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Les modèles fournissant des estimations quantitatives du changement climatique futur sont plutôt fiables, particulièrement à l’échelle continentale et même mondiale. Cette fiabilité découle du fait que les modèles sont basés sur des principes physiques acquis et qu’ils sont capables de reproduire tant les caractéristiques observées du climat actuel que les changements climatiques du passé. La fiabilité des estimations modélisées est plus élevée pour certaines variables climatiques (par ex., les températures) que pour d’autres (par ex., les précipitations). Élaborés depuis des dizaines d’années, les modèles ont invariablement fourni une image sûre et claire du réchauffement climatique résultant de l’augmentation des gaz à effet de serre.
Les modèles climatiques sont des représentations mathématiques du système climatique, exprimées en codes informatiques et traitées par des ordinateurs puissants. L’une des raisons pour lesquelles on peut faire confiance aux modèles est que les modèles fondamentaux sont basés sur des principes physiques éprouvés, tels que la conservation de la masse, de l’énergie et de la vitesse, ainsi que sur de nombreuses d’observations.
FAQ 8.1, Figure 1. Moyenne mondiale des températures en surface au cours du XXe siècle, résultant d’observations (en noir) et obtenues au moyen de 58 simulations effectuées par 14 modèles climatiques différents basés sur les facteurs d’origine naturelle et humaine qui influencent le climat (en jaune). Les moyennes de ces séries suivent le trait épais rouge. Les anomalies de températures sont indiquées par rapport aux moyennes pour la période 1901-1950. Les lignes verticales grises indiquent la durée des éruptions volcaniques majeures. (Tiré du chapitre 9, figure 9.5. Pour d’autres détails, voir la légende correspondante).
Un autre motif de fiabilité découle de la capacité des modèles à simuler des aspects importants du climat actuel. Les modèles sont périodiquement soumis à des évaluations extensives qui consistent à comparer leurs simulations aux observations effectuées dans l’atmosphère, les océans, la cryosphère et à la surface de la terre. Au cours de la dernière décennie, des niveaux d’évaluation sans précédent ont été atteints au moyen d’ « intercomparaisons » entre plusieurs modèles. Les modèles deviennent de plus en plus aptes à représenter de nombreuses particularités climatiques moyennes, telles que la répartition de la température atmosphérique, des précipitations, des rayonnements et des vents à grande échelle, ainsi que les températures océaniques, les courants et l’étendue des glaces de mer. Les modèles peuvent également simuler les aspects essentiels de nombreux canevas de variabilité climatique observés sur des périodes données. À titre d’exemple, on peut citer l’avancée et le recul des vastes systèmes de mousson, les écarts saisonniers de température, les trajectoires des tempêtes et les zones pluvieuses, ainsi que les oscillations des pressions en surface dans les régions extratropicales des hémisphères (« les régimes annulaires » nord et sud). On a également testé certains modèles climatiques, ou des variantes proches, en les utilisant pour prédire le temps qu’il fera et faire des prévisions météorologiques saisonnières. Ces modèles se sont avérés très performants lors des prévisions, démontrant qu’ils pouvaient dégager à court terme les aspects principaux de la circulation générale, ainsi que les aspects de la variabilité saisonnière et interannuelle. La capacité des modèles à représenter ces aspects climatiques et d’autres caractéristiques d’importance nous confirme qu’ils représentent bien les processus physiques essentiels pour la simulation de l’évolution future du climat. (À noter que les limitations des modèles climatiques en matière de prévisions météorologiques au-delà de quelques jours ne les empêchent pas de prédire un changement climatique à long terme, car ce sont des prévisions totalement différentes – voir FAQ 1.2).
Un troisième facteur de fiabilité est la capacité des modèles à reproduire les caractéristiques des climats et des changements climatiques passés. On a utilisé des modèles pour simuler d’anciens climats, tels que le climat doux de l’Holocène moyen d’il y a 6 000 ans, ou celui de la dernière grande glaciation remontant à 21 000 ans (voir chapitre 6). Ils peuvent reproduire de nombreux aspects (avec une certaine marge d’incertitude dans la reconstitution des climats anciens), tels que l’ampleur et l’extension du refroidissement océanique pendant la dernière période glaciaire. Les modèles peuvent également simuler de nombreux aspects du changement climatique relevés par les instruments de mesure. À titre d’exemple, la courbe globale de la température au siècle passé (voir figure 1) peut être modélisée avec précision si l’on tient compte à la fois des facteurs humains et naturels qui affectent le climat. Les modèles reproduisent également d’autres changements observés : par exemple, le fait que la température s’élève plus rapidement la nuit que le jour, que le réchauffement s’accélère dans l’Arctique, et que de fortes éruptions volcaniques, comme celle du Mont Pinatubo en 1991, provoquent sur la planète un léger refroidissement de courte durée (suivi d’un réchauffement consécutif) (voir FAQ 8.1, Figure 1). Les projections modélisées des températures mondiales effectuées au cours des vingt dernières années correspondent également aux observations effectuées ultérieurement sur cette période (chapitre 1).
Cependant, les modèles comportent encore des erreurs importantes. Bien que celles-ci se produisent plus souvent à une échelle réduite, des problèmes subsistent à une échelle plus vaste. Par exemple, des insuffisances apparaissent dans la simulation des précipitations tropicales, de l’Oscillation australe- El Niño et de l’Oscillation Madden-Julian (écarts observés dans les systèmes venteux et pluviaux tropicaux sur une échelle temporelle allant de 30 à 90 jours). La source principale de ces erreurs réside dans le fait que les modèles ne représentent pas explicitement les processus de faible amplitude, mais néanmoins importants, et que ceux-ci doivent donc être inclus sous une forme approximative car ils agissent en conjonction avec des phénomènes plus importants. Ceci est en partie dû à la puissance limitée des calculs informatiques, mais résulte également de la compréhension scientifique limitée ou de la grossièreté des observations de certains phénomènes physiques. Des incertitudes de taille sont notamment liées à la représentation des nuages et donc, à leurs réactions au changement climatique. Par conséquent, les modèles continuent de présenter une large fourchette de variations dans l’évolution de la température mondiale en fonction des forçages de gaz à effet de serre spécifiques (voir chapitre 10). Malgré ces incertitudes, tous les modèles prévoient que l’augmentation des gaz à effet de serre entraînera un réchauffement climatique important, et l’ampleur de ce réchauffement correspond aux estimations provenant de sources indépendantes, comme celles qui découlent des changements climatiques observés dans le passé et des reconstitutions des climats d’antan.
Puisque les modèles simulant les changements à l’échelle mondiale sont moins fiables à une échelle réduite, d’autres techniques ont été élaborées pour étudier le changement climatique à l’échelle régionale ou locale, par exemple l’utilisation de modèles climatiques régionaux ou modèles descendants (voir FAQ 11.1). Néanmoins, à mesure que les modèles mondiaux se développent et que leur résolution s’améliore, ceux-ci deviennent de plus en plus utiles pour étudier les aspects de moindre ampleur, tels que l’évolution des évènements climatiques extrêmes ; on espère en outre apporter d’autres améliorations aux représentations régionales grâce à une puissance accrue des ordinateurs. Les modèles sont aussi de plus en plus capables de traiter l’ensemble du système climatique de manière exhaustive, et donc de mieux expliquer un plus grand nombre de phénomènes physiques et biophysiques et d’interactions considérées comme potentiellement importantes pour le changement climatique, notamment sur des échelles temporelles plus étendues. Par exemple, depuis peu certains modèles climatiques mondiaux incluent les réactions des plantes, les interactions biologiques et chimiques des océans, ainsi que la dynamique des inlandsis.
En résumé, la fiabilité des modèles découle des principes physiques sur lesquels ils sont basés et de leurs capacités à représenter un climat observé et les changements climatiques du passé. Les modèles se sont révélés être des instruments extrêmement importants pour la simulation et la compréhension du climat, et il y a de bonnes raisons de croire qu’ils peuvent fournir des estimations quantitatives fiables des changements climatiques futurs, surtout sur une plus grande échelle. Les modèles sont encore considérablement limités, en particulier pour la représentation des nuages, ce qui rend les prévisions de l’évolution du climat incertaines pour ce qui concerne l’ampleur, la durée et la représentation des évènements régionaux ponctuels. Néanmoins, pendant des dizaines d’années les modèles ont invariablement fourni une image claire et nette d’un réchauffement climatique d’importance résultant de l’augmentation des gaz à effet de serre.