de ces taux de perte de carbone dans les estimations du bassin de carbone du pergélisol à l'échelle du globe indique qu'entre 0,8 et 1,1 Pg de C/an pourrait être perdu en cas de fonte du pergélisol en surface. Par conséquent, le dioxyde de carbone rejeté dans l'atmosphère uniquement à partir de cette source positive pourrait probablement avoisiner l'ampleur des flux biosphériques actuels liés aux changements dans l'utilisation des terres (1,5 ± 0,5 Pg de C/an).

Wang, X., Wang, D., Zhou, W. 2009. Decadal variability of twentieth-century El Niño and La Niña occurrence from observations and IPCC AR4 coupled models. Geophys. Res. Lett., 36, L11701, DOI:10.1029/2009GL037929.
Une étude récente indique que la variabilité du comportement de l'oscillation australe El Niño d'une décennie à l'autre pourrait être liée de manière complexe aux changements à long terme des autres configurations de la circulation océanique. Plus précisément, cette étude suggère que le comportement de La Niña est influencé par les changements de l'indice de l'oscillation décennale du Pacifique, alors que celui d'El Niño est influencé par l'indice de l'oscillation atlantique multidécennale. Les modèles ne permettent pas de mesurer adéquatement ces liens.
Des scientifiques chinois ont analysé la fréquence des épisodes El Niño et La Niña ainsi que leurs variations correspondantes de la température de la surface de la mer (SST) pour étudier les liens qui existent entre ces épisodes et l'oscillation atlantique multidécennale (OAM) et l'oscillation décennale du Pacifique (ODP). Cette étude couvrait la période allant de 1900 à 2003 grâce à des ensembles de données d'observation et à des simulations de 15 modèles couplés climatiques globaux (MCCG) utilisés dans le quatrième rapport d'évaluation du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat. L'analyse de ces observations indique que l'indice d'activité d'El Niño présente une oscillation décennale avec une période de 12 ans environ, et ses épisodes sont liés à l'indice d'OAM. Par ailleurs, l'indice d'activité de La Niña montre des variations décennales avec une période de 16 ans, et elle est influencée par l'indice de l'ODP. Par conséquent, sur le plan décennal, les téléconnexions planétaires liées à El Niño et à La Niña diffèrent selon les cas. Dans un second temps, les auteurs ont évalué la capacité de 15 MCCG pour simuler la variabilité décennale de l'activité d'El Niño, et la relation entre les épisodes d'El Niño et les températures de la surface de la mer pour le Pacifique et l'Atlantique. Ils ont découvert que très peu de MCCG pouvaient simuler convenablement l'un ou les deux types d'événements. De plus, ils ont découvert qu'aucun des MCCG ne pouvait simuler entièrement la relation entre l'activité d'El Niño ou de La Niña et les températures de la surface de la mer pour le Pacifique et l'Atlantique. Les résultats de cette étude sont encourageants, car ils permettent de mieux comprendre à quel point les oscillations multidécennales du Pacifique et de l'Atlantique jouent sur la variabilité de l'oscillation australe El Niño, ce qui pourrait nous permettre de prévoir les comportements de l'oscillation australe El Niño.

Wild, M. (2009), Global dimming and brightening: A review, J. Geophys. Res., 114, D00D16, doi:10.1029/2008JD011470, 31 p.
Tout au long du XXe siècle, les émissions d'aérosol anthropiques ont joué un rôle important sur plusieurs décennies dans les variations du rayonnement solaire atteignant la surface de la Terre. Les simulations du modèle climatique global (MCB) ne saisissent pas très bien ces variations. Les variations futures de ces émissions continueront d'avoir des répercussions sur les changements climatiques, surtout au niveau régional.
Une récente étude des problèmes " jumelés " d'assombrissement et d'éclaircissement global a analysé les changements survenus au cours du XXe siècle au niveau du rayonnement solaire atteignant la surface de la planète. Elle prenait également en compte les raisons éventuelles de ces changements et leur capacité à influencer les changements climatiques. Selon les preuves recueillies, le rayonnement solaire en surface (RSS) a subi des variations décennales importantes au fil du temps, avec un éclaircissement (augmentation du RSS) tôt dans les années 1930 et 1940, suivi d'un assombrissement global (diminution du RSS) entre les années 1950 et 1980 et, plus récemment, à nouveau un éclaircissement à plusieurs emplacements. Ces variations sont importantes, car elles influencent les températures en surface. Les variations du rayonnement solaire à la surface de la Terre ne sont pas liées aux variations de la production solaire, comme celles qui sont associées au cycle des taches solaires sur 11 ans, mais elles résultent principalement des changements au niveau des nuages et des aérosols atmosphériques issus de la pollution anthropique. En règle générale, les gaz à effet de serre actuels produisent des variations de l'éclaircissement et de l'assombrissement moins fortes que celles observées. Selon les auteurs, le fait que ce soit l'éclaircissement ou l'assombrissement qui prédomine à l'avenir dépend de la façon dont les émissions anthropiques d'aérosols et les précurseurs de l'aérosol varieront en fonction du développement économique et de la réglementation concernant la pollution atmosphérique. Les auteurs pensent que l'assombrissement régional futur devrait se produire dans les zones très polluées, comme l'Asie du Sud-Est, tandis qu'un faible éclaircissement supplémentaire devrait avoir lieu dans les pays industrialisés de l'ouest, où les niveaux d'aérosol se sont stabilisés à des valeurs faibles depuis environ l'année 2000.

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