Chapitre 1 – Le climat et ses perturbations (4e partie)

Les changements climatiques constituent l’un des principaux défis du XXI^e siècle. Les connaissances scientifiques sur le climat terrestre, sur l’effet de l’action humaine dans son évolution et, à l’inverse, sur les conséquences des perturbations climatiques sur nos sociétés s’affinent constamment. Devant la masse imposante d’information disponible et le flot incessant de nouvelles publications, responsables politiques, citoyennes et citoyens s’y perdent facilement. La Bibliothèque de l’Assemblée nationale vous propose une série de notes synthétiques expliquant les principaux aspects de cet enjeu de fond planétaire.

Dans le premier chapitre de cette série, nous tâcherons d’abord de définir la notion de climat et de cerner les principaux facteurs, naturels et anthropiques^[1], qui l’influencent. Nous esquisserons ensuite un portrait des gaz à effet de serre (GES) présents dans l’atmosphère et dresserons un bilan mondial de leurs émissions. Dans un troisième temps, nous ferons un tour d’horizon des principaux changements du climat observés à ce jour dans le monde. Puis, nous démystifierons la modélisation climatique afin de présenter brièvement les scénarios d’émissions de GES et les projections climatiques utilisées pour prévoir le climat futur. Pour terminer, nous explorerons les répercussions actuelles et anticipées des changements climatiques sur les aspects physique et biologique de notre environnement.

Le présent article constitue la quatrième de ces cinq parties.

Cette fiche d’information est également accessible en version complète sur le site web de la Bibliothèque de l’Assemblée nationale, comme d’autres notes produites par le Service de la recherche.

Analyse et rédaction
Mathieu LeBlanc
Xavier Mercier Méthé
Service de la recherche
Recherche documentaire
Simon Mayer
Service de la référence
Traitement graphique et des illustrations
Marie-Claude Chabot-Fradette
Direction des communications

1.4 Étude des changements climatiques : Introduction à la modélisation climatique, aux scénarios d’émissions de GES et aux projections climatiques

L’étude des changements climatiques consiste également à prévoir ce que sera le climat futur. Cette approche est nécessaire afin de comprendre quelles seront les modifications possibles des conditions climatiques tout autour du globe, les répercussions pour les générations futures et comment s’y adapter. Pour y arriver, la communauté scientifique fait appel à un outil, certes complexe, mais indispensable : la modélisation climatique.

Qu’est-ce qu’un modèle?

Les modèles climatiques sont, dans leur plus simple forme, des équations mathématiques de physique et de chimie qui reproduisent les principaux phénomènes météorologiques. Il existe deux principales catégories de modèles, soit les modèles globaux du climat dont l’étendue couvre l’ensemble de la planète ainsi que les modèles régionaux du climat qui en couvrent seulement une partie.

La modélisation de la météo et du climat à l’aide de méthodes mathématiques a été développée il y a presque exactement un siècle. En 1922, le mathématicien et météorologue anglais Lewis Fry Richardson a publié le premier ouvrage à ce sujet intitulé Weather Prediction by Numerical Process^[2]. Dans ce livre, Richardson décrivait comment prévoir la météo à court terme à l’aide d’équations mathématiques. Il a ensuite utilisé lui-même sa méthode pour faire une prévision météorologique sur une période de huit heures. Cependant, l’exercice lui prit six semaines à réaliser et se conclut par un échec. Afin d’accélérer le temps de calcul très long, qui devait se faire sans ordinateur à cette époque, Richardson imagina avoir recours à un stade rempli de 64 000 personnes calculant chacune une partie de l’équation. Cela n’était bien sûr pas très réaliste. Ce ne fut qu’avec l’arrivée des premiers ordinateurs que la faisabilité du modèle de Richardson a été reconnue. En 1950, le groupe de travail, dirigé par le mathématicien hongrois John von Neumann et par le météorologue américain Jule Gregory Charney, a réussi la première prévision météorologique à partir de méthodes numériques et à l’aide d’un ordinateur. Quelques années plus tard, le concept a été appliqué à la simulation non pas des conditions météorologiques à court terme, mais plutôt de leur moyenne sur un horizon temporel plus long, soit le climat. Depuis, la modélisation de la météo et du climat a continué de se raffiner, demeurant toutefois à la remorque du progrès technologique et informatique. Encore aujourd’hui, la modélisation climatique requiert des équipes de travail relativement nombreuses et surtout, des ordinateurs très puissants.

Comment les modèles fonctionnent-ils?

Comme mentionné précédemment, les modèles climatiques sont fondés sur des équations mathématiques, plus précisément des équations différentielles. Ces équations prennent en compte les quatre principales lois physiques de la conservation selon le principe « rien ne se perd, rien ne se crée » : celles de la conservation de la masse, de l’énergie, de l’eau et de la quantité de mouvements. Plus particulièrement, les équations composant les modèles décrivent le comportement des différentes composantes du système climatique (l’atmosphère, les océans, le sol, etc.) et les interactions entre elles sous l’effet de différents facteurs externes tels que le rayonnement solaire, les aérosols et les gaz à effet de serre.

Pour les fins de la modélisation, l’atmosphère est divisée en boîtes distinctes. La taille des boîtes détermine la résolution du modèle. Plus les boîtes sont petites, plus la résolution est précise. Toutefois, la quantité de données nécessaires à la simulation, et par conséquent la puissance informatique requise pour les traiter, augmentent au même rythme que la résolution s’affine. Il importe alors aux modélisateurs de trouver un certain équilibre entre le niveau de résolution du modèle et la puissance informatique nécessaire à son opération. Les modèles globaux ont généralement une résolution spatiale plus grossière, environ de 200-300 km par 200-300 km, tandis que les modèles régionaux ont souvent une résolution de 50 km par 50 km ou moins. À partir des équations mathématiques, on simule ainsi dans chaque boîte, sur l’horizon temporel désiré, des variables, comme la température et les précipitations, en fonction de changements apportés à un ou plusieurs facteurs externes (par exemple, hausse des concentrations atmosphériques de GES). C’est surtout cette étape qui nécessite l’utilisation d’ordinateurs performants puisqu’elle consiste à la résolution d’équations mathématiques complexes. Dans le contexte de l’étude des changements climatiques, les conditions climatiques pour l’horizon 2100 sont généralement simulées.

Chaque modèle a ses forces et ses faiblesses. Deux modèles peuvent donner des résultats différents, selon les variables et les équations qui y sont incluses, même si ce sont les conditions climatiques de la même région et durant la même période temporelle qui sont simulées. La combinaison de modèles donne ainsi généralement des résultats plus fiables.

La qualité des modèles climatiques repose sur la capacité des équations mathématiques les composant à représenter fidèlement les processus qui gouvernent le climat. De plus, leur résolution doit être assez précise, mais ne pas nécessiter une performance informatique et un temps de traitement exorbitants. Afin de valider la qualité des simulations réalisées par les modèles climatiques, il importe d’en faire l’évaluation. Le test auquel les modèles sont habituellement soumis est la reproduction des conditions climatiques passées, soit principalement celles observées et mesurées au cours du XX^e siècle. En s’assurant que les modèles simulent correctement le climat passé, on estime qu’ils sont assez précis pour que les résultats de leurs simulations du climat futur soient de qualité. Cependant, la période-test du XX^e siècle est relativement courte et les conditions climatiques n’ont pas varié énormément durant cette période. Il est possible de retourner plus loin dans le passé et de comparer les résultats des modèles aux données du climat calculées à partir d’études paléoclimatiques. Toutefois, comme il n’y a pas d’observations directes provenant de cette époque, les données comparées aux résultats des modèles sont moins précises puisqu’elles sont estimées. Les résultats d’un modèle peuvent aussi être comparés à ceux d’autres modèles reconnus dans la communauté scientifique afin d’en tester la qualité. Aucune méthode d’évaluation ne peut néanmoins annuler complètement toutes les incertitudes reliées à la performance des modèles. C’est pourquoi ces derniers sont améliorés continuellement, notamment grâce à l’apport de nouvelles observations de la météo et du climat.

Scénarios d’émissions de gaz à effet de serre

Les émissions anthropiques de gaz à effet de serre étant la cause même des changements climatiques, la concentration des gaz à effet de serre dans l’atmosphère est bien sûr un des principaux facteurs inclus dans les modèles climatiques. Afin de réaliser des simulations du climat futur, communément appelées « projections climatiques », les valeurs futures de concentrations de GES sont fournies par des scénarios d’émissions. Ces scénarios décrivent différentes situations futures plausibles en ce qui a trait aux émissions et aux concentrations de gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Ces scénarios potentiels dépendent principalement des facteurs socioéconomiques futurs de la société et des décisions politiques qui seront prises. Ils sont donc intrinsèquement tous incertains, bien que certains soient plus probables que d’autres. Il est cependant impossible de déterminer à ce jour quel scénario se concrétisera hors de tout doute. Par conséquent, plus d’un scénario d’émissions de gaz à effet de serre est généralement utilisé dans l’élaboration d’un ensemble de simulations climatiques.

Les scénarios d’émissions de GES reconnus par la communauté scientifique sont sujets à changements avec l’avancement des connaissances en la matière. Une nouvelle mouture de scénarios d’émissions avait d’ailleurs vu le jour entre la publication du quatrième rapport d’évaluation du GIEC en 2007 et le cinquième rapport publié en 2013-2014. Le plus récent rapport, paru en 2021, propose également l’utilisation de nouveaux scénarios, fondés sur l’évolution potentielle des facteurs anthropiques des changements climatiques, soit les Shared Socioeconomic Pathways (SSP).  

Les cinq scénarios SSP ont été développés en extrapolant des choix socioéconomiques en matière d’émissions de GES et le forçage radiatif que chacun cause autour de l’année 2100. Le forçage radiatif, dans le contexte des scénarios d’émissions de GES, représente grosso modo la chaleur supplémentaire (exprimée en W/m²) que l’atmosphère retiendra en raison d’une hausse de concentrations atmosphériques de GES. On trouve, en ordre croissant de leur forçage radiatif en 2100 et donc du réchauffement qui en résulterait, les scénarios d’émissions SSP1-1.9, SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0 et SSP5-8.5.

Les scénarios SSP1-1.9 et SSP1-2.6 décrivent les situations les plus optimistes avec des efforts rapides et importants de réduction des émissions de CO₂^[3]. Le SSP1-1.9 prévoit que les émissions nettes de gaz carbonique devront être nulles ou négatives vers 2050. Quant à lui, le SSP1-2.6 illustre une trajectoire d’émission comparable à SSP1-1.9, mais avec l’atteinte d’émissions nulles de CO₂ plus tardivement, vers l’année 2080. Ce scénario est compatible avec l’objectif de maintenir le réchauffement planétaire sous les deux degrés, énoncé dans l’Accord de Paris. Dans ces scénarios, les émissions de CO₂ sont radicalement réduites à compter de 2025. L’atteinte de la carboneutralité à l’échelle mondiale sous-entend un retrait net de CO₂ de l’atmosphère vers la fin du siècle grâce à des technologies de captage et de stockage pour compenser les émissions liées aux activités humaines. L’augmentation de la température moyenne planétaire à l’horizon 2081-2100 par rapport à la période 1850-1900 selon le scénario SSP1-1.9 serait entre 1,0 °C et 1,8 °C, alors qu’elle serait entre 1,3 °C et 2,4 °C selon le scénario SSP1-2.6^[4].

Le scénario SSP2-4.5 représente des situations où les efforts de réduction des émissions de GES au courant du XXI^e siècle sont modérés. Les émissions de CO₂ poursuivent leur croissance encore quelques décennies et commencent à décroître vers 2060. L’augmentation de la température moyenne planétaire à l’horizon 2081-2100 par rapport à la période 1850-1900 selon le scénario SSP2-4.5 serait entre 2,1 °C et 3,5 °C^[5].

Les scénarios SSP3-7.0 et SSP5-8.5 décrivent les situations les plus pessimistes dans lesquelles les efforts de réduction des émissions de GES sont très faibles durant le XXI^e siècle. Dans ces scénarios, les émissions de CO₂ croissent intensément et doublent (SSP3-7.0) ou triplent (SSP5-8.5) d’ici 2100. Ces scénarios mènent bien sûr aux plus fortes hausses de la température moyenne planétaire des cinq scénarios à l’horizon 2081-2100 par rapport à la période 1850-1900, soit de 2,8 °C à 4,6 °C pour le SSP3-7.0 et de 3,3 °C à 5,7 °C pour le SSP5-8.5^[6].

Comme il est possible de le constater, l’utilisation de différents scénarios d’émissions de GES lors de l’élaboration de simulations climatiques permet de couvrir un éventail de possibilités, de la plus optimiste à la plus pessimiste. Les scénarios demeurent sujets à modifications avec le temps, tout comme notre perception de ceux-ci. Un scénario d’émissions de GES aujourd’hui qualifié de pessimiste pourrait devenir un scénario plutôt optimiste dans l’avenir selon l’évolution réelle des émissions ou la sensibilité du climat terrestre à celles-ci. Comme le montrent les scénarios, l’avenir des émissions et des concentrations atmosphériques de GES dépendra de l’effort de réduction qui y sera consenti et du leadership politique en la matière.

Tableau 5. Variation de la température planétaire moyenne selon les cinq scénarios SSP par rapport à la période 1850-1900. Source : IPCC, 2021, p.SPM-18.

Projections climatiques en bref

Les tendances climatiques présentées dans la section Quelques changements climatiques observés permettent de constater que des transformations sont déjà en cours tout autour du globe. Il devient donc impératif de tenter de prévoir ce que l’avenir climatique nous réserve afin de pouvoir s’y préparer et s’y adapter. À ce sujet, tel qu’abordé dans la section précédente, l’utilisation de modèles climatiques couplée à celle de scénarios d’émissions de GES permet de faire des projections^[7] du climat futur.

En ce qui concerne la température à la surface de la Terre, une hausse est attendue à l’échelle planétaire, peu importe le scénario d’émissions. À court terme, pour l’horizon 2021-2040, les différences de température projetées entre les scénarios sont faibles. D’après tous les scénarios, il est probable que la température moyenne à court terme excède de 1,5 °C celle de la période 1850-1900. En raison de la variabilité naturelle du climat, la température globale de surface peut dépasser, pour une année donnée, la tendance à long terme de la hausse attendue de température^[8]. Pour la deuxième moitié du XXI^e siècle, la magnitude des changements climatiques sera fortement influencée par l’évolution des émissions anthropiques de GES puisque les projections pour cette période fluctuent intensément en fonction du choix de scénarios d’émissions dans les modèles. Il est probable que la température moyenne planétaire pour la période 2081-2100 soit de 1 °C à 5,7 °C plus élevée que pour la période 1850-1900, selon l’évolution des émissions de GES^[9]. Le réchauffement planétaire continuera aussi de montrer des variations interannuelles et interdécennales et de ne pas être uniforme régionalement^[10]. Par exemple, le réchauffement de l’Arctique continuera d’être plus rapide qu’ailleurs et le réchauffement au-dessus des continents sera plus intense que celui au-dessus des océans.

Le Québec continuera de subir lui aussi un important réchauffement. Selon les modèles, la température moyenne pour la période 2071-2100 pourrait être de 2 °C à 10 °C plus élevée que celle pour la période 1971-2000^[11]. Tout comme pour la planète, le réchauffement ne sera pas uniforme partout au Québec. La hausse des températures sera plus élevée dans le centre et dans le nord du Québec que dans le sud du Québec, où l’on retrouve la majorité de la population, et dans la région du golfe du Saint-Laurent^[12].

Il est aussi pratiquement certain qu’il y aura davantage d’épisodes de températures extrêmes chaudes à travers le globe à mesure que la température moyenne planétaire augmentera^[13]. Il est très probable que les canicules seront plus fréquentes et plus longues, y compris au Québec. Des épisodes de froid extrême l’hiver continueront tout de même de survenir.

En ce qui a trait au cycle de l’eau régissant les précipitations, il est pratiquement certain qu’il s’intensifiera avec la hausse des températures moyennes. Les changements le concernant au cours du XXI^e siècle ne seront pas non plus uniformes à travers la planète^[14]. La hausse des températures intensifiera les conditions météorologiques de grandes sécheresses et de grandes précipitations. L’écart dans la quantité de précipitations reçues entre les régions humides et les régions sèches et entre les saisons humides et les saisons sèches augmentera, bien qu’il puisse y avoir des exceptions régionales. Les régions des hautes latitudes, les régions équatoriales du Pacifique et certaines régions touchées par les moussons devraient recevoir davantage de précipitations à la fin du XXI^e siècle. À l’opposé, les précipitations moyennes annuelles devraient diminuer dans certaines régions subtropicales et tropicales. À mesure que la température moyenne planétaire augmentera, il est très probable que les épisodes de précipitations extrêmes continuent de devenir plus intenses et plus fréquents dans plusieurs zones du globe^[15].

Au Québec^[16], les modèles climatiques s’accordent sur des hausses de précipitations hivernales et printanières pour toutes les régions au cours des prochaines décennies. Pour le nord et le centre du Québec, les modèles montrent aussi des augmentations des précipitations en été et en automne, mais plus modestes. Pour le sud du Québec et le golfe du Saint-Laurent, il n’y a cependant pas de tendances futures claires des précipitations pour ces deux saisons. Une hausse des précipitations totales sur l’ensemble de l’année est tout de même attendue dans toutes les régions du Québec.

En somme, les simulations climatiques montrent que les émissions cumulées de GES détermineront largement le réchauffement moyen de la surface de la planète et la magnitude des autres modifications du climat d’ici la fin du XXI^e siècle et au-delà. La plupart des différents aspects des changements climatiques persisteront pendant de nombreux siècles même si les émissions de GES sont arrêtées. Les répercussions des changements climatiques seront donc irréversibles sur une échelle temporelle de plusieurs centaines voire de plusieurs milliers d’années, excepté dans l’éventualité où il y aurait un retrait net considérable de GES de l’atmosphère sur une période prolongée.

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RÉFÉRENCES 

• IPCC (GIEC), 2014: Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Edenhofer, O., R. Pichs-Madruga, Y. Sokona, E. Farahani, S. Kadner, K. Seyboth, A. Adler, I. Baum, S. Brunner, P. Eickemeier, B. Kriemann, J. Savolainen, S. Schlömer, C. von Stechow, T. Zwickel and J.C. Minx (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
• IPCC (GIEC), 2018: Global Warming of 1.5°C. An IPCC Special Report on the impacts of global warming of 1.5°C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat of climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, H.-O. Pörtner, D. Roberts, J. Skea, P.R. Shukla, A. Pirani, W. Moufouma-Okia, C. Péan, R. Pidcock, S. Connors, J.B.R. Matthews, Y. Chen, X. Zhou, M.I. Gomis, E. Lonnoy, T. Maycock, M. Tignor, and T. Waterfield (eds.)]. In Press.
• IPCC (GIEC), 2019: IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate [H.-O. Pörtner, D.C. Roberts, V. Masson-Delmotte, P. Zhai, M. Tignor, E. Poloczanska, K. Mintenbeck, A. Alegría, M. Nicolai, A. Okem, J. Petzold, B. Rama, N.M. Weyer (eds.)]. In press.
• IPCC (GIEC), 2021: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S. L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M. I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T. K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press. In Press.
• National Oceanic and Atmospheric Administration, Climate Models. [Consulté le 29 octobre 2021] Ouranos, Vers l’adaptation. Synthèse des connaissances sur les changements climatiques au Québec, Édition 2015, Montréal, Québec : Ouranos, 2015, 415 p.

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1. Causés par l’activité humaine. [retour]
2. Richardson, Lewis Fry, Weather Prediction by Numerical Process, Cambridge University Press, 1922. [retour]
3. L’accent est mis dans cette section sur l’évolution possible des émissions et des concentrations atmosphériques du CO₂ seulement puisqu’il s’agit du GES le plus abondant dans l’atmosphère. Les scénarios d’émissions prévoient également les émissions et les concentrations futures des autres GES. Les données sont tirées du dernier rapport du GIEC : IPCC (GIEC), 2021: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S. L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M. I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T. K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press. In Press. [retour]
4. IPCC, 2021, op. cit. [retour]
5. IPCC, 2021, op. cit. [retour]
6. IPCC, 2021, op. cit. [retour]
7. Un accent est mis dans cette section sur les prévisions concernant la température et les précipitations seulement. [retour]
8. IPCC, 2021, op. cit. [retour]
9. IPCC, 2021, op. cit. [retour]
10. IPCC, 2021, op. cit. [retour]
11. Ouranos, Vers l’adaptation. Synthèse des connaissances sur les changements climatiques au Québec, Edition 2015, Montréal, Québec : Ouranos, 2015, 415 p. [retour]
12. Voir les délimitations des zones de référence utilisées par le consortium Ouranos dans : Ouranos, 2015, op. cit. p. 2. [retour]
13. IPCC, 2021, op. cit. [retour]
14. IPCC, 2021, op. cit. [retour]
15. IPCC, 2021, op. cit. [retour]
16. Ouranos, 2015, op. cit. [retour]