# Changement climatique et cycle du carbone

Pierre Friedlingstein, Laurent Bopp, Patricia Cadule

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Pierre Friedlingstein, Laurent Bopp, Patricia Cadule. Changement climatique et cycle du carbone. La Météorologie, 2008, 8 (58), pp.21. 10.4267/2042/18204. insu-03249172

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# Changement climatique et cycle du carbone

Pierre Friedlingstein, Laurent Bopp et Patricia Cadule

Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE-IPSL)
CEA-Orme des Merisiers, F-91191 Gif-sur-Yvette Cedex
Pierre.Friedlingstein@lsce.ipsl.fr

Cet article est la reprise du chapitre 7 du rapport *Escrime*, publication collective de la communauté des chercheurs français dans le domaine du changement climatique (voir la présentation dans *La Météorologie*, numéro 56, page 27).

## Résumé

Ce chapitre traite de l'influence du changement climatique sur le cycle du carbone, rétroaction réciproque qu'il est nécessaire de prendre en compte.

## Abstract

### Climatic change and carbon cycle

This chapter deals with the effect of climatic change on the carbon cycle, negative feedback must be considered.

La concentration de CO₂ dans l'atmosphère est un facteur clé contrôlant le changement climatique du XXIᵉ siècle. Pour estimer l'amplitude de ce changement climatique au cours des prochaines décennies, la plupart des modèles couplés océan-atmosphère (OAGCM) sont forcés par un scénario de concentrations atmosphériques de CO₂. Cela implique que le climat simulé par ces modèles couplés ne peut influencer en retour le cycle du carbone et l'évolution du CO₂ atmosphérique. Pourtant, les flux de carbone entre atmosphère et biosphère terrestre, et entre atmosphère et océan, sont sensibles au climat. Un exemple classique de cette sensibilité est la réponse du taux de croissance du CO₂ atmosphérique à l'oscillation australe [Enso] (par exemple, Bousquet et al., 2002) ou à la perturbation climatique liée à l'éruption volcanique du Pinatubo (Jones et Cox, 2001 ; Lucht et al., 2002).

Les deux premières simulations utilisant un OAGCM couplé de façon interactive à un modèle du cycle du carbone

(Cox et al., 2000 ; Dufresne et al., 2002) ont montré que la rétroaction climat-carbone est une rétroaction positive (qui amplifie la perturbation externe). Par contre, l'estimation de l'amplitude de cette rétroaction est très différente entre ces deux premières études (Friedlingstein et al., 2003). Dans le cadre du projet de comparaison des modèles couplés

## LIVRE BLANC
### ESCRIME

### Étude des Scénarios Climatiques

Réalisés par l'IPSL & Météo-France

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Édité par :

Laurent Terray (CERFACS) et Pascale Braconnot (IPSL/LSCE)

Avec le soutien de l'INSU, de l'ONERC et de l'IDDRI

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Les différents types de végétation sont des facteurs primordiaux dans le cycle du carbone. Ci-contre, la côte ouest de la Nouvelle-Calédonie. (Photo Météo-France, Alain Lapujade)
<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 1 - a) Concentration de CO₂ atmosphérique simulée (ppm) de 1860 à 2100 par les modèles couplés climat-carbone C⁴MIP ; b) Impact de la rétroaction climat-carbone sur le CO₂ atmosphérique simulé CO₂ (ppm). Les modèles de l'IPSL sont représentés en couleurs.</figcaption></figure>

Ci-contre, la montagne française.
(Photo Météo-France, Jean-Marc Destruel)

climat-carbone (C⁴MIP) et pour le prochain rapport du Giec, un nouveau modèle couplé climat-carbone a été développé à l'Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL_CM4_Loop). Ce modèle a été utilisé pour réaliser des simulations climat-carbone sur la période historique et au cours du XXIᵉ siècle.

## Le modèle couplé climat-carbone de l'IPSL

Le modèle IPSL_CM4_Loop est construit à partir du modèle couplé océan-atmosphère de l'IPSL (Marti et al., 2005) utilisé pour les simulations du 4ᵉ rapport du Giec (Dufresne et al., 2005) et des modèles de carbone Orchidee (Krinner et al., 2005) pour la biosphère terrestre et Pisces (Aumonet et Bopp, 2006) pour l'océan. Orchidee est un modèle de végétation, à l'échelle globale, qui calcule bilans énergétiques et hydrologiques, assimilation du carbone, allocation et décomposition de la matière organique pour treize types fonctionnels de plante (PFTs). Dans le sol, le modèle Orchidee tient compte de façon explicite de quatre réservoirs de litières et de trois réservoirs pour le carbone du sol (réservoirs lent, rapide et passif). Pisces est un modèle du cycle du carbone océanique, à l'échelle globale, qui représente de façon explicite quatre groupes fonctionnels phytoplanctoniques (le nanophytoplancton, les diatomées, le microzooplancton et le mésozooplancton). La limitation de la croissance du phytoplancton est fonction des concentrations de plussieurs éléments nutritifs (N, P, Si et Fe) dont les cycles biogéochimiques dans l'océan sont également représentés dans Pisces.

Ce modèle climat-carbone est forcé par des émissions de combustibles fossiles anthropiques, reconstruites à partir d'observations pour la période historique (Marland et al., 2005) et estimées par le scénario IPCC SRES-A2(1) pour 2000-2100. Le modèle tient compte des émissions de CO₂ associées

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<footnote>(1) Pour les scénarios d'émission du Giec, voir Dufresne et al., 2007. Le scénario A2 est « pessimiste ».</footnote>
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Figure 2 - a) Concentration de CO₂ atmosphérique simulée par les modèles C⁴MIP pour la simulation couplée (rouge) et décoplée (bleu) ainsi que la concentration impose pour les modèles standard de l'IPCC AR4 pour le scénario SRES-A2 (noir) ;
b) réchauffement de surface global simulée par les modèles C4MIP pour la simulation couplée (rouge) et par les modèles standard de l'IPCC AR4 pour le scénario SRES-A2 (noir).

avec les observations sur la période historique. En 2100, la concentration est de 33 ppm plus élevée dans la simulation couplée que dans la décoplée, confirmant bien que la rétroaction climat-carbone est positive (figure 1b). Une analyse de rétroaction montre que, pour notre modèle, les continents et les océans jouent un rôle comparable dans cette rétroaction. Au niveau océanique, le réchauffement et la stratification des couches de surface expliquent la réduction du puits de carbone. Au niveau continental, la réduction du puits s'explique principalement par l'augmentation de la respiration des sols due au réchauffement de la surface. Le modèle IPSL_CM4_Loop a une rétroaction positive qui est inférieure à la moyenne des modèles C⁴MIP [amplification variant de +20 à +200 ppm] (Friedlingstein et al., 2006, figure 1b). Cette amplification induit un réchauffement global additionnel variant entre 0,1 et 1,5 °C en 2100 (figure 2).

à l'utilisation des sols et calculés par Houghton et Hackler (2002) pour la période historique et par le modèle Image pour le XXIe siècle (Leemans et al., 1998). Deux simulations ont été réalisées. Dans la première de ces simulations, le changement climatique influence le cycle du carbone (simulation couplée) ; dans la deuxième, le CO₂ est considéré comme un gaz non radiatif (de cette façon, le cycle du carbone n'est pas influencé par le changement climatique). La différence entre ces deux simulations permet d'estimer l'amplitude de la rétroaction climat-carbone sur le CO₂ atmosphérique.

## La rétroaction climat-carbone

Dans la simulation couplée, la concentration atmosphérique de CO₂ atteint 807 ppm (parties par million) en 2100 (figure 1a) et montre un bon accord

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## Vers une meilleure validation des modèles climat-carbone

Afin de réduire l'incertitude de cette rétroaction, il est nécessaire de procéder à une validation extensive des modèles. Les flux océaniques et continentaux simulés par IPSL_CM4_Loop ont été transportés dans l'atmosphère à l'aide du modèle LMDZ4, sur la période 1979-2003. Les concentrations de CO₂ simulées sont ensuite comparées aux données de la NOAA-CMDL [Climate Monitoring & Diagnostics Laboratory] (Globalview-CO₂, 2006). La figure 3 montre les concentrations observées et simulées pour le modèle

Figure 3 - Comparaison de la concentration de CO₂ atmosphérique simulée par IPSL-CM2-C et IPSL_CM4_Loop à celle des observations à la station de Mauna Loa pour la période 1979-2003.
IPSL-CM2-C (Dufresne et al., 2003) et IPSL_CM4_Loop à la station de Mauna Loa (19,5° N ; 155,6° W). Le nouveau modèle montre un accord avec les observations nettement meilleur en termes de cycle saisonnier. Le modèle est également évalué en termes de la réponse de son cycle du carbone à la variabilité interannuelle du climat. On trouve que la variabilité interannuelle du CO₂ est en bon accord avec les observations ; néanmoins, le modèle semble simuler une

réponse trop forte aux événements de type La Niña. Nous avons également utilisé les données de pénétration du carbone anthropique dans l'océan de Sabine et al. (2005) et comparé à la pénétration simulée par le modèle IPSL_CM4_Loop. Globalement, Sabine et al. (2005) estiment que l'océan a absorbé 106 PgC (pétagrammes de carbone, soit $10^{15}$ g) depuis le préindustriel, alors que le modèle calcule une absorption de 96,5 PgC de 1869 à 1995.

## Perspectives

Des simulations avec des forçages en concentration des autres gaz à effet de serre (CH₄, N₂O...), aérosols et volcans, sont également réalisées. Nous pourrons estimer le rôle de ces différents forçages additionnels sur le réalisme du climat et du cycle du carbone simulé au $xx^{e}$ siècle, ainsi que leur impact sur l'amplitude de la rétroaction climat-carbone au $xx^{e}$ siècle.

## Bibliographie

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