Contributions radiatives à ondes courtes et à ondes longues au réchauffement climatique sous augmentation du CO2

Contributions SW et LW à l’accumulation d’énergie

Nous examinons d’abord plus en détail la réponse radiative globale du CMIP5 GCM à un forçage brusque des GES (4× CO2) (illustré à la Fig. 2). L’évolution des anomalies OLR diffère remarquablement entre les MCG (Fig. 2D). Nous caractérisons cette gamme de réponses par le temps (tcross) qu’il faut pour que OLR revienne à sa valeur non perturbée* ; tcross va de 2 à 231 y, avec une moyenne d’ensemble de 19 y (voir Fig. 4 BIS).

Pour interpréter ces résultats, nous utilisons une linéarisation couramment utilisée du budget énergétique global TOA: d(C TS) dt = FSW + FLW + (λSW + λLW) TS, où TS est l’anomalie moyenne globale de la température de surface et C est la capacité thermique globale dépendante du temps. Éq. 1 relie le taux de changement de la teneur en chaleur globale au taux d’accumulation d’énergie TOA globale, qui est donné par la somme des forçages radiatifs SW et LW (FSW et FLW) et des réponses radiatives (λSWTS et λLWTS) (6). Les anomalies dans l’OLR et l’ASR peuvent en outre être exprimées asASR = FSW + λSWTS

et −OLR = FLW + λLWTS.

Les rétroactions radiatives (λSW et λLW) peuvent être estimées pour chaque GCM par régression linéaire de l’ASR et de l’OLR (Fig. 2c et D) avec TS (Fig. 2A) sur la période après 4× CO2, dans laquelle le forçage radiatif est approximativement constant (7, 8). De plus, les composantes LW et SW du forçage du CO2 (FLW et FSW) peuvent être estimées par l’ordonnée à l’origine TS = 0 de la régression.† Les valeurs de forçage et de rétroaction pour le GCM CMIP5 (tableau S1) concordent avec celles estimées par Andrews et al. (10).

Tel que défini par Eq. 1, la capacité thermique effective C (Fig. 2B) est l’accumulation d’énergie TOA intégrée dans le temps divisée par TS. Il est reconnu depuis longtemps qu’il n’existe pas de capacité thermique unique (ou de temps de relaxation caractéristique) du système climatique (11). En effet, C augmente avec le temps à mesure que la chaleur pénètre sous la couche mixte de surface et dans l’intérieur de l’océan (12⇓⇓ -15). Pour les MCG CMIP5, C correspond à une profondeur océanique équivalente de 50 m dans la première décennie après 4× CO2 et augmente avec le temps, atteignant une profondeur équivalente de plusieurs centaines de mètres après un siècle (Fig. 2B). L’évolution temporelle de C ainsi que les valeurs des rétroactions SW et LW et du forçage permettent une itération de l’Eq. 1 qui reproduit avec précision la réponse en température de surface TS de chaque GCM (Fig. 2 BIS). ASR et OLR prédits par Eq. 2 sont en excellent accord avec leurs réponses respectives après 4× CO2 (Fig. 2 C et D) et représentent la grande majorité (99 %) de la variance de tcross entre les modèles. Ainsi, une représentation simple des rétroactions climatiques (Eqs. 1 et 2) est tout ce qui est nécessaire pour comprendre la réponse du RSA et du RLO sous le forçage des GES.

Un aperçu du comportement du GCM peut être obtenu en considérant les valeurs d’ASR et d’OLR nécessaires pour atteindre un bilan énergétique (équilibre) avec un forçage imposé des GES. Si le forçage et les rétroactions n’ont agi que dans le LW (comme sur la Fig. 1A), l’anomalie OLR augmenterait à partir d’une valeur de -FLW = 0 après 4× CO2 (Éq. 2), et l’accumulation d’énergie mondiale serait entièrement entraînée par une réduction de la RLO. Cependant, dans la moyenne multi-GCM, il existe une rétroaction SW positive substantielle de λSW = 0,6 W m-2 K-1 en plus de la rétroaction LW négative de λLW = -1,7 W m-2 K-1 (Fig. 3 BIS). En conséquence, l’ASR augmente avec le réchauffement, contribuant à l’accumulation d’énergie mondiale. De plus, le λSW positif amplifie la réponse à la température d’équilibre d’un facteur de gain ‡ (GλSW) de ∼1.5 par rapport à un système avec des rétroactions LW uniquement, où GΛSW≡1/ (1+λSW/λLW).L’OLR moyen multi-GCM doit donc augmenter de 1,5 FLW après 4× CO2 (de −FLW à 0,5FLW) pour atteindre l’équilibre (Éq. 2). Ainsi, OLR revient à sa valeur non perturbée lorsque 1FLW / 1,5FLW≈66% de la réponse en température d’équilibre a été réalisée. Nous estimons cette échelle de temps ci-dessous. Si l’on suppose, pour le moment, que le réchauffement sur les premières décennies peut être approximé avec une capacité calorifique constante C, Eq. 1 peut être facilement résolu pour l’évolution temporelle de la température de surface, en donnant = GλSWFLWλLW (e-tt-1), où = −CλLW + λSW.De Eq. 4, le ∼66% du changement de température d’équilibre nécessaire pour que l’OLR retrouve des valeurs préindustrielles sera atteint à environ le temps τ; c’est-à-dire que tcross est approximativement égal à τ dans la moyenne de l’ensemble. Si l’on prend la moyenne d’ensemble de C sur le premier siècle des simulations 4× CO2 comme borne supérieure sur sa valeur sur les premières décennies (C≈250 m de la Fig. 2B), puis Eq. 5 fournit une borne supérieure sur τ. Pour les valeurs de rétroaction moyennes d’ensemble (tableau S1), Eq. 5 donne τ≈29 y, ce qui est en bon accord avec l’échelle de temps de récupération OLR moyenne de l’ensemble CMIP5 tcross = 19 y. Pour tous les temps après tcross, l’énergie est perdue par une émission LW améliorée, et l’accumulation d’énergie est uniquement due à une ASR améliorée. Ainsi, les contributions relatives des anomalies SW et LW à l’accumulation d’énergie totale dépendent directement du temps nécessaire à OLR pour revenir à sa valeur non perturbée (tcross) et la croiser. Dans la moyenne multi-GCM, OLR ne met que deux décennies à se rétablir et, par conséquent, l’accumulation d’énergie est principalement due à une ASR améliorée.

Qu’est-ce qui définit alors la large gamme de tcross sur les GCM CMIP5 ? Alors qu’une fraction substantielle du réchauffement d’équilibre est atteinte au cours des premières décennies dans tous les MCG (15, 18) — en raison de la réponse rapide des composantes de surface du système climatique (12) — les réponses ASR et OLR au réchauffement (et tcross) dépendent des rétroactions SW et LW, qui varient considérablement (Fig. 3 BIS). La dépendance de tcross sur les paramètres de rétroaction peut être vue explicitement en résolvant le modèle de rétroaction linéaire pour tcross (sous l’hypothèse que FSW = 0). Remplacement de l’égaliseur. 4 dans l’égaliseur. 2 et en identifiant t=tcross comme le temps où OLR = 0 donne FLW = FLWGλSW(etcross/τ-1), qui a la solutiontcross =−τ⁡ln(1−1GλSW).

Eq. 6 révèle que le temps de récupération OLR est proportionnel à (i) l’échelle de temps radiative de repliement e τ, qui est de l’ordre de plusieurs décennies, et (ii) un facteur ln (1-1/GλSW) = ln (-λSW/λLW), qui est ≈1 dans la moyenne multi−GCM mais varie de deux ordres de grandeur à travers les GCM. Une rétroaction SW positive amplifie le réchauffement, et améliore ainsi la réponse OLR et diminue l’échelle de temps pour la récupération OLR. De plus, tcross est beaucoup plus sensible aux changements de λSW que λLW sur l’espace des paramètres réalisé dans le GCM (courbes de la Fig. 3A), suggérant que les différences entre les modèles de tcross sont principalement contrôlées par les variations des rétroactions SW. Ce résultat résulte d’une asymétrie fondamentale dans la dépendance de l’OLR sur λSW et λLW: un λSW plus positif agit pour amplifier le réchauffement, ce qui améliore l’OLR et diminue le tcross; un λLW moins négatif agit de la même manière pour amplifier le réchauffement, ce qui améliore l’OLR, mais il diminue également la réponse OLR par changement de degré TS (Eq. 2), ne conduisant que de petits changements dans le tcross.

Malgré ses nombreuses simplifications, Eq. 6 fournit une estimation raisonnable du tcross tel que simulé par le GCM, expliquant 66 % de la variance entre les modèles (Fig. 3 BIS). En particulier, il capture largement le temps de récupération OLR court dans les modèles CMIP5 avec des valeurs λSW importantes et positives et le temps de récupération OLR long dans les modèles avec un λSW proche de zéro. Il y a quelques exceptions notables, cependant, où Eq. 6 prédit un tcross sensiblement plus petit que ce qui est réalisé. le tcross est sous-évalué dans ces modèles car nous n’avons pas encore pris en compte la composante SW du forçage du CO2, qui est importante dans quelques GCM en raison des ajustements rapides des nuages qui se produisent à des échelles de temps plus rapides que les changements de température de surface. Analogue au cas de rétroaction SW discuté ci-dessus, le forçage SW amplifie la réponse à la température d’équilibre par un facteur de gain de forçage SW, GFSW, par rapport au système avec forçage LW uniquement: GFSW≡1 + FSWFLW.

Un forçage SW positif amplifie le réchauffement, améliorant la réponse OLR et diminuant le tcross, tandis qu’un forçage SW négatif réduit le réchauffement, diminuant la réponse OLR et augmentant le tcross. L’inclusion des effets des rétroactions SW et du forçage ensemble donne une extension simple de l’égalisation. 6, dans laquelle les gains sont multiplicatifs (texte SI) : tcross =−τ⁡ln (1−1GλSW GFSW). Dans la moyenne multi-GCM, FSW est relativement faible (tableau S1), ce qui donne GFSW≈1,1 et modifie peu tcross par rapport à celui prédit par Eq. 6. Cependant, dans certains modèles, le FSW représente une fraction substantielle du forçage total du CO2 (Fig. 3B), et donc, il a un impact important sur le tcross. Avec FSW pris en compte, Eq. 8 fournit une excellente estimation du tcross tel que simulé par le GCM, expliquant 78% de la variance entre les modèles.

Si une valeur constante τ≈29 y est utilisée dans Eq. 8, la dépendance de tcross sur les gains de rétroaction et de forçage peut être visualisée (courbes de la Fig. 3B). le tcross présente des gradients très raides dans la région où le produit de GλSW et de GFSW se rapproche d’un, conduisant à une distribution bimodale du tcross, l’OLR revenant à des valeurs non perturbées soit sur quelques décennies, soit à des échelles de temps supérieures à un siècle. Bien que GλSW et GFSW contribuent également à tcross, GλSW varie beaucoup plus que GFSW dans l’ensemble du GCM. Ainsi, c’est la rétroaction SW qui contrôle le plus fortement la gamme de tcross et les contributions relatives de l’OLR et de l’ASR à l’accumulation d’énergie mondiale. Cependant, dans les modèles avec un FSW suffisamment négatif (GFSW < 0), le tcross peut être de l’ordre des siècles, même avec un λSW grand et positif (GλSW > 0). En général, l’OLR se rétablit sur des échelles de temps de plusieurs siècles dans les modèles avec des rétroactions de SW faibles ou un forçage de SW faible (ou négatif), et l’OLR se rétablit sur des échelles de temps de plusieurs décennies dans les modèles avec des rétroactions de SW modérées et un forçage de SW. Ce résultat peut encore être vu en faisant varier uniquement λSW et FSW dans le modèle de rétroaction linéaire (Eq. 1) et en définissant λLW, FLW et C égaux à leurs valeurs moyennes d’ensemble. Les valeurs prédites de tcross sont en excellent accord (R2 = 0,98) avec celles simulées par le GCM (Fig. 4A), à l’exception de deux modèles dont le C est beaucoup plus grand que la valeur moyenne de l’ensemble. Il est important de noter que le fait de ne laisser varier que λSW et FSW entre les modèles est suffisant pour capturer la séparation claire entre (i) ces modèles avec tcross de l’ordre des siècles (cercles noirs sur la Fig. 4A), où l’accumulation d’énergie globale est dominée par une OLR réduite, et (ii) les modèles avec tcross de l’ordre de décennies (cercles colorés sur la Fig. 4A), où l’accumulation mondiale d’énergie est dominée par une ASR renforcée et à laquelle s’oppose une OLR améliorée.

Avec ces informations à l’esprit, nous revenons aux rôles relatifs des ASR et des OLR dans la conduite de l’accumulation d’énergie mondiale dans le scénario d’augmentation de 1% de CO2 par an, où les concentrations de GES augmentent lentement au fil du temps, comme dans la nature, plutôt que de quadrupler brusquement. Pour quantifier les rôles relatifs de l’ASR amélioré et de l’OLR réduit dans l’accumulation d’énergie transitoire, nous définissons le rapport d’accumulation d’énergie SW (SWEAR) comme étant le rapport de l’accumulation d’énergie intégrée dans le temps via l’ASR amélioré au déséquilibre radiatif net intégré dans le temps (ASR-OLR) sur les 140 ans des simulations à 1% de CO2: SWEAR =∫ASRdt∫ (ASR-OLR) dt.Les valeurs de JURONS varient considérablement d’un GCM à l’autre (fig. 4B), de près de zéro (énergie accumulée principalement par une réduction de la RTA) à près de trois (énergie accumulée par une augmentation de la RSA et perdue par une augmentation de la RTA). JUREZ entre 0 et 1 indique une accumulation d’énergie à la fois par OLR amélioré et par OLR réduit, tandis que JUREZ au-dessus de 0,5 indique que l’ASR contribue à plus de la moitié de l’accumulation d’énergie mondiale. Dans la moyenne multi-GCM, SWEAR est de 1,1, ce qui indique que la RLO change peu et que l’accumulation nette d’énergie est entièrement réalisée par une RSA améliorée (Fig. 1D).

Cette gamme de comportement du GCM sous un forçage à augmentation lente des GES découle directement de la gamme des échelles de temps de récupération des OLR tcross identifiées ci-dessus sous un changement brusque des GES, qui, à son tour, est définie par des différences intermodèles dans les rétroactions de SW et le forçage. En effet, le modèle de rétroaction linéaire (Eqs. 1 et 2 avec des paramètres estimés à partir de 4× CO2 comme décrit ci-dessus) itérés en avant sous 1% de CO2 capture la réponse ASR et OLR multi-GCM (lignes en pointillés sur la Fig. 1D) et leurs variations selon les modèles. Ainsi, le modèle de rétroaction linéaire capture également la variance inter-GCM dans SWEAR (95%), où la grande majorité (85%) de la variance inter-GCM peut être expliquée en faisant varier λSW et FSW uniquement (avec λLW, FLW et C fixés à leurs moyennes d’ensemble comme ci-dessus) (Fig. 4B).

Fig. 4B montre une séparation claire entre les modèles avec JURE ≤0,5 (dominé par OLR) et les modèles avec JURE ≥1 (dominé par ASR). De plus, les modèles avec JURE ≤0,5 sont ceux avec tcross de l’ordre des siècles (Fig. 4B, cercles noirs), et les modèles avec JURE ≥1 sont les mêmes que ceux avec tcross de l’ordre de décennies (Fig. 4B, cercles colorés). Cette forte dépendance du JURON au tcross peut être comprise en considérant la réponse à 1% de CO2 comme la superposition de nombreuses réponses à un forçage instantané du CO2, chacune initiée à un moment différent. Plus formellement, le moment (tramp) auquel OLR revient à sa valeur non perturbée en réponse à une augmentation linéaire du forçage du CO2 peut être approximé par (Texte SI) tramp = τ1−1GλSW GFSW = tetcross/τ.Pour les modèles avec tcross de l’ordre des décennies, tRAMP l’est également de l’ordre des décennies, et SWEAR est grand. Pour les modèles avec tcross de l’ordre d’un siècle, tRAMP est de l’ordre de plusieurs siècles, et JURER est petit. Au total, tcross explique 83% de la variance inter-GCM en JURONS.