CMIP6 : la prochaine génération de modèles climatiques expliquée

Les modèles climatiques sont l’un des principaux moyens dont disposent les scientifiques pour comprendre comment le climat a changé dans le passé et pourrait changer à l’avenir. Ces modèles simulent la physique, la chimie et la biologie de l’atmosphère, de la terre et des océans de façon très détaillée et nécessitent certains des plus grands supercalculateurs au monde pour générer leurs projections climatiques.

Les modèles climatiques sont constamment mis à jour, car différents groupes de modélisation à travers le monde intègrent une résolution spatiale plus élevée, de nouveaux processus physiques et des cycles biogéochimiques. Ces groupes de modélisation coordonnent leurs mises à jour en fonction du calendrier des rapports d’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l‘évolution du climat (GIEC) et publient un ensemble de résultats de modèle – appelés  » séries  » – dans la perspective de chacun d’entre eux.

Ces efforts coordonnés s’inscrivent dans le cadre des Projets de modèles couplés de comparaisons interlaboratoires (CMIP). Le cinquième rapport d’évaluation (RE5) du GIEC de 2013 présentait les modèles climatiques du CMIP5, tandis que le sixième rapport d’évaluation (RE6) du GIEC de 2021 présentera de nouveaux modèles CMIP6 de pointe.

CMIP6 comprendra les « runs » d’une centaine de modèles climatiques distincts produits par 49 groupes de modélisation différents. L’effort a déjà un an de retard et il semble de moins en moins probable que tous les modèles CMIP6 seront disponibles à temps pour être inclus dans le RE6.

Il y a maintenant suffisamment de données disponibles pour Carbon Brief pour produire une évaluation initiale de la façon dont les choses ont changé depuis CMIP5. Ces modèles utilisent un certain nombre de voies d’émission nouvelles et mises à jour qui explorent un éventail beaucoup plus large de résultats futurs possibles que ce qui était inclus dans le CMIP5.

Bien que les résultats d’environ 31 modèles CMIP6 seulement aient été publiés jusqu’à présent, il est déjà évident qu’un certain nombre d’entre eux ont une sensibilité climatique nettement supérieure à celle des modèles CMIP5. Cette sensibilité plus élevée contribue aux projections d’un réchauffement plus important au cours du siècle – de l’ordre de 0,4 à 0,9 °C plus chaud que dans des scénarios similaires du CMIP5 – bien que ces projections de réchauffement puissent changer à mesure que de nouveaux modèles seront disponibles. Les chercheurs cherchent encore à déterminer pourquoi les valeurs de sensibilité semblent plus élevées dans la dernière génération de modèles.

Dans cet explicatif, Carbon Brief donne un aperçu des scénarios d’émissions futures qui sont utilisés dans CMIP6. Cela comprend un examen de la sensibilité climatique, du réchauffement passé et futur des modèles CMIP6 publiés jusqu’à présent, et un examen de leur comparaison avec la génération précédente des modèles CMIP5. Enfin, cet article résume les différentes expériences menées par les modèles climatiques dans le cadre du CMIP6.

Scénarios d’émissions futures

CMIP6 représente une augmentation substantielle par rapport à CMIP5, en termes de nombre de groupes de modélisation participants, de nombre de scénarios futurs examinés et du nombre d’expériences différentes réalisées.

L’objectif du CMIP est de générer un ensemble de simulations standard que chaque modèle exécutera. Cela permet de comparer directement les résultats entre les différents modèles, de voir où les modèles sont d’accord et où ils sont en désaccord sur les changements futurs. L’un des principaux ensembles de simulations effectuées par les modèles sont des scénarios climatiques futurs, dans lesquels les modèles reçoivent un ensemble commun de concentrations futures de gaz à effet de serre, d’aérosols et d’autres forçages climatiques pour prévoir ce qui pourrait arriver dans l’avenir.

Dans la perspective du 6e rapport d’évaluation du GIEC, la communauté de la modélisation énergétique a élaboré un nouvel ensemble de scénarios d’émissions fondés sur différentes hypothèses socioéconomiques, à savoir les  » Chemins socio-économiques partagés  » (SSP). Un certain nombre de ces scénarios du SSP ont été choisis pour guider les modèles climatiques du CMIP6.

Plus précisément, un ensemble de scénarios a été choisi pour fournir une gamme de résultats distincts en matière de changements climatiques à la fin du siècle. Le RE5 du GIEC comportait quatre voies de concentration représentatives (PCR) qui examinaient différentes émissions possibles de gaz à effet de serre à l’avenir. Ces scénarios –  RCP2.6RCP4.5RCP6.0, et RCP8.5 – ont de nouvelles versions dans CMIP6. Ces scénarios mis à jour sont appelés SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP4-6.0 et SSP5-8.5, qui donnent chacun des niveaux de forçage radiatif similaires à ceux de leur prédécesseur dans AR5.

Un certain nombre de nouveaux scénarios sont également utilisés pour le CMIP6 afin d’offrir aux scientifiques un plus grand choix de futurs à simuler. Ces scénarios sont inclus dans le graphique ci-dessous, qui montre les émissions annuelles de CO2 supposées pour chaque scénario jusqu’en 2100. Les nouveaux scénarios comprennent SSP1-1.9 (ligne violette), SSP4-3.4 (bleu solide), SSP5-3.4OS (bleu pointillé) et SSP3-7.0 (orange).

Scénarios d’émissions de CO2 futures présentés dans CMIP6, ainsi que les émissions historiques de CO2 (en noir). La zone ombrée représente l’éventail des scénarios de référence sans politique.
Données de la base de données du SSP ; graphique par Carbon Brief à l’aide de Highcharts.

L’une des principales améliorations apportées aux scénarios CMIP6 est une meilleure exploration des résultats possibles d’une base de référence  » sans politique climatique « . La génération précédente des modèles climatiques présentés dans CMIP5 ne comportait qu’un scénario de référence très élevé (RCP8.5) et un scénario relativement peu atténué conforme aux résultats de référence (RCP6.0). Une grande partie de la documentation subséquente s’est appuyée sur RCP8.5 comme étant la seule base de référence sans politique, la qualifiant souvent de  » statu quo  » bien qu’il s’agisse en quelque sorte du pire scénario parmi les résultats possibles sans politique.

CMIP6 a ajouté un nouveau scénario – SSP3-7.0 – qui se situe au milieu de la gamme des résultats de base produits par les modèles de systèmes énergétiques. Désormais, les modélisateurs peuvent examiner le pire des cas (SSP5-8.5), les résultats intermédiaires (SSP3-7.0) et plus optimistes (SSP4-6.0) lorsqu’ils modélisent comment le monde pourrait se réchauffer dans un monde où aucune politique climatique n’est appliquée.

SSP4-3.4 est un autre nouveau scénario qui tente d’explorer l’espace entre les scénarios qui limitent généralement le réchauffement à moins de 2°C (RCP2.6 / SSP1-2.6) et autour de 3°C (RCP4.5 / SSP2-4.5) en 2100. Il aidera les scientifiques à mieux évaluer les impacts du réchauffement si les sociétés réduisent rapidement les émissions, mais ne parviennent pas à les atténuer assez rapidement pour limiter le réchauffement à moins de 2C.

Le SSP5-3.4OS est un scénario de dépassement (OS) où les émissions suivent une trajectoire SSP5-8.5 du pire scénario jusqu’en 2040, après quoi elles diminuent extrêmement rapidement avec une forte utilisation des émissions négatives à la fin du siècle.

Enfin, le SSP1-1.9 est un scénario visant à limiter le réchauffement à moins de 1,5 °C d’ici 2100 par rapport aux niveaux préindustriels. Elle a été ajoutée à la suite de l’Accord de Paris lorsque les pays ont convenu de poursuivre leurs efforts pour limiter l’augmentation de la température à 1,5°C. Les modèles énergétiques et les modèles climatiques simples développés pour limiter le réchauffement à 1,5C ont joué un rôle important dans le rapport spécial sur 1,5C que le GIEC a publié en 2018. Ces nouveaux scénarios CMIP6 permettront désormais à des modèles climatiques complets d’explorer les changements et les impacts climatiques à environ 1,5°C de réchauffement.

CMIP6 présente de nouveaux scénarios qui aboutissent en 2100 à un forçage similaire aux scénarios CMIP5 RCP. Cependant, même si leur forçage à la fin du siècle est le même, les voies d’émission et le mélange d’émissions de CO2 et de non-CO2 sont différents. Le graphique ci-dessous compare les émissions de CO2 dans les anciens scénarios RCP (lignes en pointillés) et leurs nouvelles contreparties SSP (lignes pleines).

Les futurs scénarios d’émissions de CO2 du PCR présentés dans CMIP5 et leurs équivalents CMIP6, ainsi que les émissions historiques de CO2 (en noir). Données de la base de données du SSP ; graphique par Carbon Brief à l’aide de Highcharts.

Plusieurs raisons expliquent ces différences. Les nouveaux scénarios du PAS commencent en 2014, tandis que les anciens PCR ont débuté en 2007. Le scénario bas de gamme SSP1-2.6 montre une baisse plus graduelle des émissions que le scénario RCP2.6 et un point de départ plus élevé, reflétant en partie le fait que les émissions de 2007-2014 ont été sensiblement plus élevées que prévu dans le scénario RCP2.6 initial. Elle utilise beaucoup plus d’émissions négatives de la fin du siècle pour compenser le point de départ plus élevé et le déclin plus lent.

Le SSP2-4.5 présente également un point de départ plus élevé et une baisse légèrement plus lente que le RCP4.5, bien que des baisses plus importantes des émissions autres que le CO2 dans le SSP2-4.5 jouent également un rôle. Le SSP4-6.0 est très différent du RCP6.0, les émissions de CO2 culminant et diminuant après 2050 par rapport à 2080. Cette atténuation plus rapide compense les émissions plus élevées à court terme, bien que les émissions de gaz à effet de serre autres que le CO2 jouent également un rôle. Enfin, le SSP5-8.5 émet beaucoup plus de CO2 que le RCP8.5, ce qui entraîne des réductions plus importantes des émissions autres que le CO2.

(…)

Réchauffement futur du CMIP6

Le nombre limité de projections futures disponibles dans CMIP6 signifie que les résultats collectifs peuvent changer au fur et à mesure que le nombre d’exécutions de modèles augmente. Néanmoins, une première évaluation du niveau de réchauffement futur dans les modèles disponibles aujourd’hui est encore possible. Bien que la moyenne de tous les modèles changera à mesure que l’on disposera de plus de résultats, il est clair que la fourchette de réchauffement des valeurs dans CMIP6 sera nettement plus large que dans CMIP5.

Le graphique ci-dessous montre la fourchette du réchauffement et du réchauffement moyen multi-modèle – des niveaux préindustriels à 2090-2100 – pour chacun des scénarios futurs examinés dans CMIP6 (sauf le scénario SSP5-3.4OS). Les chiffres entre parenthèses indiquent combien de groupes de modélisation ont actuellement soumis des simulations pour chaque scénario.

Les résultats obtenus jusqu’à présent montrent un réchauffement futur important ; le nouveau scénario SSP1-1.9 – qui vise à limiter le réchauffement à 1,5C – a un réchauffement moyen multi-modèle de 1,6C. De même, le scénario SSP1-2.6 – qui est analogue au scénario RCP2.6 « bien en dessous de 2C » du RE5 – montre un réchauffement moyen de 2.1C. Dans la partie supérieure, le scénario SSP5-8.5 montre un réchauffement moyen de 5.5C, tandis que le nouveau scénario SSP3-7.0 montre 4.5C de réchauffement.

Certains scénarios futurs ont relativement peu d’exécutions disponibles jusqu’à présent, de sorte que les valeurs initiales doivent être traitées avec prudence (en particulier pour la moyenne multi-modèle) jusqu’à ce que davantage de modèles aient terminé leurs exécutions. Même ceux comme SSP2-4.5 – avec 14 modèles rapportant des résultats – peuvent changer notablement une fois que les modèles restants auront terminé leur série et seront ajoutés à la base de données CMIP6.

Les résultats obtenus jusqu’à présent diffèrent assez sensiblement de ceux obtenus dans CMIP5 pour des scénarios de forçage similaires. La figure ci-dessous compare le réchauffement par rapport aux niveaux préindustriels entre des scénarios similaires dans CMIP5 et CMIP6.

Alors que le RCP2.6 avait une estimation du réchauffement moyen multi-modèle de 1,7C dans CMIP5, le nouveau scénario SSP1-2.6 a un réchauffement moyen de 2,1C. Des différences similaires sont constatées pour les autres scénarios, les variantes CMIP6 présentant entre 0,4C et 1,1C de réchauffement supplémentaire. Il est intéressant de noter que le nouveau scénario SSP3-7.0 montre un réchauffement similaire – 4,5C – à celui de l’ancien scénario RCP8.5 – 4,6C – ce qui reflète la plus grande sensibilité des modèles CMIP6 publiés jusqu’ici. Les différences entre les scénarios du PCR et les nouveaux scénarios du PAS ont également un léger effet sur le réchauffement de la fin du siècle.

Plus de modèles et d’expériences

Les expériences du CMIP6 comprennent des simulations « diagnostiques » de base (appelées DECK) où le CO2 est augmenté de 1% par an, ou soudainement quadruplé, ou où les forçages climatiques sont laissés relativement inchangés pendant de longues périodes de temps. Il s’agit notamment de cycles historiques déterminés par les changements observés dans les émissions de CO2 et d’autres forçages climatiques, et de scénarios d’émissions futures au cours du XXIe siècle et au-delà.

En outre, les groupes de modélisation peuvent choisir de participer à 22 expériences spécialisées (dont 23 scénarios d’émissions futures). Ces expériences – appelées projets de comparaisons interlaboratoires de modèles, ou MP – fournissent des évaluations utiles des changements climatiques qui vont au-delà de celles des diagnostics de base et des simulations historiques. Par exemple, dans l’expérience GeoMIP, différents groupes de modélisation simulent l’effet de différents types de géo-ingénierie sur le climat. Les prix minimaux à l’importation inclus dans le CMIP6 sont indiqués dans la figure ci-dessous.

Tous les groupes de modélisation ne participeront pas à toutes les expériences du PPI du CMIP6 – en partie parce que tous les groupes n’ont pas le même niveau de ressources ou d’intérêt pour des expériences particulières en superinformatique. Les MIP inclus dans le CMIP6 sont énumérés ci-dessous ; des détails sur chacun d’eux peuvent être trouvés dans les liens qui l’accompagnent.

Les résultats que chaque centre de modélisation produit pour CMIP6 sont chargés sur un portail Web central, géré par le Programme de diagnostic et d’intercomparaison des modèles climatiques (PCMDI), auquel les scientifiques de nombreuses disciplines et du monde entier peuvent accéder librement et librement. Il y a aussi un numéro spécial de la revue Geoscientific Model Development sur CMIP6, avec 28 articles publiés couvrant l’ensemble du projet et les PIM spécifiques.

CMIP6 est un énorme effort de modélisation, nettement plus ambitieux que CMIP5. Cela a entraîné certains retards, CMIP6 accusant actuellement un retard d’au moins un an par rapport au calendrier prévu. Bien que le sixième rapport d’évaluation du GIEC soit en cours d’élaboration, seul un ensemble relativement limité de modèles est disponible, et il semble peu probable que tous les essais CMIP6 soient achevés à temps pour la version finale du sixième rapport d’évaluation.

Via CarbonBrief

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