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Généralités sur le changement climatique et sur la variabilité naturelle
D’après la convention-cadre de Nations Unies, on entend par changements climatiques « […] les changements de climat qui sont attribués directement ou indirectement à une activité humaine, altérant la composition de l’atmosphère mondiale et qui viennent s’ajouter à la variabilité naturelle de climat observée au cours de périodes comparables » (IPCC, 2002). Dans cette définition, les deux termes de variabilité naturelle et de changement systématique du aux activités humaines sont juxtaposés. La réponse du système climatique au forçage induit par les activités humaines se superpose en effet à la variabilité naturelle du climat, interne ou associée à des facteurs externes naturels, et qui peut être caractérisée par les mêmes échelles de variabilité. Pour évaluer un changement à long terme, il apparaît donc nécessaire de séparer la variabilité naturelle du système climatique des changements induits par des facteurs externes d’origine anthropique.
Le système climatique varie en effet à toutes les échelles temporelles et spatiales. Le travail de M. Ghil (2002) offre une perspective claire de l’analyse de la variabilité naturelle du climat, en incluant dans la variabilité naturelle trois types de phénomènes : les variations guidées par des forçages externes purement périodiques, telles que le cycle diurne ou saisonnier, qui sont faciles à prévoir ; celles dues à des mécanismes de rétroaction internes au climat, qui sont difficiles à comprendre et prévoir ; celles associées à des fluctuations aléatoires des facteurs physiques ou chimiques du système climatique, telles que les fluctuations non linéaires des régimes de temps ou l’injection d’aérosols suite aux éruptions volcaniques qui sont, en principe, impossibles à prévoir.
A cause de la présence de cette variabilité naturelle, parfois de grande amplitude, l’identification du changement climatique d’origine anthropique peut être vue comme un problème statistique d’estimation d’un signal en présence d’un bruit qui comprend toutes les variabilités du système que l’on désire filtrer. Pour résoudre ce problème, il est nécessaire donc de démontrer que le changement systématique observé est significativement différent (au sens statistique) de ce qui peut être expliqué par la variabilité naturelle. La démarche consiste donc à comprendre et attribuer les causes du changement observé, car l’identification n’implique pas nécessairement la compréhension des causes.
Toutefois, assimiler la variabilité naturelle à un bruit qui empêche la détection des changements à long terme n’est ni toujours possible ni correct, étant donné que la variabilité naturelle peut être du même ordre de grandeur que les changements à détecter. De plus, elle n’est pas toujours séparable des changements à long terme car les structures de couplage et de rétroaction compliquent l’attribution des causes des changements observés.
Pourquoi étudier la stratosphère ?
La stratosphère est la région de l’atmosphère comprise entre 10 km et 50 km en moyenne où la température augmente avec l’altitude (figure 1.1) et est liée à la distribution verticale d’ozone qui réchauffe cette partie de l’atmosphère. La principale conséquence de cette structure thermique est que les déplacements verticaux sont fortement inhibés et que les échelles temporelles de transport sont bien plus longues que dans la troposphère. Il s’agit donc d’une région stable vis-à-vis des déplacements verticaux et bien stratifiée, d’où le terme stratosphère.
L’importance et l’actualité de l’étude de la stratosphère reposent sur trois points fondamentaux :
• Les processus stratosphériques jouent un rôle important dans le climat de la terre. L’absorption du rayonnement solaire par l’ozone dans la stratosphère a pour effet de moduler le forçage solaire sur le climat ; les concentrations de certains gaz stratosphériques, tels que le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau ont un effet radiatif qui est également déterminant pour le climat de la terre ;
• En raison de la forte stabilité statique de la stratosphère, le changement climatique dans cette partie de l’atmosphère est plus net que dans la troposphère, et donc à priori plus facile à détecter, et se traduit par un refroidissement systématique, conséquence directe de l’effet combiné de la diminution de l’ozone stratosphérique et de l’augmentation des concentrations de gaz actifs du point de vue radiatif dans l’infrarouge (principalement le dioxyde de carbone (CO2) et la vapeur d’eau). De plus, à partir de 1979, il existe des mesures globales (par satellite) de la stratosphère qui, associées aux mesures ponctuelles des radiosondes et lidars, existant depuis 1950 et 1970, et aux réanalyses globales couvrant désormais la majorité de la stratosphère, constituent des bases de données adaptées à des études de détection de changement climatique.
• La stratosphère et la troposphère sont fortement couplées à différentes échelles de temps. La troposphère a été historiquement considérée comme le moteur de la stratosphère à travers le transfert de la quantité de mouvement angulaire par les ondes qui cause localement, dans la stratosphère, l’éloignement des conditions d’équilibre radiatif et induit des phénomènes divers tels que la circulation de Brewer-Dobson, les réchauffements stratosphériques soudains pendant l’hiver Arctique ainsi que l’Oscillation Quasi-Biennale. Mais il existe aussi toute une variété de mécanismes de couplage par lesquels la stratosphère influence la troposphère, en particulier dans la région de la haute troposphère / basse stratosphère (UTLS, de l’anglais « Upper Troposphere Lower Stratosphere. La région UTLS, qui entoure la tropopause, représente l’interface physique entre les deux couches et est le lieu des échanges stratosphère-troposphère. Le transport à travers l’UTLS est principalement dirigé vers le haut aux Tropiques et vers le bas aux extra-tropiques (circulation de BrewerDobson) mais il y a aussi des échanges dans les deux sens aux moyennes latitudes (Holton et al., 1995 ; Shepherd, 2002). Des études récentes (voir Thompson et Wallace, 1998 ; Baldwin et Dunkerton, 1999 ; Baldwin et Dunkerton, 2001 ; Thompson et Solomon, 2002 ; Polvani et Waugh, 2004) ont montré que la circulation stratosphérique à basse fréquence a une influence sur les structures de variabilité troposphérique. La question de l’influence de la stratosphère sur le système climatique est aujourd’hui l’une des grandes problématiques auxquelles la communauté scientifique s’intéresse (voir le projet SPARC :« Stratospheric processes and their role in Climate ») .
La structure thermique et dynamique moyenne de la stratosphère
Les températures zonales moyennes en fonction de l’altitude pendant l’hiver (janvier) et l’été (juillet) sont représentées sur la figure 1.2 (Fleming et al., 1990). La structure thermique typique du mois de janvier (figure 1.2 à gauche) montre un maximum de température à la stratopause (0.1 hPa environ) plus prononcé dans l’hémisphère d’été et qui est principalement du à l’absorption du rayonnement ultraviolet (UV) par l’ozone (structures symétriques en janvier et juillet). Correspondant à cette structure thermique, la structure du vent zonal est constituée par un jet à l’échelle planétaire avec des vents maximaux de 60 ms-1 70ms-1 aux moyennes latitudes de l’hémisphère nord autour de 0.1 hPa, en provenance de l’ouest dans l’hémisphère d’hiver et de l’est dans l’hémisphère d’été. Les températures à la stratopause polaire estivale sont très proches des températures en situation d’équilibre radiatif (toute la région entre 30 km et 60 km peut être considérée comme proche de l’équilibre radiatif, avec le maximum de température correspondant au maximum d’irradiance diurne qui a lieu au pôle en été). Toutefois, à part la région de la stratopause, l’atmosphère moyenne est loin de l’équilibre radiatif.
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Table des matières
Chapitre 1 : Introduction et objectifs scientifiques
1.1 Généralités sur le changement climatique et sur la variabilité naturelle
1.2 Pourquoi étudier la stratosphère ?
1.3 La structure thermique et dynamique moyenne de la stratosphère
1.4 Changements à long terme
1.5 Les facteurs de variabilité de la température stratosphérique
1.5.1 L’oscillation Quasi-Biennale
1.5.2 ENSO
1.5.3 Le cycle solaire
1.5.4 L’oscillation Arctique
1.5.5 Les éruption volcaniques
1.6 Objectif généraux et plan de thèse
Chapitre 2 : Les observations et la méthode d’analyse
2.1 Introduction
2.2 Le sondeur TOVS
2.2.1 La base de température TOVS/3I
2.2.2 La base de données SSU/MSU
2.3 La base de température FUB
2.4 Comparaison et inter validation
2.4.1 Comparaison entre les base de données independantes TOVS et FUB dans la basse et moyenne stratosphère
2.4.2 Comparaison FUB – SSU/MSU dans la basse stratosphère
2.5 La méthode d’analyse
2.6 Choix des indices de QBO, ENSO, AO et Solaire
Chapitre 3 : La variabilité inter-annuelle de la température stratosphérique
3.1 Introduction
3.2 Effet de la QBO
3.2.1 La théorie de la QBO-rappels
3.2.2 Effet observé de la QBO sur la température équatoriale
3.2.3 Phase et amplitude de l’oscillation en température associée à la QBO
3.2.4 Variabilité saisonnière de la réponse de la température à la QBO
3.3 L’effet de l’ENSO sur le température
3.4 Variabilité des températures FUB et SSU/MSU associée au cycle solaire
3.5 L’oscillation Arctique
3.6 Les résidus
3.7 Conclusions au chapitre
Chapitre 4: Les tendances de température
4.1 Introduction
4.2 Analyses des tendances de température observées
4.2.1 Tendances globales
4.2.2 Etude en fonction de la latitude
4.2.3 Tendances annuelles et saisonnières dans la basse stratosphère (100 – 30 hPa)
4.2.4 Tendances annuelles et saisonnières dans la moyenne et haute stratosphère
4.2.5 Tendances de température comme indicateurs de tendances de la circulation moyenne résiduelle dans la basse stratosphère
4.3 Conclusions
Chapitre 5: Rôle de la diminution d’ozone sur les tendances de la température stratosphérique
5.1 Introduction
5.2 Les tendances reproduites par le simulations GCM
5.2.1 Le modèle UM
5.2.2 Les différentes simulations
5.2.3 Les températures UM : comparaison des simulations avec les observations dans la basse stratosphère
5.2.4 Les tendances de température reproduites dans la stratosphère et mésosphère
5.2.5 Comparaisons en moyenne annuelle globale et zonale dans la stratosphère
5.2.6 Comparaisons saisonnières
5.3 Rôle de la diminution de l’ozone sur la structure thermique et dynamique de la stratosphère
5.3.1 Analyse en moyenne annuelle et zonale
5.3.2 Analyse saisonnière
5.4 Le rôle de l’ozone sur la circulation moyenne résiduelle
5.5 Conclusions au chapitre
Chapitre 6 : Conclusions et Perspectives
Annexes
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