Comment représente-t-on les surfaces continentales dans les modèles de climat ?

Les continents représentent environ 30 % de la surface de la Terre et échangent de l’énergie, de la quantité de mouvement et de l’eau avec l’atmosphère et l’océan via les fleuves. Ces échanges dépendent du relief et de la végétation. Ils sont essentiels à la modélisation du climat global.

Les modèles de surface représentent les échanges d’eau, de quantité de mouvement et d’énergie entre les continents et les autres composantes du système climatique, en fonction du type de paysage (forêt, cultures, pâturages, désert, neige…) et de ses caractéristiques physiques (topographie, albédo, émissivité, rugosité). Les grands processus intrinsèques aux surfaces continentales sont bien connus. On peut donc les mettre sous forme d’équations mathématiques et les traduire en langage informatique comme pour l’atmosphère et l’océan.

Les modèles de surface résolvent en premier lieu le bilan d’énergie à l’interface continent-atmosphère

Les surfaces continentales et l’atmosphère s’influencent réciproquement. Par exemple, dans certaines zones comme le pourtour méditerranéen, le réchauffement climatique entraîne une diminution des précipitations, conduisant à un assèchement des sols. Ces sols plus secs induisent une diminution de l’évapotranspiration, qui se traduit par une amplification en surface du réchauffement climatique initial. En effet, l’évapotranspiration tend à refroidir le sol, comme pour l’eau sur la peau. On parle ici de rétroaction positive.

. Celui-ci se calcule comme la différence entre la quantité de chaleur absorbée par les continents et celle renvoyée à l’atmosphère. Ce bilan dépend des rayonnements solaire et infrarouge incidents et des flux turbulents liés aux caractéristiques locales de la surface (type de végétation, évapotranspiration…) qui vont moduler la fraction d’énergie absorbée par le sol et celle réfléchie vers l’atmosphère. À ce titre, le paramètre d’albédo qui régit la proportion du rayonnement solaire réfléchie vers l’espace par la surface, est essentiel et varie très fortement d’un type de paysage à un autre. Une surface enneigée réfléchira jusqu’à 85 % du rayonnement incident contre seulement 10 % pour une forêt ou 30 % pour un désert. Dans les modèles, une valeur d’albédo est affectée à chaque paysage et peut varier dans le temps en fonction, par exemple, de l’âge du manteau neigeux ou du cycle saisonnier de la végétation.

Les caractéristiques physiques des surfaces continentales vont aussi moduler les échanges de quantité de mouvement avec l’atmosphère via les frottements qu’induit la présence de montagne et de végétation sur la fine couche limite atmosphérique qui la surplombe. Enfin, les modèles de surface prennent également en compte le cycle hydrologique continental. Une partie des précipitations alimente les réserves en eau du sol localement alors qu’une fraction est renvoyée dans l’atmosphère par évapotranspiration, et une autre ruisselle jusqu’aux océans. Comme pour le bilan d’énergie, le bilan d’eau va être influencé par les caractéristiques physiques des divers paysages et en particulier la topographie qui permet de canaliser l’eau de pluie vers les rivières ou la présence de végétation qui tend à augmenter l’évapotranspiration continentale au détriment de son écoulement vers les océans. Cet écoulement des fleuves est lui aussi représenté dans les modèles et permet d’évaluer indirectement la qualité des simulations en se comparant aux débits des fleuves observés.

Les modèles de surface utilisés dans les deux modèles climatiques français se nomment ORCHIDEE pour l’IPSL et SURFEX pour le CNRM-Cerfacs. Pour le climat actuel, ils prennent en compte différents types de paysages, déterminés grâce à des observations locales et à des images satellites. Il y a peu, la maturité des modèles de surface était telle que ces cartes de paysage étaient fixes dans le temps, en dehors de leur cycle saisonnier moyen. Récemment, des travaux de compilation de sources d’information diverses ont permis de représenter l’évolution de la localisation des cultures, des pâtures et des forêts au cours du XXe siècle. Ces données permettent de suivre la chronologie de l’anthropisation et d’évaluer son impact sur le climat. De même, des scénarios d’évolution d’utilisation des terres ont été introduits dans les projections climatiques  afin d’intégrer ce forçage  anthropique très important.