Natural and Anthropogenic

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Natural and Anthropogenic Climate
Change Incorporating Historical Land Cover
Change, Vegetation Dynamics and the Global Carbon
Cycle
Damon Matthews School of Earth and Ocean
Sciences University of Victoria, British
Columbia, Canada
2
Les composantes naturelles et anthropiques du
changement climatique Comment relier les
changements de loccupation historique des sols,
la dynamique de la végétation et le cycle
planétaire du carbone
Damon Matthews, 2003 School of Earth and Ocean
Sciences University of Victoria, British
Columbia, Canada Traduit partiellement (en
février 2006) et utilisé par Pierre J.H.
Richard(GéoUdeM) avec la permission de lauteur
(accordée en février 2005)
3
Le Système Climatique Planétaire
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LÉvolution des modèles du climat
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Groupe de modélisation du climat de lUniversité
de Victoria (Uvic)

• Modèle climatique du Système-Terre de lUVic -
  Modèle climatique de complexité intermédiaire-
  approprié pour les intégrations sur le long
  terme 200 à 400 années-modèle par jour-
  adéquat pour létude des rétroactions climatiques
  et des processus survenant durant des
  décennies ou des siècles
• Thèmes des recherches en cours- le rôle
  climatique de la circulation thermohaline
  (océans)- impact des glaciers et des océans sur
  le climat du passé- mécanismes impliqués dans
  les cycles interglaciaires- végétation
  terrestre et rétroactions sur le cycle du carbone
  - modélisation des Changements climatiques
  récents et futurs

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Le Changement Climatique Récent
7
400 000 ans de changements climatiques
8
400 000 ans de changements climatiques
9
Le forçage du climat
Un changement externe qui entraîne une
perturbation au budget radiatif net au sommet de
latmosphère
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Changements historiques doccupation des sols (?
OccS, ? OccDesSols)
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Changements dOccDesSols et Climat

• Albédo des surfaces
• Masquage nival
• Flux dhumidité
• Émissions de C

Couvert forestier
Couvert agricole
Photo Satellite des ChOccS en Bolivie
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Changements dOccDesSols et Climat
Changements de lalbédo des surfaces
Forêts 0,11 -- 0,18 Broussailles 0,16 --
0,29 Prairies 0,18 -- 0.20 Déserts
0,30 -- 0,4 Neige/Glace 0,40 --
0,85 Cultures 0,15 -- 0,25
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Changements dOccDesSols et Climat
Masquage nival par les forêts
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Changements dOccDesSols et Climat
Flux dhumidité Évapotranspiration
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Changements dOccDesSols et Climat
Émissions de carbone dues à la déforestation
Pompages pétroliers, etc.
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Changements dOccDesSols et Climat
Pertes de Carbone dues aux perturbations
A, B ou C. Cest ici quenous pouvons agir!
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Modéliser les ? dOccDesSols(Changements
doccupation des sols)
Quel est leffet biogéophysique des changements
historiques de loccupation des sols par un
Modèle planétaire du climat?

• Variables de la surface des terres - Albédo de
  surface - Profondeur du masque nival (P.M.N.
  S.M.D.) - Résistance stomatique
  (Transpiration) - Rugosité des surfaces
  (Évaporation)
• Données historiques sur loccupation des sols
  (OccS) - Cultures (Ramankutty Foley, 1999) -
  Cultures et pâturages (Goldewijk, 2001)

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UVic Earth System Climate Model
Résolution 1,8 en latitude par 3,6 en
longitude Conserve lénergie et lhumidité en
mode précision-machine
Modèle atmosphérique du Bilan Énergie/Humidité Mod
èle monocouche intégré verticalement
Modèle Mer-Glace
Modèle statique modifié de la surface des sols
Modèle de la circulation océanique générale MOM2
Végétation Spécifée OccS prescrite
19 couches verticales
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Climatologie du modèle
NCEP National Centers forEnvironmental
Prediction, NOAA Climat actuel, moderne
Modèle UVic
NCEP
Température
Précipitation
20
Changements dOccDesSols imposés
Changement fractionnel des terres en culture
entre 1700 et 1992 (Ramankutty and Foley, 1999)
21
Résultats du modèle, à léquilibre
Changement de la température de lair à la
surface Moyenne planétaire -0,15C -- Un
refroidissement!
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Forçages naturels et anthropiques
Quelles sont les causes du changement climatique
récent?

• Forçages anthropiques - GES (CO2, Méthane,
  ) - Aérosols sulphatés (et autres
  particules) - Changement dans loccupation des
  sols
• Forçages naturels (? changement) - ?
  Aérosols volcaniques - ? Radiation solaire
  incidente - ? Orbite solaire

Simulations des derniers 300 ans
23
Résultats du modèle, à léquilibre
Changements de la radiation incidente de courte
longueur dondesMoyenne planétaire - 0,2 W/m2
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Climat simulé 1700 à 2000 A.D.
Gaz à Effet de SerreSulphatesOccupation des
solsVolcans (poussières)Insolation (radiation
incidente)Paramètres orbitauxTous ces forçages
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Comparaison avec les données de T
Données (mesures)Tous forçages confondusPart
naturellePart anthropique
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Conclusions à ce stade

• Les changements doccupation des sols ont altéré
  la répartition planétaire de la végétation,
  augmentant les valeurs de lalbédo -gt
  refroidissement planétaire de -0,06 à -0,22 C
• Leffet transitoire des ? OccS est faible par
  rapport aux autres influences anthropiques sur le
  climat
• Le modèle du Système climatique terrestre de
  lUVic reproduit bien les changements historiques
  de la température du globe
• Le changement climatique de la fin du 20è siècle
  résulte principalement de laugmentation des gaz
  à effet de serre
• Le changement climatique de la fin du 20è siècle
  résulte dune combinaison de facteurs naturels et
  anthropiques

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UVic Earth System Climate Model
Nouveau modèle de la surface des terres (MOSES
simplifié) Modèle dynamique de la végétation
(TRIFFID)
Modèle atmosphérique du Bilan Énergie/Humidité Mod
èle monocouche intégré verticalement
Modèle statique simplifié de la surface des sols
Modèle Mer-Glace
Modèle de la circulation océanique générale MOM2
Végétation spécifiée OccS prescrite
19 couches verticales
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Modèle dynamique de la végétation
TRIFFID (Top-down Representation of Foliage and
Flora Including Dynamics)

• 5 Types Fonctionnels de Plantes (TFP) sont
  simulés - Arbres latifoliés - Arbres
  aciculifoliés - Buissons (arbustes
  buissonnants) - Graminées en C3 (taux de
  photosynthèse normal) - Graminées en C4 (taux
  de photosynthèse accru)
• Les TFP compétitionnent pour lespace -
  Équations de Lotka-Volterra
• les Flux de C sont alloués aux Plantes et aux
  Sols

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Végétation Pré-Industrielle Simulée
Aire de peuplement des arbres aciculifoliés
Modèle
Données de lIGBP
Cultures prescrites on alloue une portion de
chaque pixel où seulement des graminées C3 ou C4
peuvent croître
30
Simulations avec tous les forçages
31
Simulation des changements dOccS
32
Rétroaction Dynamique de la Végétation
Changements dans la végétation des hautes
latitudes
33
Plus de Conclusions

• La dynamique de la végétation induit une
  rétroaction positive face au climat -gt les
  changements dans la végétation des hautes
  latitudes modifient lalbédo de manière telle que
  cela conduit à amplifier les perturbations
  climatiques
• Les tendances au refroidissement ou au
  réchauffement sont toutes deux amplifiées

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Le cycle planétaire du Carbone (a)
Puits planétaires de C Atmosphère 730
GtCTerres 2000 GtCOcéan 38,000 GtC
Échanges planétaires de C Atmosphère/Terres
120 GtC/anAtmosphère/Océan 90 GtC/an
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Le cycle planétaire du Carbone (b)
Émissions anthropiques Comb. Fossiles 6.3
GtC/an? OccDesSols 2.0 GtC/an
Séquestration de Carbone Atmosphère 3.3
GtC/anOcéan 1.9 GtC/anTerres 1.9 GtC/an
évalué en bouclant le bilan du carbone
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Le cycle du Carbone terricole (c)
c)
Implications climatiques La production primaire
nette (PPN) mesure la captation de C par la
végétation La respiration des sols mesure
lémission de C dû à la décomposition Comment
ces mesures répondent-elles au changement
climatique dorigine anthropique?
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UVic Earth System Climate Model
Nouveau modèle du Cycle planétaire du
Carbone Cycle du Carbone terrestre et du C
inorganique océanique
Modèle atmosphérique du Bilan Énergie/Humidité Mod
èle monocouche intégré verticalement
CO2 atmosphérique calculé par pronostic
Modèle Mer-Glace
MOSES / TRIFFID
Végétation simulée dynamiquement selon le climat
et le CO2 atmosphérique
Modèle de la circulation océanique générale MOM2
19 couches verticales
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Les Flux Carbone dans TRIFFID
39
Simulations 20è Siècle (renard)
Comparaison aux Données du 20è Siècle
40
Changement dOccDesSols et Climat
Émissions historiques de Carbone
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Modéliser le Changement dOccDesSols
Quel est leffet biogéochimique des changements
démissions de Carbone dus aux changements
historiques de loccupation des sols?

• Spécifier uniquement les émissions dues aux
  combustibles fossiles (CF) - lancer le climat
  pré-industriel avec un CO2 à 280 ppm - laisser
  la végétation atteindre léquilibre - prescrire
  les émissions des CF de 1850 à lactuel
• Spécifier les émissions dues aux CF et aux ?
  OccS - lancer le climat pré-industriel avec un
  CO2 à 280 ppm - imposer le ? OccDesSols actuel
  et permettre à la végétation
  datteindre léquilibre - prescrire les
  émissions des CF et celles des ? OccS de
  1850 à lactuel

42
Simulations 20è Siècle
Émissions de CO2 spécifiées à partir des
changements des combustibles fossiles et
doccupation des sols de 1850 à lactuel
43
Effet Net des changements dOccDesSols
44
Effet Net des changements dOccDesSols
Réchauffement net de 0,15 C depuis 1850
Leffet biogéochimique excède leffet
biogéophysique
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Encore plus de Conclusions

• Le modèle UVic simule relativement bien les
  tendances récentes du CO2 atmosphérique
• Les changements dOccDesSols ont beaucoup
  contribué au réchauffement du 20è siècle -gt
  émissions directes de CO2 -gt moindre captation
  des émissions anthropiques
• Leffet net des changements doccupation des
  sols fut daccentuer les températures
  planétaires -gt leffet biogéochimique a dominé

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Le changement climatique futur
Scénarios SRES livrent les estimations des
changements de combustibles fossiles et
doccupation des sols de 2000 à 2100 A.D.

• A1 croissance économique et
  technologique rapides
• - A1F1 énergie fossile orbi - A1T
  sources non-fossiles - A1B sources dénergie
  variées
• A2 forte croîssance humaine, accent
  sur des valeurs locales
• B1 accent sur léquité et les
  solutions environnementales
• B2 accent sur solutions locales et
  linitiative communautaire

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Simulations 21è Siècle
CO2 atmosphérique
Température de lair
48
Captation de Carbone 21è Siècle
Carbone Végétal
Carbone des sols
49
Captation fractionnée de Carbone
Fraction des Émissions anthropiques captées
parlAtmosphère, les Sols et les Océans pour le
Scénario A2
50
Puits de Carbone et rétroactions
Simulations répétées du scénario démissions A2

• Rôle des Puits de Carbone - Stopper la captation
  de C par les sols et par les océans - Stopper
  seulement la captation de C par les océeans -
  Stopper seulement la captation de C par les sols
• Rétroactions du Cycle du Carbone sur le Climat -
  Rétroactions négatives le CO2 élevé favorise
  la croissance végétale, séquestrant ainsi
  plus de CO2 - Rétroactions positives les T
  accrues augmentent la respiration des plantes
  et des sols, libérant du CO2

51
Puits de carbone et rétroactions
52
Conclusions finales

• Les simulations selon les scénarios du 21è siècle
  produisent des teneurs en CO2 atmosphérique et
  des températures plus basses que celles des
  modèles non couplés
• La captation par les puits terrestres et
  océaniques est comparable
• La proportion captée par les sols décroît durant
  le 21è siècle -gt affaiblissement possible du
  puits terrestre de carbone
• La rétroaction négative du CO2 sur la croissance
  végétale dépasse la rétroaction positive du
  réchauffement sur la respiration
• La végétation joue un rôle capital dans le
  système climatique -gt il est important de
  sassurer que la biosphère terrestre agisse
  comme puits de carbone actif durant ce 21è siècle