Objectifs

Ce projet vise une contribution au prochain rapport du GIEC (AR5), pour lequel les communautés scientifiques qui sont derrière les trois groupes de travail du GIEC vont travailler simultanément et de manière coordonnée sur des nouveaux scénarios. Ceci suppose une nouvelle approche concernant l’articulation entre ces simulations et les scénarios socio-économiques qui sous-tendent leurs hypothèses d’émissions nettes de gaz à effet de serre (GES). Cette approche tient compte d’un contexte où, pour les discussions sur les politiques de réduction des émissions nettes de gaz à effet de serre, il devient gênant de déconnecter les scénarios de concentration sur lesquels sont basées les simulations climatiques de ceux utilisés pour l’étude des politiques de réduction des émissions. Que ce soit pour étudier des cibles de concentration à ne pas dépasser sur le 21 ou 22ème siècle ou le séquençage temporel des politiques (en niveau et en structure), il convient de prendre en compte les interdépendances entre la croissance économique dans les différentes régions du monde, les cycles biogéochimiques des gaz à effet de serre et leurs rétroactions climatiques, les impacts régionaux du changement climatique, et enfin l’effet net de ces impacts sur l’activité économique.
A partir de scénarios de concentrations co-définis entre climatologues et économistes, les modèles climatiques couplés à des modèles de carbone seront mis en œuvre :

• pour calculer, en amont, les émissions de GES compatibles avec ces évolutions de concentration ;

• pour évaluer, en aval, le changement climatique correspondant.

Ce jeu de simulations sera utilisé par les communautés "climat" (groupe de travail I du GIEC, qui s'appuie sur les programmes internationaux WCRP et IGBP en matière de simulations climatiques) et "impact" (groupe de travail II du GIEC, qui s'appuie sur le consortium IAV (Impacts, Adapation and Vulnerabilities)) pour estimer l’impact du changement climatique sur les différents secteurs (agriculture, écosystèmes, eau, santé…), et par les économistes (groupe de travail III du GIEC, qui s'appuie sur le consortium IAM (Integrated Assessment Models)) afin d’imaginer des "solutions politiques" et d’évaluer leurs coûts et bénéfices associés.

Cette stratégie sera conduite au niveau français dans le cadre du projet DECLIC visant à répondre aux trois questions majeures suivantes :

• Pour divers niveaux de stabilisation des concentrations en gaz à effet de serre, quel sera le rythme du changement climatique, son niveau à l’horizon de la stabilisation (2200 – 2300) et sur le très long terme (millier d’années) ?

• Pour chaque scénario de stabilisation, quelles seront les émissions compatibles de CO2 à échéance 2200 – 2300 et quelle est la plausibilité des ces scénarios d’émission ?

• Quelles stratégies d’atténuation devraient être mises en œuvre pour atteindre les émissions associées aux différents scénarios ?

Les analyses prendront en compte le couplage du système économie-végétation-climat, ce qui constitue une avancée importante par rapport aux travaux antérieurs pour l’analyse des stratégies d’atténuation (plantation de forêts, ralentissement de la déforestation, développement des agrocarburants).

Méthodologie

Volet 1 : Modélisation : développement/amélioration de modèles existants

Ce travail de modélisation se basera sur des outils déjà existants :

• Le modèle économique Imaclim-R développé au CIRED qui permet de calculer les émissions par grandes régions géographiques en fonction de la croissance démographique, l’accumulation du capital et de changement technique ;

• Le modèle de complexité intermédiaire CLIMBER développé au PIK (Postdam Institute for Climate Impact Research) qui simule le climat en incluant le cycle du carbone ;

• Le modèle OSCAR qui intègre la dynamique d’occupation des sols au cycle du carbone, également développé au CIRED, sera utilisé conjointement au modèle CLIMBER. Ceci afin de prendre en compte d’une part l’impact du climat sur le cycle du carbone continental, et d’autre part les stratégies d’atténuation liées à l’utilisation des sols (réduction de la déforestation, utilisation d’agrocarburants,…) ;

• Le modèle 3D à basse résolution de l’IPSL (MGV) issu du modèle global couplé de l’IPSL intégrant les composantes carbone continental (via ORCHIDEE) et carbone océanique (via PISCES). Il sera testé sur quelques scénarios de stabilisation sélectionnés à partir des résultats donnés par CLIMBER (de moindre résolution).

Dans le cadre de ce volet modélisation, il apparaît essentiel de commencer par améliorer la représentation du cycle du carbone dans le modèle CLIMBER, en particulier la modélisation de la photosynthèse. Cela permettra de prescrire des émissions de CO2 au modèle -et non des concentrations comme c’est le cas actuellement- et d’effectuer des simulations comparables, du point de vue du forçage, avec les modèles CLIMBER et MGV.
Par ailleurs, les modèles ne prennent actuellement en compte que les émissions de CO2, les trajectoires des autres gaz à effet de serre étant prescrites en terme de concentration. Un module permettant de calculer les concentrations des principaux gaz à effet de serre non-CO2 (méthane, dioxyde de soufre, et hydrocarbures fluorocarbonés) à partir de leurs émissions sera donc développé en se basant sur l’hypothèse simplificatrice que le temps de vie des gaz à effet de serre est constant.

Volet 2 : Définition de scénarios d’émission à l’aide d’Imaclim-R

L’enjeu des futurs scénarios d’émissions est à la fois :

• de disposer, comme par le passé, de données d’entrée pour les modèles climatiques afin de réaliser des projections climatique ;

• de comprendre comment divers scénarios socio-économiques peuvent modifier les rythmes du changement climatique tout autant que le niveau d’équilibre ultime du climat sur le très long terme.

Plusieurs scénarios seront définis, et pourront faire l’objet de variantes selon les besoins :

• un scénario de dérive des concentrations dans lequel les déterminants démographiques, économiques et techniques des émissions nettes sont fixés à leur plus haute valeur plausible. Ce scénario aura deux variantes correspondant à des rythmes différents de la déforestation en particulier dans les zones tropicales, eux-mêmes liés à diverses hypothèses sur la transformation des diètes alimentaires en niveau et en structure et sur l'évolution de la productivité des terres agricoles.

• un scénario de stabilisation spontanée des concentrations dans lequel sont retenus l'ensemble des déterminants permettant d'envisager une transition spontanée vers des systèmes énergétiques non fondés sur les énergies fossiles et ceci pour des raisons de sécurité énergétique, de raréfaction des ressources, de contraintes d'environnement local ou tout simplement de percées dans les technologies « sans carbone » (solaire, nucléaire, bioénergie…). Comme précédemment, ce scénario aura deux variantes correspondant à des rythmes différents de transformation des usages des sols.

• des scénarios de stabilisation allant de 550 à 800 ppm CO2eq (niveau actuel : 385 ppm) fondés sur l'hypothèse d'une action précoce sur l'ensemble des variables d'action permettant de limiter les émissions nettes de GES. Ces scénarios, qui reposent sur un volontarisme politique pur, permettront aux économistes d'analyser ensuite plus en détail des variantes économiquement plus réalistes.

Pour chaque scénario de stabilisation ou d’émission, l’impact des autres gaz à effet de serre (méthane, dioxyde d’azote…) et des aérosols sera analysé. Par ailleurs, les chercheurs tenteront de mettre en évidence les mécanismes participant à la dérive et au contrôle des émissions de GES dans les grands pays émergents à court et moyen terme et dans l'ensemble des pays en développement au cours du 21ème siècle et au-delà. Pour cela, ils examineront systématiquement les forces motrices des scénarios d’émissions : hypothèses sous-jacentes à des scénarios de croissance forte, avenir de la mondialisation, politiques d'infrastructures et styles de développement, systèmes énergétiques, potentiels de la production énergétique et des carburants liquides à base de charbon.

Volet 3 : Simulations

A partir d’un jeu de scénarios d’émissions établi à partir du modèle économique Imaclim-R, les simulations ci-dessous seront réalisées :

Etude du forçage radiatif à l’horizon du 21ème siècle

Des simulations transitoires du 21ème siècle forcées par les scénarios d’émissions de CO2 seront menées à l’aide des modèles CLIMBER/OSCAR et MGV. Ils permettront notamment d’estimer le changement climatique futur ainsi que les flux de carbone continentaux et océaniques en prenant en compte la rétroaction climat-carbone.

Les flux de carbone continentaux et océaniques additionnés à la croissance du CO2 atmosphérique permettront alors de calculer les émissions anthropiques annuelles de CO2 compatibles avec chaque cible de concentration. Les émissions globales ainsi estimées seront ensuite décomposées par grandes régions (Australie et Nouvelle-Zélande, Amérique du Nord, Amérique Latine, Europe, Asie, Afrique, petites îles, régions polaires) et par secteur économique (énergie, transport, bâtiment, industrie, agriculture, sylviculture...).

On évaluera également le potentiel d’atténuation du réchauffement lié au changement d’utilisation des sols (réduction de la déforestation, séquestration biologique, production d’agrocarburants).

Pour estimer l’impact de la rétroaction climat-carbone sur les trajectoires d’émissions compatibles et les stratégies d’atténuation associées, des simulations découplées seront menées (dans ce cas, les flux de carbone océaniques et continentaux ne sont pas affectés par l’évolution du climat).

Etude du changement climatique à l’horizon de la stabilisation (2100 et au-delà) et à plus long terme (1000 ans)

Une fois la concentration atmosphérique en GES stabilisée, les différentes composantes du Système Terre mettront un temps plus ou moins long à retrouver un point d’équilibre. Il convient donc non seulement d’étudier la réponse transitoire du système climatique pendant la perturbation anthropique, mais également d’étudier la réponse à long terme des composantes lentes du système, telles que la circulation thermohaline profonde, la stabilité des calottes polaires et le niveau des mers associé.
Dans ce contexte, l’équipe envisage d’étudier pour les différents scénarios d’émissions :

• l’évolution des calottes polaires au cours du prochain millénaire et son impact sur le niveau marin ;

• l’évolution de la circulation thermohaline et du changement climatique associé en prenant en compte un paramètre supplémentaire : l’évolution des calottes polaires. En effet, la circulation thermohaline étant dépendante, entre autres, du bilan d’eau douce, elle est sensible au taux de fonte des calottes polaires.

Volet 4 : Rétroactions du changement climatique sur les scénarios d’émission

Le changement climatique, outre ses impacts sur le système Terre, va entraîner des modifications des comportements humains et donc de leurs émissions de gaz à effet de serre. Ainsi, on s’attend à des vagues migratoires, des modifications de l’offre et de la demande d’énergie, des dégâts liés aux extrêmes climatiques, des changements d’utilisation des sols… Autant d’événements dont les impacts potentiels sur les émissions de gaz à effet de serre ne sont pas pris en compte dans les simulations actuelles. D’ici à 2 ans, lorsque les connaissances de base sur ces effets en retour seront plus solides (grâce à des projets nationaux et internationaux en cours), l’équipe prévoit de les intégrer dans ses simulations afin d’évaluer un ordre de grandeur de leurs impacts sur les scénarios d’émission.