Le développement économique et les rejets dans l'atmosphère de divers composés chimiques produits par l'activité industrielle ou agricole ont produit un accroissement des aérosols et de divers gaz minoritaires depuis le début de la révolution industrielle. Le principal de ces gaz est le gaz carbonique, mais le méthane , l'ozone, ou les chlorofluorocarbures (CFC) ont vu également leur concentration augmenter rapidement depuis un siècle.

Ces gaz ont une influence importante sur les échanges d'énergie dans l'atmosphère, car leurs molécules absorbent le rayonnement infrarouge émis par notre planète et le ré-émettent dans toutes les directions, en particulier vers la surface dont ils freinent ainsi le refroidissement. C'est ce phénomène que l'on appelle " effet de serre ". La poursuite du développement économique devant conduire à un accroissement de cet effet de serre au cours du 21-ème siècle, il est nécessaire de prévoir les conséquences climatiques de telles modifications dans l'équilibre radiatif de notre planète. A une telle échelle de temps il est indispensable de prendre en compte non seulement la réponse de l'atmosphère, mais aussi celle des océans, des surfaces continentales et de la banquise.

La méthode pour réaliser de tels scénarii climatiques consiste à coupler des modèles numériques représentant ces diverses composantes du système climatique, c'est à dire de leur permettre d'échanger à travers leurs frontières les informations dont chacun a besoin pour calculer sa propre évolution. En introduisant dans ces modèles, d'une part l'évolution de la concentration en gaz observée jusqu'à l'époque actuelle, et d'autre part les diverses évolutions économiques possibles, dépendant des choix faits dans le contrôle et la limitation de leur rejets futurs, on peut réaliser des scénarii climatiques pour simuler l'évolution possible du climat au cours du prochain siècle.

Une simulation utilisant un scénario d'évolution modérée des rejets, a été réalisée à l'aide du modèle Arpège-Climat de Météo-France couplé au modèle de circulation océanique OPAG (modèle du LODYC) et à un modèle de banquise. Ce scénario prévoit un réchauffement croissant des températures en surface au cours du 21-ème siècle en réponse à l'augmentation des gaz à effet de serre (figure 1). Ce réchauffement ne serait pas distribué de façon uniforme à la surface du globe, mais serait amplifié dans certaines régions, notamment en hiver dans les régions polaires (figure 2). Les résultats de tels scénarii climatiques peuvent être utiles pour étudier les conséquences environnementales du changement climatique.

Cependant, même si ces scénarii fournissent des données quantitatives sur les variations climatiques possible, il ne faut pas perdre de vue que de nombreuses incertitudes demeurent, en raison des connaissances encore insuffisantes sur certains processus pris en compte par les modèles actuels, notamment dans le domaine de la physique des nuages, et de leur résolution encore relativement grossière (maille de 300 km). Il est donc important de poursuivre le développement des modèles de climat, et d'en utiliser plusieurs afin d'estimer l'incertitude des projections climatiques.

Les modèles de climat constituent pour le climatologue une sorte de laboratoire numérique permettant de réaliser des expériences climatiques. Dans les simulations climatiques classiques on s'efforce de prendre en compte toutes les variations des conditions en surface permises par la taille de la grille du modèle, de façon à reproduire la répartition géographique du climat avec le plus de réalisme possible.

Mais pour mieux comprendre les mécanismes fondamentaux qui régissent la circulation générale de l'atmosphère, il est également utile de réaliser des simulations plus idéalisées sur une planète théorique ayant des conditions en surface beaucoup plus homogènes. Les conditions en surface les plus simples sont rencontrées sur les océans dont la surface, extrêmement régulière, peut être décrite par un seul paramètre, sa température, qui détermine les échanges de chaleur avec l'atmosphère. En raison de l'inertie thermique de l'océan cette température reste relativement constante. Cet effet régulateur de l'océan est bien connu : il explique la relative constance du type de climat 'océanique' par rapport au type 'continental'. Les océans couvrant 70% de la surface du globe ont une influence prépondérante sur la circulation de l'atmosphère.

Une simplification possible dans les modèles consiste à supprimer totalement les surfaces continentales en recouvrant l'ensemble de la planète d'un océan dont on fixe la température superficielle. Comme la température de l'océan varie beaucoup plus avec la latitude qu'avec la longitude, on peut faire une deuxième simplification en ne retenant que les variations avec la latitude. De la sorte on fabrique une sorte de planète aquatique idéalisée (mais pas forcément idéale, sauf pour les poissons!) que l'on a baptisée " aqua-planète ", beaucoup plus simple à étudier.

En choisissant les températures de l'océan pour représenter le contraste entre l'équateur et le pôle, on peut reproduire une circulation atmosphérique qui ressemble beaucoup au climat observé en moyenne. Par construction le climat de l'aquaplanète doit être indépendant de la longitude, ce qui permet de vérifier si des grilles de calcul présentant des variations selon la longitude n'introduisent pas des erreurs par rapport au climat théorique. Une simulation a été réalisée à Météo-France en utilisant la technique de la maille variable qui consiste à étirer la grille du modèle autour d'un point choisi que l'on nomme " pôle d'étirement " de façon à décrire plus finement les phénomènes autour de ce point (figure 1). Les résultats montrent que les zones de fortes précipitations associées à de la convection (cumulonimbus tropicaux) peuvent se propager tout autour du globe sans déformation malgré la forte variation de la taille de la grille le long de l'équateur (figure 2), à condition de garder partout une distance minimale inférieure à 400 km entre les points de grille voisins

Quand on veut aller au delà de la description du climat pour comprendre les mécanismes et tenter de prévoir les impacts d'une modification comme l'augmentation des gaz à effet de serre, on a recours à un modèle. C'est à dire on demande à un gros ordinateur de résoudre des équations qu'on sait poser, mais qu'il nous prendrait des siècles à résoudre à la main. Dans le programme informatique appelé modèle de climat , le globe terrestre est découpé en petites boîtes supposées homogènes. La taille de ces boîtes s'appelle la résolution. Comme en photographie, plus il y a de points, plus l'image est fine. Plus la boîte est petite, meilleure sera la représentation du temps.

Pour simuler le climat d'une région, il faut simuler le climat du globe. Mais il faut aussi la meilleure résolution possible sur la région qui nous intéresse. Pour éviter le coût informatique prohibitif d'une résolution très fine sur tout le globe, diverses techniques peuvent être mises en œuvre. Les chercheurs de Météo-France ont choisi d'utiliser des boîtes de taille variable : de 60 km sur la France à 500 km sur le Pacifique Sud. Avec une telle résolution, il est possible de faire des simulations de 30 années en moins d'un mois sur le gros calculateur de Météo-France. On peut ainsi calculer l'impact sur les précipitations en France d'un doublement du taux de gaz carbonique dans l'atmosphère.

L'enroulement du vent autour des anticyclones et des dépressions est dû à la force de Coriolis (du nom du mathématicien français Gaspard Coriolis,1792-1843). Cette force, qui est présente dès qu'un système est en rotation, est perpendiculaire au vent, et tend à le dévier vers la droite dans l'hémisphère Nord et vers la gauche dans l'hémisphère sud. Ainsi, dans l'hémisphère Nord, le vent tourne dans le sens des aiguilles d'une montre autour des anticyclones et dans le sens inverse autour des dépressions. Les sens de rotation sont inversés dans l'hémisphère sud.

Tout objet sur la terre ressent cette force, mais elle a surtout une influence sur les vents et les courants marins à grandes échelles. Ainsi, malgré la croyance populaire, la force de Coriolis n'a pratiquement aucun effet sur le sens de rotation des tourbillons de vidange dans les lavabos.

Pour certaines vitesses de rotation, nous avons ainsi pu observer que les cyclones et les anticyclones ne se comportent pas de la même manière. Ces derniers sont rapidement détruits tandis que les cyclones persistent très longtemps. La figure du bas montre une coupe verticale passant par l'axe des deux tourbillons. Cette coupe a été réalisée à l'aide d'un plan lumineux laser et les tourbillons sont colorés par du colorant vert fluorescent. Nous voyons ainsi que l'anticyclone, qui est à gauche, présente une série d'anneaux tourbillonnaires sur sa périphérie. Ces petits tourbillons naissent en raison d'une instabilité et croissent très fortement si bien que l'anticyclone est rapidement désorganisé. Les cyclones, eux, sont insensibles à cette instabilité. Il y a donc fort à penser que les anticyclones au-dessus de la Guadeloupe sont eux aussi détruits par une instabilité de ce type et sont donc inexistants.

Depuis le début des années 80, plusieurs conférences internationales ont montré que l'influence de l'homme semblait être le facteur dominant dans le réchauffement atmosphérique observé. La cause de ce réchauffement serait l'augmentation massive de certains rejets gazeux dans l'atmosphère provenant des diverses activités humaines (industries, automobiles, élevage intensif...).

L'effet de serre est à l'origine un phénomène naturel. Il permet à la température de la basse atmosphère de se maintenir autour de 15°C en moyenne et conditionne le foisonnement de différentes formes de vie sur Terre. Sans lui, la température moyenne de la surface de la Terre avoisinerait - 18°C, interdisant toute forme de vie.

Le phénomène d'effet de serre est lié à la présence dans l'atmosphère de certains gaz qui piégent les rayonnements émis par la Terre (infra-rouge). Une partie de ces rayonnements est ré émise en direction du sol contribuant ainsi au réchauffement des basses couches de l'atmosphère. L'azote et l'oxygène sont "quasiment" transparents aux rayonnements infrarouges. Ils ne sont pas impliqués dans l'effet de serre. La vapeur d'eau, le gaz carbonique, le méthane, les chlorofluorocarbures, l'ozone, contribuent directement à l'effet de serre.

Des recherches ont été entreprises pour analyser les variations de température à la surface de la Terre depuis quelques siècles.

Parallèlement au réchauffement de la basse atmosphère, on met en évidence un accroissement constant de la quantité de gaz à effet de serre au cours des dernières décennies malgré l'absorption naturelle des océans et de la végétation.

L'océan est un régulateur de la concentration en CO2 dans l'atmosphère grâce à sa grande capacité à le dissoudre. Mais le déséquilibre observé est du à la lenteur des processus d'absorption naturels par rapport à la vitesse d'émission du gaz carbonique par les activités humaines.

La biosphère terrestre échange avec l'atmosphère une importante quantité de gaz carbonique. Cet échange est globalement équilibré sur un an malgré des variations saisonnières.

La déforestation massive dans certaines parties du globe, et plus précisément les incendies allumés pour détruire la forêt, contribue à augmenter l'émission de gaz carbonique.
La production de gaz carbonique excède la capacité d'absorption de la nature. D'ici 2050, on prévoit un doublement de la concentration de gaz carbonique dans l'atmosphère par rapport au début de l'ère industrielle.

Constatant un réchauffement de la Terre, la communauté scientifique internationale s'est mobilisée. Le Centre National de Recherches Météorologiques de Météo France participe à cet effort.

L'objectif consiste à simuler au mieux l'évolution probable du réchauffement de l'atmosphère terrestre afin de fournir aux pouvoirs publics des éléments de décision pour préserver l'avenir des générations futures (ex : arrêt de production des CFC...).
Météo France a mis au point un modèle de climat dérivé de son modèle opérationnel de prévision. Ce modèle simule les températures et les précipitations sur l'ensemble du globe à différentes échéances (début du 21ème siècle) en fonction des concentrations supposées de l'atmosphère en gaz à effet de serre. Plusieurs équipes de recherche de Météo France travaillent sur ce domaine en collaboration étroite avec de nombreux laboratoires français et étrangers.

Les modèles de climat actuels ne permettent pas encore de simuler les variations climatiques à l'échelle de l'Europe ou du bassin méditerranéen par exemple. Seules les variations globales sont utilisables. Les essais de régionalisation représentent un défi important que Météo France a décidé de relever. Un des scénario représentant la situation la plus plausible prédit que la concentration en gaz carbonique doublerait d'ici l'an 2050.

Les résultats des simulations obtenues à partir de différents modèles de climat (français ou étrangers) montrent une augmentation de la température moyenne à la surface terrestre de 1.5 à 4°C, ainsi que des variations du régime des pluies. Ces valeurs moyennes cachent des disparités importantes selon les régions.

Tous les résultats des simulations obtenues sur l'évolution du climat futur sont à mettre au conditionnel. En effet, le rôle des océans et des nuages demeure mal connu ce qui limite l'interprétation des résultats.

Ni l'un ni l'autre, car le mot prévision recouvre des notions très différentes dans les deux cas. La prévision classique prétend décrire l'évolution des phénomènes météorologiques à partir d'une situation donnée (à 12h, 24h, 48h ...d'échéance). Mais la nature chaotique de l'atmosphère et les incertitudes inévitables sur les mesures font que la situation prévue ressemble de moins en moins à la situation observée.

Le caractère prévisible s'atténue au cours du temps jusqu'à devenir imperceptible. Mais il demeure un faible pourcentage de prévisibilité dû à l'action lente mais systématique de l'océan (surtout l'océan tropical) sur l'atmosphère. Pour exploiter ce gisement de prévisibilité, il faut considérer le problème sous son aspect climatique. Le climat est la moyenne d'un paramètre comme la température sur une longue période (30 ans). Dans une région à climat doux comme la France, il y a moins de chance qu'il fasse très froid en hiver que sur l'Asie centrale. Mais c'est une moyenne, et la France peut connaître des vagues de froid. Sous l'effet des variations d'une année sur l'autre des températures de l'océan mondial, le climat peut être temporairement modifié. En fait, on ne peut pas mesurer une variation du climat avec une seule année, mais les modèles de prévision météorologique permettent, par le calcul, de simuler autant d'années qu'on le souhaite avec la même contrainte venant de l'océan.

Une prévision saisonnière est donc constituée d'un ensemble de simulations de plusieurs mois censé représenter le climat d'une même saison. On pourra alors dire qu'il y a plus de chances que l'hiver prochain soit plus froid que la moyenne des hivers récents à tel endroit et plus chaud à tel autre endroit. Mais on ne pourra pas dire quand la vague de froid arrivera, et on n'est même pas sûr à 100% qu'elle arrivera cet hiver. Il s'agit plus d'un pari fondé sur des bases scientifiques qu'une affirmation péremptoire. Cependant, toutes les régions du monde ne sont pas égales devant la prévisibilité saisonnières. Les anomalies de l'océan les plus importantes ont lieu dans le Pacifique équatorial. Les régions proches comme l'Amérique sont favorisées. Pour vérifier si un paramètre donné est prévisible pour une saison donnée sur une région donnée, on reconstitue des prévisions sur une longue période (plus de 10 ans) et on calcule les scores de réussite. De tels scores sont présentés dans les figures que vous pouvez agrandir.

La mousson est un phénomène climatique majeur qui résulte d'une variation à l'échelle de la saison de la circulation atmosphérique dans certaines régions tropicales, Sud de l'Asie, Nord de l'Australie et Afrique subsaharienne essentiellement. En Inde comme ailleurs, la mousson est liée à une inversion du gradient de température entre continent et océan. L'hiver, le continent Asiatique est plus froid que l'océan Indien. C'est la saison sèche qui voit les alizés circuler d'Est en Ouest au Nord de l'Océan Indien. L'été, le continent se réchauffe plus que l'Océan. C'est la saison des pluies, qui voit la zone de convergence intertropicale remonter vers le Nord et les vents marins chargés d'humidité se retourner vers le Nord-Est en direction du continent Asiatique. La mousson Indienne apporte entre Juin et Septembre l'essentiel des précipitations annuelles, notamment au centre et au Nord du pays. C'est une saison cruciale pour l'agriculture ainsi que pour les risques d'inondation. Les pluies de mousson varient sensiblement d'une année sur l'autre et il est important de comprendre les mécanismes de cette variabilité interannuelle.

Que suggèrent les séries climatologiques observées ?

De nombreuses études statisques basées sur des séries climatologiques observées ont permis d'identifier différentes régions susceptibles d'influencer la mousson Indienne. Elles ont notamment permis de mettre en évidence l'importance du Pacifique Equatorial, dont la température joue un rôle prépondérant dans la variabilité climatique tropicale. Un résultat plus surprenant est l'apparente relation qui existe entre les pluies de mousson et l'enneigement du continent Eurasiatique pendant l'hiver précédent la mousson. Les années de fort enneigement sont en général suivies d'une faible mousson et inversement. La question est donc de savoir si cette relation est une pure coïncidence, ou si le refroidissement continental lié à une fonte plus tardive de la couverture neigeuse peut effectivement influencer la mousson ?

Comment tester cette hypothèse à l'aide d'un modèle numérique ?

Le modèle Arpège-Climat de Météo-France est un modèle numérique de circulation générale atmosphérique, c'est à dire une représentation mathématique des mouvements de l'atmosphère terrestre basée sur des lois physiques telles que la conservation de la masse ou de l'énergie. Ces modèles nécessitent d'effectuer d'innombrables calculs en de nombreux points répartis à différents niveaux verticaux sur l'ensemble du globe, afin de simuler l'évolution des paramètres atmosphériques (vent, température, humidité) à partir d'une situation initiale. On peut par exemple effectuer deux expériences allant du 1er Mars au 1er Septembre et qui ne diffèrent que par l'enneigement initial sur le continent Eurasiatique. Dans l'expérience de contröle, on démarre la simulation avec une couverture neigeuse standard. Dans l'expérience perturbée, on ajoute une anomalie positive d'épaisseur de neige sur les zones enneigées du continent Eurasiatique. Afin d'obtenir des résultats statistiquement robustes, on peut répéter ces deux types d'expérience en démarrant les simulations quelques jours plus tôt ou quelques jours plus tard. En moyennant les résultats des différentes simulations, on obtient la réponse de l'atmosphère à une augmentation de l'enneigement hivernal (cf. figures 1 et 2). On constate alors que le modèle prévoit effectivement une diminution des pluies de mousson, ce qui confirme l'hypothèse suggérée par les observations.

El Nino est un phénomène climatique qui se produit dans le Pacifique tropical. Son influence est considérable sur l’ensemble de la planète et on le considère comme le phénomène le plus important après l’alternance des saisons.

Habituellement, dans le Pacifique, les eaux chaudes sont situées vers l’Océanie et les eaux froides à proximité des côtes de l’Amérique du Sud. En période de El Nino, les eaux chaudes de l’ouest du Pacifique (Océanie) se déplacent vers l’est (Amérique du Sud). Cela entraîne une circulation atmosphérique dont les conséquences peuvent être catastrophiques. De très fortes pluies et des inondations frappent l’Amérique du sud (Pérou, nord du Chili). Des sécheresses exceptionnelles et des feux de forêts touchent l’Indonésie. Les implications humaines et économiques peuvent être dramatiques.

D’où l’importance d’une prévision sur plusieurs mois et de la recherche sur le phénomène climatique El Nino.

Le Centre National de Recherches Météorologiques a mis au point un programme informatique tenant compte de l’atmosphère et de l’océan et portant sur la circulation dans l’air et dans l’eau. Les chercheurs ont étudié les variations à la surface du Pacifique tropical et le rapport avec la succession des évènements El Nino.

La variation simulée par ordinateur est réaliste, et reproduit correctement le phénomène. Le comportement de l’océan dans la succession des évènements El Nino est lui aussi bien simulé.

Mais l’étude montre que ce sont les variations à court terme (quelques mois) des caractéristiques de l’océan (température, salinité) qui représentent la cause la plus importante des fluctuations de El Nino.

Cette hypothèse remet en question certaines hypothèses scientifiques établies et oblige le CNRM à orienter ses recherches vers de nouvelles pistes.

Un tel travail montre la difficulté de recherche qui doit explorer parfois des pistes sans issue avant de trouver la bonne.

La température hivernale a augmenté de 1 à 3 degrés dans les Alpes françaises depuis 40 ans, d'après une étude menée par les chercheurs de Météo-France.

Cette étude permet par exemple de mieux comprendre l'évolution du manteau neigeux et ses conséquences sur l'environnement en montagne. La neige est très sensible au réchauffement de l'atmosphère, et son évolution permet de détecter des tendances du climat.

L'étude a porté sur 40 ans d'observations de données météorologiques et de mesures de hauteur de neige. Comme le réseau nivo-météorologique de montagne ne s'est mis en place que depuis les années 70, il a fallu combler les données d'observations manquantes en les reconstituant. Pour cela, une méthode originale a été mise au point pour reconstituer l'enneigement des Alpes depuis 40 ans à partir de la météorologie de surface et des données d'altitude fournies par le modèle atmosphérique du centre européen. La méthode a été validée par de nombreuses études, en particulier en comparant les hauteurs de neige calculées par les chercheurs à des observations.

L'étude confirme que l'enneigement dépend de l'ensoleillement, de l'altitude et du massif montagneux. On constate que la température hivernale sur les Alpes a augmenté plus en moyenne que sur l'ensemble de la France. Les Alpes françaises sont ainsi particulièrement soumises au réchauffement climatique.

La hauteur de neige au sol pendant l'hiver varie beaucoup suivant les années, selon la température et les chutes de neige. Elle dépend aussi fortement des événements météorologiques et de leur enchaînement  : un hiver peut être bien enneigé si la neige tombe modérément en début de saison et que la température de l'air reste basse toute la saison.

Cette étude de Météo-France apporte un éclairage nouveau sur le réchauffement du climat en milieu montagnard et constituera également une base pour les futures études portant sur le manteau neigeux.