atmosphere et meteo

Après la vague de froid sur l'Europe septentrionale, un phénomène analogue se produit en avril avec des conséquences beaucoup plus sévères pour les agriculteurs.

Olivier Talagrand, Jean Pailleux, Yves Dandonneau et le Club des Argonautes 

Sommaire

1. La prévision météorologique aujourd'hui
2. La sensibilité aux conditions initiales
3. La prévisibilité climatique
4. La prévisibilité mensuelle et saisonnière
5. Conclusion

 1 - La prévision météorologique aujourd’hui

La Figure 1, qui est une version actualisée d’une figure incluse dans une FAQ antérieure (Que sont les modèles numériques de circulation de l’atmosphère et de l’océan? Comment sont-ils construits et utilisés ?), présente l’évolution de la qualité des prévisions produites depuis 1981 par le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT).
Ces prévisions sont issues d’un modèle numérique qui, mis en route à partir des conditions observées un jour donné, calcule de proche en proche l’évolution de l’écoulement atmosphérique sur les jours suivants. Le diagnostic présenté porte sur le géopotentiel (altitude) de la surface isobare 500 hPa, qui sépare l’atmosphère en deux couches de masses à peu près égales. Cette quantité, et ses variations spatiales, constituent une représentation relativement simple, et utile, de l’écoulement atmosphérique à grande échelle.

La quantité portée sur l’axe vertical de la Figure est (en termes un peu simplifiés) le coefficient de corrélation statistique entre les géopotentiels prévu et observé à un instant donné. Ce coefficient prendrait la valeur 1 pour une prévision parfaite, et la valeur 0 pour une prévision choisie au hasard dans l’ensemble des états possibles. Plus il est élevé, et plus la prévision du modèle est bonne. Les différentes courbes de la figure présentent à partir du haut l’évolution de la corrélation à 3, 5, 7 et 10 jours d’échéance. Pour chacune de ces échéances, deux courbes, séparées par une bande de couleur, montrent la corrélation sur les hémisphères boréal (courbe du haut) et austral (courbe du bas) respectivement.

Figure 1. Variations depuis 1981 de la qualité des prévisions du géopotentiel à 500 hPa effectuées par le CEPMMT (ECMWF en anglais) (voir explications dans le texte ; noter que l’échelle verticale est dilatée dans la partie supérieure de la Figure) (source : ECMWF).

On voit que la qualité des prévisions s’est lentement mais régulièrement améliorée, dans les deux hémisphères, à toutes les échéances présentées. Cette amélioration est due à l’augmentation de la quantité et de la qualité des observations, ainsi qu’à celle de la qualité du modèle numérique utilisé. L’amélioration du modèle est elle-même due en grande partie à l’augmentation de la puissance des moyens de calcul.

Si donc la prévision météorologique est difficile, il est clair qu’elle peut être améliorée. Mais quelles sont au départ les difficultés ? Pourquoi peut-on prévoir les éclipses plusieurs siècles à l’avance, mais ne peut-on pas prévoir précisément la pluie quelques jours à l’avance ? La complexité du système atmosphérique, où interagissent en permanence absorption et émission de rayonnement, changements de phase de l‘eau et échanges de chaleur associés, échanges d’eau et d’énergie avec le milieu sous-jacent, ainsi que d’innombrables autres processus, y est certainement pour quelque chose. Et l’amélioration de la qualité des prévisions visible sur la Figure 1 est précisément due, en partie, à l’introduction progressive dans les modèles numériques d’une quantité croissante de ces nombreux processus.

2 - La sensibilité aux conditions initiales

Mais il y a beaucoup plus fondamental, comme l’a montré un travail célèbre effectué en 1963, au début de l’ère du calcul électronique scientifique, par le météorologiste et mathématicien états-unien E. N. Lorenz. Celui-ci (comme déjà raconté dans la note Théologie et atmosphère) avait développé un modèle numérique de petite dimension (3 en l’occurrence, alors que la dimension de certains des modèles actuels de prévision météorologique dépasse le milliard), qui donnait une représentation idéalisée du phénomène de convection thermique se produisant dans une couche fluide chauffée par sa face inférieure. Effectuant un nouveau calcul à partir de résultats intermédiaires qu’il avait conservés en mémoire, il constata que ce nouveau calcul produisait des résultats tout à fait différents de ceux du calcul d’origine. Il crut d’abord à une erreur de codage, qu’il ne put trouver, et finit par comprendre que le problème venait de ce que les résultats intermédiaires à partir desquels il avait refait son calcul avaient une précision moins grande que celle du calcul d’origine. Retirer les dernières décimales des résultats intermédiaires (ou plus précisément, dans le cas présent, leurs derniers chiffres binaires) avait totalement transformé les résultats de la prévision. Partant d’une observation fortuite (on parle de plus en plus, suivant l’anglais, de sérendipité), et poursuivant sa réflexion, E. N. Lorenz avait mis en évidence la sensibilité des prévisions aux conditions initiales. Sensibilité décrite par l’image du désormais célèbre effet papillon. Un papillon bat des ailes. La perturbation qu’il crée dans l’air ambiant s’amplifie et gagne progressivement des échelles spatiales de plus en plus grandes, avec la conséquence qu’un cyclone apparaît une dizaine de jours plus tard là où rien ne se serait passé si le papillon n’avait pas battu des ailes.

La sensibilité aux conditions initiales n’était d’ailleurs pas une notion pleinement nouvelle. Le mathématicien Henri Poincaré avait écrit en 1908, dans son livre Science et Méthode, précisément à propos de la météorologie, les lignes suivantes :

"Pourquoi les météorologistes ont-ils tant de peine à prédire le temps avec quelque certitude ? Pourquoi les chutes de pluie, les tempêtes elles-mêmes nous semblent-elles arriver au hasard, de sorte que bien des gens trouvent tout naturel de prier pour avoir la pluie ou le beau temps, alors qu’ils jugeraient ridicule de demander une éclipse par une prière ? Nous voyons que les grandes perturbations se produisent généralement dans les régions où l’atmosphère est en équilibre instable. Les météorologistes voient bien que cet équilibre est instable, qu’un cyclone va naître quelque part ; mais où, ils sont hors d’état de le dire ; un dixième de degré en plus ou en moins en un point quelconque, le cyclone éclate ici et non pas là, et il étend ses ravages sur des contrées qu’il aurait épargnées. Si on avait connu ce dixième de degré, on aurait pu le savoir d’avance, mais les observations n’étaient ni assez serrées, ni assez précises, et c’est pour cela que tout semble dû à l’intervention du hasard."

Mais il s’agissait de la part d’Henri Poincaré d’une intuition, fondée sur sa grande expérience scientifique, plutôt que d’une pleine découverte. Lorenz, lui, avait mis en évidence la sensibilité aux conditions initiales de façon pleinement objective.

Passer d’un système idéalisé à trois paramètres, simulant la convection thermique, à l’atmosphère dans sa totalité constituait certes un pas audacieux, qu’E. N. Lorenz franchit néanmoins. Il alla même plus loin. Augmenter la résolution spatiale des conditions initiales diminue l’erreur initiale de la prévision. Mais, sur la base de considérations quant à la vitesse à laquelle une perturbation de petite échelle spatiale se propage progressivement vers des échelles plus grandes, Lorenz conclut que le taux de croissance de l’erreur augmenterait du même coup, et suffisamment rapidement pour qu’il y ait une limite ultime à la prévision. Il estima cette limite à une quinzaine de jours.

Cette conclusion a été largement confirmée, directement ou indirectement, par de nombreux travaux ultérieurs. La Figure 2 présente le résultat d’une prévision d’ensemble récemment effectuée au CEPMMT (voir encart). On y voit dans la partie supérieure le résultat de 52 prévisions numériques effectuées, pour la même date, à échéance de 7 jours. La quantité représentée est le champ de pression au niveau de la mer sur l‘Europe occidentale (le modèle utilisé est, lui, global). À la résolution de la figure, les différences entre les conditions initiales de ces différentes prévisions seraient invisibles à l’œil.

Figure 2. Prévision d’ensemble produite par le CEPMMT (ECMWF en anglais), à échéance de 7 jours, pour le 12 Avril 2021. Le champ représenté est la pression au niveau de la mer sur l’Europe. La partie supérieure de la figure présente 52 prévisions effectuées à partir de conditions initiales différentes et de petites perturbations dans la ‘physique’ du modèle de prévision. Les trois cartes du bas présentent, à gauche, deux des prévisions de l’ensemble, agrandies pour améliorer leur lisibilité et, à droite, la "vérification’ observée" à l’échéance de la prévision (source : ECMWF).

Mais on voit que les champs montrés sur la figure, même si beaucoup d’entre eux ont une structure similaire, avec une zone de hautes pressions dans la région considérée, présentent néanmoins des différences marquées. Les éléments 14 et 46 (agrandis dans la partie inférieure de la figure) sont par exemple tout à fait différents, particulièrement dans les latitudes élevées. Ces deux éléments sont eux-mêmes très différents de la "vérification observée" à l’échéance de la prévision, représentée en bas à droite de la figure. La sensibilité aux conditions initiales est présente, sinon dans l’atmosphère elle-même (l’expérience directe serait difficile à effectuer …), du moins dans les modèles numériques, qui constituent, de loin, le meilleur outil dont nous disposons pour la prévision météorologique. 

Une étude systématique a récemment été effectuée sur deux parmi les meilleurs modèles numériques actuels de prévision météorologique (Zhang et al., 2019). La prévisibilité de chacun des modèles a été évaluée par comparaison de prévisions effectuées par le même modèle à partir de conditions initiales très voisines, à des résolutions spatiales différentes. La qualité des prévisions de l’écoulement des latitudes moyennes ne s’améliore plus au-delà d’une quinzaine de jours, quelle que soit la résolution spatiale utilisée. Comme anticipé par Lorenz, augmenter la résolution spatiale des conditions initiales conduit à des gains de plus en plus faibles, et finalement à une saturation, la croissance des erreurs augmentant à mesure que l’échelle spatiale diminue.

On peut constater que cette limite d’une quinzaine de jours se situe encore bien au-delà de l’échéance visible sur la Figure 1. Celle-ci suggère que des progrès significatifs sont encore possibles (mais probablement au coût élevé requis par une augmentation significative des moyens d’observations et de calcul).

Le travail de Lorenz de 1963, même s’il ne constituait pas une découverte totalement nouvelle, eut un immense impact qui s’étendit bien au-delà des sciences de l’atmosphère, et fut à l’origine du développement, théorique, numérique et expérimental, de ce que l’on appelle la théorie du chaos déterministe. Ce développement doit évidemment beaucoup à la disponibilité de moyens de calcul puissants. On sait maintenant que la sensibilité aux conditions initiales et la prévisibilité finie sont en fait omniprésentes dans le monde physique. On s’est par exemple ainsi rendu compte que la prévisibilité des mouvements des planètes, longtemps considérée comme l’archétype même du succès de la prévision déterministe, était aussi limitée, mais à des échéances de dizaines ou centaines de millions d’années, bien plus longues que celle de l’histoire des sociétés humaines (cette prévisibilité finie des mouvements des planètes avait d’ailleurs été pressentie, elle aussi, par H. Poincaré dans son livre Science et Méthode ; voir la note Théologie et atmosphère citée plus haut). Le travail de Lorenz a clairement montré que déterminisme mathématique n’implique pas nécessairement prévisibilité de fait.

Par quels mécanismes une petite erreur initiale s’amplifie-t-elle jusqu’à contaminer l’écoulement atmosphérique dans son entier ? Les mouvements de l’atmosphère (ainsi que ceux de l’océan) résultent d’instabilités, causées elles-mêmes par l’échauffement différentiel entre différentes parties du fluide. Dans le cas de l’atmosphère, une instabilité locale, mais importante, est l’instabilité convective, qui résulte de l’absorption du rayonnement solaire par le milieu sous-jacent (continent ou océan), et de l’échauffement qui en résulte. Des mouvements ascendants rapides apparaissent dans l’atmosphère, qui transportent de la chaleur vers le haut, et sont compensés par des mouvements de subsidence d’extension horizontale plus grande. Les mouvements ascendants sont à l’origine des formations nuageuses que sont les cumulus, et des orages qui les accompagnent. Peu affectés en général par la rotation terrestre, ils s’étendent sur des échelles horizontales de quelques kilomètres ou dizaines de kilomètres, et des échelles temporelles de quelques heures. L’instabilité convective est l’un des processus par lequel une erreur très localisée se propage à des échelles plus grandes.

Un autre processus important est l’instabilité barocline, qui résulte, elle, du gradient de température entre les hautes et les basses latitudes. Fortement influencée par la rotation terrestre, elle est à l’origine des zones de hautes et de basses pressions qui dominent la météorologie des latitudes moyennes. Les mouvements associés ont des échelles spatiales typiques de quelques milliers de kilomètres, et des échelles temporelles de quelques jours. Ils transportent globalement de l’énergie depuis les basses latitudes vers les latitudes plus élevées. La figure 3 présente un exemple idéalisé d’instabilité barocline. Pour un état de l’atmosphère donné, représenté sur la figure 3a (le champ représenté est, comme pour la figure 1, le géopotentiel de la surface isobare 500 hPa), on a déterminé, à l’aide d’un modèle numérique de l’écoulement, la perturbation qui croîtrait le plus rapidement sur une période de 36 heures (le mode singulier dominant). Cette perturbation virtuelle, localisée à l’endroit le plus instable de l’écoulement pour l’état considéré, est représentée sur la figure 3b. Et ce qu’elle devient au bout de 36 heures est représenté sur la figure 3c. Son extension spatiale s’est étendue. Mais surtout son amplitude a augmenté, avec un taux d’amplification globale de 5,4. C’est l’amplification permanente de petites incertitudes de ce genre, plus petites que la précision des observations de départ, qui conduit à la dégradation rapide des prévisions météorologiques. Ce sont d’ailleurs ces instabilités, beaucoup plus que les imperfections propres des modèles numériques en tant que tels, qui sont là importantes. Comme le montre le travail de Zhang et al., un modèle parfait, en ce sens qu’il rendrait exactement compte des lois physiques qui régissent l’écoulement, conduirait aux mêmes résultats.

Figure 3.  Un exemple de croissance de l’erreur sous l‘effet de l’instabilité barocline. a. Géopotentiel à 500hPa de la situation considérée. b. Structure de la perturbation initiale s’amplifiant le plus rapidement sur 36h. c. Évolution correspondante au bout de 36h (courtoisie L. Descamps, Météo-France)

Pour autant, si les deux processus d’instabilité décrits ci-dessus contribuent de façon significative à l’amplification d’une petite erreur initiale locale, toutes les prévisions ne se dégradent pas à la même vitesse. Certaines situations sont plus prévisibles que d’autres, et c’est bien pour cela que les grands services météorologiques produisent des prévisions d’ensemble, du type de celle qui a été présentée sur la Figure 2, afin de prévoir l’’erreur du jour’. La vaste question de la prévisibilité des différentes situations atmosphériques, et de l’échéance à laquelle différents phénomènes (tornades, cyclones tropicaux, tempêtes associées à des dépressions, …) peuvent être prévus, est de la plus grande importance pour la météorologie quotidienne. Elle mériterait des développements détaillés qui pourraient faire l'objet d'un nouvel article. et n’est pas discutée dans la présente note.

Indépendamment de l’incertitude présente dans les conditions initiales d’une prévision, les modèles, on l’a dit, ne sont pas parfaits, et ne peuvent jamais être des simulateurs exacts de l’atmosphère. Et les erreurs de modélisation, même si elles ne sont pas principalement responsables de la croissance rapide initiale des erreurs de prévision, ont aussi leur impact. Les modèles s’améliorent progressivement par l’augmentation de leur résolution spatiale et du nombre de processus physiques qu’ils sont capables de simuler.  Mais il reste des limitations. On en trouve beaucoup, par exemple, dans le cycle de l’eau et les multiples effets qui lui sont associés : échanges d’énergie dus aux changements de phases, effets radiatifs des multiples types de nuages, échange d’eau avec le milieu sous-jacent, etc.  Il y aura toujours de telles limitations, qui s’ajouteront à l’instabilité fondamentale de l’écoulement atmosphérique. 

Le lecteur désireux d’en savoir plus sur les performances actuelles des prévisions météorologiques pourra trouver des informations sur les sites du CEPMMT (forecast)  ou de Météo-France (modèles de prévision).

3.  La prévisibilité climatique

S’il existe une limite ultime d’une quinzaine de jours, comment peut-on prétendre prévoir le climat plusieurs décennies à l’avance, comme il est fait par exemple dans les rapports successifs du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) ? C’est là une objection qui a effectivement été opposée aux travaux du GIEC. On peut simplement remarquer que le cycle des saisons est prévisible bien au-delà d’une quinzaine de jours. Et cette remarque fournit elle-même la réponse : le cycle des saisons est déterminé par la quantité d’énergie reçue du Soleil, et non par l’état actuel de l’atmosphère.
C’est là toute la différence entre météorologie et climat, déjà discutée dans une autre FAQ du site des Argonautes (Quelle est la différence entre «météorologie» et «climatologie»). Cette différence peut être expliquée, de façon certes simplifiée mais non fondamentalement erronée, sur une phénomène aussi banal que l’ébullition d’une casserole d’eau. L’ébullition produit un ensemble turbulent de bulles qui grossissent et éclatent, au-dessus desquelles se forment des volutes de gouttelettes d’eau. L’évolution des bulles et des volutes individuelles est imprévisible et impossible à contrôler. Mais le taux global d’évaporation est, lui, prévisible et contrôlable si l’on peut agir précisément sur la quantité de chaleur transmise à la masse d’eau, et sur la température et la ventilation de l’air environnant. Dans cette comparaison simple, les bulles et les volutes d’eau constituent la ‘météorologie’, tandis que le taux d’évaporation qui en résulte constitue le ‘climat’.

Ce qui détermine le climat de la Terre, ce sont fondamentalement les flux d’énergie entre les différentes composantes du système terrestre (atmosphère, océans, cryosphère et compartiments internes à ces composantes)  : absorption de l’énergie reçue du Soleil, puis transport et échange de cette énergie entre les différentes composantes du système, et réémission finale vers l’espace extérieur.

Les flux instantanés dépendent de l’état présent du système, mais leurs valeurs statistiques à long terme sont déterminées par tout un ensemble d’éléments, tels que la composition de l’atmosphère et de l’océan, la position des montagnes et des continents, les propriétés du sol, la quantité d’eau disponible, et beaucoup d’autres encore. C’est ainsi que l’on peut affirmer que l’augmentation du contenu de l’atmosphère en CO₂, en augmentant l’absorption par l’atmosphère du rayonnement infrarouge émis par le sol et les couches inférieures, conduit à un échauffement global de l’atmosphère et des océans. Ce ne sont pas les mêmes causes qui déterminent le temps qu’il fera dans une semaine, et ce que sera le climat, moyenné sur dix ou vingt ans, dans cinquante ou cent ans de maintenant.

Peut-on alors prévoir, par exemple, l’occurrence d’un nouvel âge glaciaire ? La figure 4 montre les variations de la température de l’atmosphère sur les 400 000 dernières années, obtenues à partir d’un carottage effectué dans la calotte antarctique. On y voit des oscillations plus ou moins régulières, mais particulièrement un cycle d’environ 100 000 ans, qui est en accord avec la théorie astronomique des variations des climats (voir la FAQ Quelle est la cause de l'alternance de périodes chaudes et de glaciations sur Terre lors du dernier million d'années ?).
Nous sortons actuellement d’une phase chaude, et l’on peut donc s’attendre, après le réchauffement actuel dû aux activités humaines, à un nouvel âge glaciaire dans 80 à 100 000 ans de maintenant. Dans notre compréhension actuelle, les âges glaciaires commencent quand les paramètres orbitaux de la Terre favorisent un enneigement hivernal abondant dans l’hémisphère nord, suivi d’un été relativement frais. L’effet d’albédo de la neige favorise le maintien de celle-ci pendant l’été, et l’amplification de l’enneigement. Si donc les conditions d’apparition d’un âge glaciaire semblent assez prévisibles, la chute de neige particulière, ou la séquence de chutes, qui l’enclenchera est évidemment, elle, imprévisible.

Figure 4. Variations de la température de l’atmosphère sur les 400 000 dernières années, telles que déduites du carottage Vostok en Antarctique (figure extraite de Petit et al., 1999). Échelle horizontale : date dans le passé, en milliers d’années (le présent est à l’extrémité droite de l’axe).

Pour la prévision météorologique, une connaissance précise de l’état initial est indispensable. Pour la prévision du climat, une telle connaissance n’est pas nécessaire, au moins dans notre compréhension actuelle : ce sont les flux d’énergie, définis par l’insolation et les échanges internes au système climatique, qui importent.

4. La prévisibilité mensuelle et saisonnière

Si le cycle des saisons est évidemment prévisible, il n’en reste pas moins que les saisons varient d’une année à l’autre. Il y a des hivers rudes et des hivers doux, des étés pluvieux et des étés caniculaires. Quelle est l'origine de ces variations et, surtout, sont-elles prévisibles ? Plusieurs oscillations, plus ou moins régulières, ont été mises en évidence sur des échelles temporelles allant de quelques mois à quelques années. La plus connue de ces oscillations est probablement le phénomène El Niño. Tous les trois à cinq ans environ, vers la fin du mois de décembre, le courant froid (courant de Humboldt) qui remonte habituellement du Sud au large des côtes du Pérou est remplacé par des eaux chaudes habituellement situées plus à l’Ouest. Ce phénomène est dû à un affaiblissement des alizés, qui soufflent vers l’Ouest. Il est associé à un basculement de la pression atmosphérique sur l’Océan Pacifique Équatorial (baisse de pression à l’Est et augmentation à l’Ouest), qu’on appelle l’Oscillation Australe. Le phénomène El Niño, dont les effets se font ressentir sur un an ou plus, modifie significativement la météorologie locale, et particulièrement les précipitations. Mais, au-delà, il a un impact sur les deux continents américains, l’Asie, l’Océan Atlantique et même l’Europe.

D’autres oscillations plus ou moins régulières sont observées à différentes échelles de temps et d’espace. L’oscillation de Madden-Julian module la pluviosité des océans tropicaux sur des périodes de 40 à 50 jours. L’oscillation Nord-Atlantique, sur des temps typiques d’une dizaine d’années, modifie la position et la trajectoire des dépressions et des anticyclones de l’Océan Atlantique. Des ‘régimes de temps’ lui sont plus ou moins corrélés, qui possèdent statistiquement des durées de vie et des transitions mutuelles préférentielles. C’est un de ces régimes de temps, associé à la présence d’un anticyclone sur l’Europe du Nord, qui produit par exemple les vagues de froid intenses qui frappent quelquefois en hiver l’Europe occidentale.

Toutes ces oscillations résultent d’interactions, pour la plupart encore mal comprises, entre l’océan et l’atmosphère. Ces interactions induisent des modes de variabilité qui n’existeraient pas si l’atmosphère ou l’océan étaient seuls. C’est le cas en particulier du phénomène El Niño.

Ces oscillations diverses ne sont guère prévisibles à l’avance. Mais, une fois établies, elles possèdent un certain de degré de prévisibilité statistique quant à leur évolution et à leur durée. Et certaines situations permettent plus qu’une prévision purement statistique : on a pu montrer par exemple, a posteriori, que la canicule qui a frappé l’Europe Occidentale, et particulièrement la France, au mois d’août 2003 était due en partie à un déficit de pluviométrie du printemps précédent, qui avait rendu le sol particulièrement sec. Il y a là un élément de prévisibilité potentielle.

Les ressources de la modélisation numérique ont bien entendu été mises en œuvre pour les échéances mensuelles et saisonnières. Des modèles couplant océan et atmosphère sont intégrés sur ces échéances. La définition des conditions initiales des prévisions est ici encore importante. Ces modèles possèdent une prévisibilité faible, mais réelle. Cette prévisibilité est le plus visible sur des prévisions d’ensemble, dont les moyennes contiennent un signal statistique identifiable, par exemple sur la température ou la pluviosité des mois à venir. Les prévisions d’ensemble mensuelles et saisonnières effectuées par le CEPMMT peuvent être examinées en temps réel grâce à différents produits disponibles sur le web suivant (choisir le type de produits dans le menu de la colonne de gauche) : ECMWF-open charts

Mais il n’en reste pas moins que les processus physiques qui déterminent les fluctuations atmosphériques sur des échelles mensuelles, saisonnières  ou annuelles  restent très mal connus,  et que la prévision de ces fluctuations reste la ‘zone grise’ de la prévision.

5. Conclusion

La prévisibilité de l’atmosphère et de l’océan est fondamentalement une question d’échelles spatiales et temporelles. Sans simplification excessive, on peut dire que plus l’échelle spatiale est grande, plus la prévisibilité temporelle est élevée. Mais les processus physiques qui déterminent la prévisibilité et ses limites varient avec les échelles considérées. Pour la météorologie ordinaire, où l’on peut considérer que l’atmosphère est un fluide homogène dans le temps et dans l’espace, c’est la croissance chaotique d’incertitudes initiales de petite échelle spatiale qui limite la prévisibilité. Si l’atmosphère était un fluide homogène situé au-dessus d’un milieu homogène, sans fluctuations des flux d’énergie qu’il reçoit, sa prévisibilité resterait entièrement limitée aux quinze jours que l’on a dit. Le cas d’un océan isolé serait probablement le même, avec des échelles temporelles pouvant atteindre, pour la circulation profonde, des valeurs séculaires. Mais l’atmosphère et l’océan, et le système climatique dans son ensemble, ne sont homogènes ni dans l’espace ni dans le temps. En plus du cycle saisonnier, évident, des phénomènes physiques spécifiques sont présents aux différentes échelles, et leur ajoutent une certaine prévisibilité : interactions (mal comprises, mais présentes) entre l’océan et l’atmosphère aux échelles mensuelles, saisonnières et interannuelles, variations aux échelles millénaires, encore plus mal comprises (mais clairement visibles sur la Figure 4 où elles se superposent au cycle dominant de 100 000 ans), variations des paramètres orbitaux de la Terre aux échelles climatiques. À plus longue échéance encore, ce sont la tectonique et la position des continents qui importent.

Le problème de la prévisibilité de l’atmosphère et de l’océan, on le voit, est partiellement résolu, mais partiellement seulement. Et il est d’autant plus important de s’employer à le résoudre au mieux que l’on sait désormais qu’il a des implications majeures pour le devenir des sociétés humaines.

Références

Petit, J.-R.,J. Jouzel, D. Raynaud, N. I. Barkov, J.-M. Barnola, I. Basile, M. L.Bender, J.A. Chappellaz, J. C. Davis, G.Delaygue, M. Delmotte, V.Kotlyakov, M. R. Legrand, V. Ya.Lipenkov, C. Lorius, L. Pepin, C. Ritz, E. S. Saltzman et M. Stiévenard, 1999, Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica. Nature, 399(6735), 429-436, 399(6735), 429-436, 399(6735), 429-436, 

Zhang, F., Y. Q. Sun, L. Magnusson, R. Buizza, S.-J. Lin, J.-H. Chen, et K. Emanuel, 2019: What is the predictability limit of midlatitude weather? J. Atmos. Sci., 76, 1077–1091, 76, 1077–1091.

Habituellement, les catastrophes climatiques nous surprennent,

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Si mon chemin pour arriver au changement climatique peut paraître un peu tortueux au premier abord

Désireux de valoriser la formation scientifique que j’avais reçue, j’ai rejoint à l’automne 1966 le groupe que Pierre Morel était en train de constituer

Le journal météo de France Télévision qui n'avait pas changé depuis plus de trente ans évolue. Il devient un journal "Météo-Climat".

L'évapotranspiration est un terme délicat du cycle hydrologique. Le glossaire de ce site la définit ainsi. Wikipedia en donne une description détaillée accompagnée de schémas.

La rentrée atmosphérique assistée du satellite expérimental Aeolus (Voir : Aeolus et son lidar-vent enfin dans l'espace de Jean Pailleux) est intervenue le 28 juillet.

En examinant régulièrement le signal radar de précipitation fourni par le site météorologique windy.com sur une zone situé à l’ouest de Toulouse,

Après 17 ans de mesures en continu, la mission scientifique spatiale CALIPSO (NASA, CNES) a pris fin le 1^er août 2023 (Calipso tire sa révérence, CNES - Official end of Calipso science mission, NASA).

Précipitations : un mois d'octobre en deux temps.

Depuis Dumont d'Urville et même avant, les récits de vagues géantes ont eu cours chez les marins (à tel point que certains ont fini par croire à leur existence),

En suivant une directive européenne, Météo France permet désormais un accès gratuit à ses données publiques (voir communiqué de presse).

Aurions nous hérité de l’évolution une angoisse de manquer d’oxygène ?

Les défis techniques et sociétaux

Raymond Zaharia, Jacques Ruer, Yves Dandonneau

La concentration en gaz carbonique dans l’atmosphère s’est accrue au cours des dernières décennies au rythme d’environ 2,5 parties par million (ppm) par an et s’élevait en août 2024 à 424 ppm. Cette hausse est due aux émissions qui résultent des activités humaines et à leurs conséquences sur l’environnement, et entraîne un réchauffement du climat. Réduire ce réchauffement implique non seulement de ralentir, puis d’arrêter nos émissions dès que nous en serons capables, mais aussi, par divers moyens, de retirer de l’atmosphère le gaz carbonique en excès que nous y avons accumulé.
Ce retrait s’effectue naturellement grâce aux puits de carbone que sont l’océan, et la végétation terrestre, mais sa vitesse est très insuffisante pour éviter une hausse de la température qui mettrait la vie et les activités humaines en difficulté dans de vastes régions. Déjà planter des forêts, ou enrichir les sols cultivés en matière organique (ou plutôt : les ré-enrichir, car l’agriculture moderne les a considérablement appauvris) est un moyen, préconisé et encouragé, de renforcer le puits de carbone dans la végétation terrestre.
Toutefois, la capacité d’absorption des océans, et de la biomasse des terres émergées ne permettra pas à elle seule de limiter le réchauffement du climat à +2°C, encore moins à +1,5°C.
En effet, lorsque la concentration en CO₂ de l’atmosphère cessera d’augmenter, les premiers ne pourront plus absorber une part significative de ce gaz. Pour ce qui concerne le réservoir de carbone organique des écosystèmes terrestre, il est soumis à une dégradation par des processus microbiens, de telle sorte qu’on peut seulement envisager de porter et maintenir sa biomasse à un niveau aussi élevé que possible : il ne se forme plus actuellement de gisements de charbon ou de pétrole tels que ceux qui se sont constitués à l’ère primaire. Une forêt en phase croissance accumule du carbone, mais un fois atteint son stade de maturité elle rejette autant de CO₂ par la respiration et la dégradation de sa matière organique qu’elle n’en absorbe par photosynthèse.
Le sixième rapport du GIEC, ainsi que les rapports du Haut Conseil pour le Climat [1] ou de L’Agence Internationale pour l’Energie [2] consacrés à la capture et au stockage du gaz carbonique de l’atmosphère dressent un panorama des diverses solutions existantes. Celles-ci sont nombreuses, variées, souvent insuffisamment explorées et mal connues, et les sigles par lesquelles elles sont désignées forment une jungle. Citons le DACS (direct air capture and storage, qui consiste à absorber le gaz carbonique de l’atmosphère et à le stocker), le BECCS (bioenergy with carbon capture and storage, qui utilise de l’énergie renouvelable pour cette capture), le CDR (carbon dioxide removal), LULUCF (land use, land use change and forestry, qui vise à accroître le puits de carbone dans l’écosystème terrestre).

Le stockage à long terme du gaz carbonique dans des couches géologiques.

L’un des moyens envisagés consiste à stocker le gaz carbonique capturé dans l’atmosphère dans des couches géologiques où il restera piégé pendant de très longues périodes. L’idée vient naturellement à l’esprit si on considère que les gisements de pétrole ou de gaz naturel y sont restés piégés pendant des millions d’années, et que les gisements épuisés, qui sont justement à l’origine des émissions anthropiques, offrent une très large capacité de stockage. Quelques sociétés industrielles ont déjà mis en œuvre ce stockage, mais à une échelle peu significative, très loin de la valeur approximative d’une gigatonne de CO₂ par an qu’on espère atteindre en 2050 (soit 0,27 gigatonnes de carbone par an, alors que nos émissions actuelles sont d’environ 10 gigatonnes par an).
Les difficultés sont nombreuses et bien réelles. Extraire le gaz carbonique de l’atmosphère où il est en concentration très faible, (et pourtant excessive pour un climat qui nous convienne), a un coût élevé. Extraire ce gaz carbonique dès son émission dans les sites industriels diminue évidemment ce coût, mais il ne devrait logiquement plus exister beaucoup de sites industriels émettant beaucoup de gaz carbonique en 2050, date à partir de laquelle les scénarios que nous devrions respecter prévoient des émissions nettes nulles (net zéro émissions). Si les sites d’enfouissement, qui sont entre autres d’anciens gisements d’hydrocarbures, sont éloignés des sites d’émissions, le transport du gaz carbonique capturé constitue un coût supplémentaire. Captage, transport et enfouissement du gaz carbonique pourrait coûter entre 60 et 150 € par tCO₂, et davantage si les conditions ne sont pas optimales [2]. Il ne faudra évidemment pas recourir pour cela à de l’énergie fossile, ce qui annulerait en grande partie le retrait du CO₂ de l’atmosphère, mais à des énergies renouvelables. Le coût des opérations nécessaires pour diminuer de quelques parties par million la concentration en gaz carbonique de l’atmosphère atteindra plusieurs milliers de milliards d’Euros (1 ppm, c'est 8 milliards de tCO₂). Il faut y penser maintenant, alors que nos émissions augmentent chaque année cette concentration de plus de 2 parties par million.

Quels acteurs pour la capture et le stockage du gaz carbonique ?

Disposant déjà d’infrastructures et des connaissances de terrain, les compagnies pétrolières sont incontournables. Il n’est pas surprenant, alors que les émissions de gaz carbonique qui ont conduit au réchauffement climatique sont passées entre leurs mains, qu’elles soient les mieux placées pour mettre en œuvre le retour du carbone dans les couches géologiques d’où elles l’ont extrait. Ce qui peut heurter d’un point de vue éthique, c’est qu’après s’être beaucoup enrichies en fournissant les hydrocarbures dont nous avons eu besoin, et avons encore besoin, elles s’emparent du marché de la capture et du stockage du CO₂ issu de ces hydrocarbures ! Il n’en reste pas moins que ces sociétés possèdent à l'évidence la technologie et la puissance industrielle pour s’attaquer au problème.

La nécessité pour respecter les accords de Paris de limiter le réchauffement de la température moyenne globale à +2°C, voire +1,5°C rend indispensable de retirer de l’atmosphère une partie du gaz carbonique en excès. Mais ce ne sera pas une tâche facile, et mieux vaut qu’il y en ait le moins possible à retirer. Au contraire, une logique strictement financière tend à prolonger l’exploitation des hydrocarbures fossiles, génératrice de profits, en faisant croire qu’on saura réduire facilement la concentration en gaz carbonique de l’atmosphère plus tard. Il nous a été donné d’assister à des présentations données par des représentants de l’industrie pétrolière qui mettaient en avant leur compétence et leur disponibilité pour ces opérations de capture et de stockage dans les puits de pétrole épuisés. Les capacités de capture de CO₂ en 2050 étaient estimées à 5 gigatonnes par an, alors que les chiffres avancés par des organismes officiels [2] se montent plutôt à 1 ou 1,5 gigatonnes.
Le passé devrait nous inciter à la méfiance : certaines compagnies pétrolières ont financé des études qui montraient que l’accroissement de la teneur en gaz carbonique de l’atmosphère ne risquait pas de modifier le climat, alors qu’elles en savaient fort bien les conséquences. Les essais en Europe d’établir un marché des «crédits carbone» a débouché sur des escroqueries financières d’envergure. Et la compensation des émissions de gaz carbonique par la plantation de forêts s’avère bien souvent gérée au moindre coût et inefficace.
Pour ce qui est de la capture et du stockage à long terme du gaz carbonique, l’horizon 2050 peut paraître lointain. Ce n’est pas une raison pour ne pas le préparer soigneusement.
Si l’on peut douter, à ce stade, des annonces concernant une diminution significative de la quantité de CO₂ présent dans l’atmosphère, (en raison d’un coût prohibitif [3] pour chaque ppm en moins), il existe des situations où la capture et l’utilisation du CO₂ présentent un intérêt. Quelques projets ont déjà été lancés [2]. Une étape intéressante consiste à réutiliser le CO₂ pour synthétiser des carburants artificiels dans le but de remplacer des combustibles fossiles. (cf. ce document interne du Club des Argonautes, rédigé il y  a ~10 ans : http://clubdesargonautes.com/Synthese_DE_CARBURANTS_AIR_rev3.pdf ) En effet, si on considère l’aviation, le pétrole possède des qualités difficiles à obtenir avec des solutions alternatives comme l’hydrogène ou les avions électriques.

On parle de e-fuels obtenus en faisant réagir le CO₂ avec de l’hydrogène produit par électrolyse de l’eau. Bien entendu, lorsqu’un avion consomme de l’e-fuel il rejette du CO₂, mais si celui-ci est capturé à nouveau, il n’y a pas de soustraction de CO₂ de l’atmosphère, mais un bilan nul, ce qui est un pas dans la bonne direction.
Si une politique volontariste conduit à produire ces carburants de synthèse, la taille de l’industrie qu’il faudra développer pour le seul usage de l’aviation sera telle que les effets d’échelle permettront de réduire les coûts de façon significative.
Ceci pourrait ouvrir la voie aux projets de capture et stockage géologique.

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[1] Avis sur la stratégie de capture du carbone, son utilisation et son stockage (CCUS), Haut Conseil pour le Climat, novembre 2023, https://www.hautconseilclimat.fr/publications/avis-sur-la-strategie-de-capture-du-carbone-son-utilisation-et-son-stockage-ccus/

[2] Direct Air Capture, A key technology for net zero, IEA, avril 2022, https://iea.blob.core.windows.net/assets/78633715-15c0-44e1-81df-41123c556d57/DirectAirCapture_Akeytechnologyfornetzero.pdf

[3] voir: https://x.com/hausfath/status/1844790308459958705

Pierre Morel (1993-2024)

Né en 1933, Pierre Morel est entré à l'École Normale Supérieure en 1952.

 avec des compléments d’Yves Dandonneau, Yves Fouquart et Jean Pailleux

 Le site infoclimat, créé en 2001 par des passionnés bénévoles, est devenu un outil très complet d’information et de prévision météorologique venant en complément précieux des sites professionnels, et en premier lieu de celui de Méteo-France.

In English

La catastrophe hydrométéorologique DANAqui a affecté le sud de Valencia le 29 octobre 2024, laissant derrière elle près de 230 morts, des milliers de sans-abri, 200000 véhicules inutilisables et des milliers de tonnes de boue putride, constitue un événement méditerranéen type cévenol, particulièrement intense en raison du dérèglement climatique.

in French

The hydrometeorological disaster that affected the south of Valencia on October 29, 2024, leaving behind nearly 230 deaths, thousands of homeless, 200,000 unusable vehicles and thousands of tons of putrid mud, is a Mediterranean-type Cevennes event, particularly intense due to climate change.