Etude d’une déforestation tropicale massive dans un modèle couplé océan-atmosphère

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E TUDE D ’ UNE DEFORESTATION TROPICALE MASSIVE DANS UN MODELE COUPLE OCEAN  ATMOSPHERE Aurore Voldoire CNRM/GMGEC, MétéoFrance, Toulouse,

Résumé Jusqu’à présent, les expériences de modélisation de déforestation à l’échelle globale étaient réalisées avec des modèles atmosphériques seuls ou couplés à un modèle de couche de mélange océanique. Il a ainsi été montré qu’une déforestation massive pouvait modifier les températures de surface de la mer (TSM) localement. Afin dévaluer la possibilité qu’un tel changement de TSM puisse modifier la circulation océanique, nous avons réalisé une expérience de déforestation tropicale massive avec le modèle couplé océan atmosphère ARPEGE/OPA/GELATO. Les trois grandes forêts équatoriales (Amazonie, Afrique et Indonésie) sont remplacées par de la prairie et l’on réalise une simulation sur plusieurs décennies. L’étude est orientée vers l’analyse des changements de circulation atmosphérique et océanique.

Introduction

ème Les simulations climatiques du XXIsiècle réalisées jusqu’à présent au CNRM avec le modèle couplé ARPEGE/OPA/GELATO ne prenaient pas en compte les changements de l’utilisation des sols. Pourtant, on observe déjà actuellement une extension des terres cultivées dans les régions tropicales, le plus souvent au dépend de la forêt. Plusieurs équipes ont simulé une déforestation tropicale dans des modèles atmosphériques et ont étudié son impact. A l’échelle locale, les études montrent à peu près toutes le même impact moyennant des sensibilités différentes: une réduction de l’évaporation et une augmentation de la température diurne. En revanche, pour les précipitations,les résultats sont plus incertains avec des études montrant une réduction et d’autres une augmentation. Ceci montre que même si les impacts directs sont similaires, les rétroactions de l’atmosphère sont plus complexes à simuler. Ainsi, les rétroactions de l’atmosphère peuvent être positives ou négatives et avoir des impacts non locaux. ème Une simulation climatique du XXIsiècle qui prendra en compte des changements de l’utilisation des sols va être réalisée prochainement au CNRM. Dans le cadre de la préparation de cette simulation, on a réalisé une expérience de déforestation tropicale avec le modèle couplé ARPEGE/OPA/GELATO. En effet, les études d’impacts de la modification de l’utilisation des sols ont toujours été effectuées avec des modèles atmosphériques seuls ou couplés à des modèles de couche de mélange Figure 1: Indicefoliaire moyen annuel pou océanique. Le but est donc d’étudier les l’expérience de contrôle (en haut) et l’expérience de rétroactions possibles avec l’océan dans un déforestation (en bas). cadre plus simple qu’une simulation de changement climatique.

Simulations réalisées

On a réalisé une expérience de déforestation tropicale massive avec le modèle océanatmosphère ARPEGE/OPA/GELATO. Pour cela, on remplace toutes les forêts équatoriales par des pâturages. Ainsi pour les trois régions concernées (Amazonie, Afrique et Indonésie), on modifie les conditions aux limites pour tous les paramètres de la végétation : albédo, longueur de rugosité, fraction de végétation, profondeur racinaire, indice foliaire, résistance stomatique, émissivité et conductivité thermique. Par exemple, l’indice foliaire qui était supérieur à 4 sur la forêt devient inférieur à 2 après déforestation (voir figure 1). Deux simulations de 25 ans ont été réalisées en mode couplé : ¾Une simulation de référence (CCTL) ¾Une simulation déforestée (CDEF) Afin de pouvoir distinguer l’impact de l’introduction du modèle d’océan dans ce type d’expérience de sensibilité, les deux simulations précédentes ont été refaites avec le modèle atmosphérique ARPEGE uniquement en utilisant les températures de surface de la mer simulées par l’expérience de contrôle CCTL sur les 20 dernières années. Les deux nouvelles simulations sont nommées respectivement FCTL et FDEF pour le contrôle et la déforestation. On analyse les résultats des 20 dernières années de simulations pour les quatre expériences.

Impacts sur la zone déforestée

En surface sur les régions déforestées, on obtient des anomalies de flux similaires en mode forcé et couplé (voir tableau 1). Dans les deux cas, le flux de chaleur sensible perdu par le sol augmente après déforestation de plus de 15%, sur l’Amazonie. Le flux de chaleur latente diminue de plus de 10% en mode forcé et couplé. Pour les flux radiatifs, l’impact est plus faible et non significatif mais toujours du même ordre de grandeur pour les deux expériences.On obtient des résultats analogues sur les deux autres régions, excepté sur l’Afrique où le flux solaire net diminue plus fortement. On retrouve bien les impacts déjà obtenus lors des études précédentes de déforestation: une forte réduction de l’évaporation et une augmentation du flux de chaleur sensible. On voit que l’inclusion de l’océan ne modifie pas la réponse locale au changement de conditions de surface. De ces anomalies de flux résulte une augmentation significative de température sur les régions déforestées (voir figure 2) à peu près identique pour les deux expériences.

Figure 2 : Anomalie de température moyenne annuelle à 925hPa pour l déforestation en mode couplé (e haut) et forcé (en bas).Les isolignes entourent les anomalies significatives à plus de 95%.

Flux de chaleur sensible Flux de chaleur latente Flux IR net Flux solaire net

Contrôle (CCTL)

49 89 51 189

couplé Anomalie (CDEF CCTL) 8.0 +11.6 1.4 2.2

Contrôle (FCTL)

47 90 50 187

forcé Anomalie (FDEF FCTL) 7.9 +11.4 1.6 1.9

Tableau 1: Flux moyens annuels sur l’Amazonie pour les expériences de contrôle et les anomalies obtenues en déforestant. Les flux positifs sont dirigés vers le sol. Les anomalies en gras sont significatives à 99% suivant un test de Student.

Impacts non locaux

La figure 2 montre aussi des changements de température qui s’étendent en dehors des zones déforestées. Pour les deux expériences, on observe une diminution de température sur le sud des EtatsUnis (faiblement significative) mais cette anomalie s’étend largement sur l’Atlantique dans le cas couplé. De même l’anomalie positive observée sur toute l’Amérique du sud s’étend largement sur le Pacifique et l’Atlantique dans le cas couplé. On voit aussi plus d’impact sur l’humidité spécifique à 925hPa en mode couplé (voir figure 3). Il apparaît par exemple une anomalie positive vers le Golfe de Guinée. Cette anomalie est due à un apport plus important d’humidité provenant de la mer. Il en résulte une augmentation des précipitations sur les régions côtières. Cet effet n’est pas du tout présent dans la simulation forcée. On peut penser que dans la simulation couplée, la déforestation a modifié la circulation atmosphérique par l’intermédiaire d’une rétroaction océanique.

Impacts dans l’océan

Figure 3: Idem figure 2 pou l’humidité spécifique.

La figure 4 montre que l’anomalie de circulation atmosphérique est accompagnée d’une modification de la température océanique sous la surface et jusqu’à 400m de profondeur à l’équateur. Cette anomalie est significative à 95% et atteint 0.4°C à l’ouest du bassin. Il est possible que cette anomalie soit le résultat d’une modification de l’advection de température dans l’océan et soit donc le résultat d’une modification de la circulation océanique. On observe aussi un réchauffement assez important de l’océan atlantique vers 30°S qui s’étend sur à peu près la même profondeur. On met ici en évidence que la modification des conditions de surface a perturbé le système océanatmosphère. En outre, les différences obtenues dans l’océan ne sont pas limitées à la surface. Une analyse plus complète des modifications de la dynamique océanique et atmosphérique doit être menée pour mieux comprendre par quels mécanismes sont générées ces anomalies.

Conclusion Figure 4: Coupe verticale de la température Deux expériences de déforestation tropicale ont été de l’océan entre 5°S et 5°N en moyenne réalisées, l’une avec un modèle couplé océanatmosphère et annuelle pour la simulation de contrôle (e l’autre avec le modèle atmosphérique uniquement. On a pu haut) et son anomalie arès déforestation (e as). L’isoligne entoure les zones observer que la réponse à cette déforestation était similaire sur d’anomalies significatives à plus de 95%. les régions déforestées pour les deux expériences. La modification des conditions aux limites engendre à peu près les mêmes modifications des flux de surface localement. En revanche, en mode couplé, on observe des anomalies de température et de précipitations assez marquées en dehors des zones concernées et en particulier sur les océans. D’autre part, on obtient dans la simulation océanatmosphère des anomalies de température de l’océan atteignant 0.4°C sur plusieurs zones de l’Atlantique. Il semble donc que la réponse atmosphérique à une déforestation tropicale puisse être différente si l’on prend en compte la réponse dynamique de la composante océanique.