Variations de température sur les derniers siècles et la "crosse de hockey"

par Mike Mann (traduit par Gilles Delaygue)
Les données intrumentales décrivant les changements à grande échelle de la température de surface ne sont disponibles que pour les derniers 150 ans environ. Pour estimer des changements de température de surface antérieurs, il faut ainsi utiliser les quelques longs enregistrements disponibles, ou des documents historiques, ainsi que des archives naturelles ou proxies climatiques, comme les cernes d’arbres, coraux, carottes de glace et sédiments lacustres, pour reconstruire les changements de température dans le passé. En raison de la rareté des données dans l’hémisphère sud, les études récentes ont été focalisées sur les reconstructions de moyennes pour l’hémisphère nord, plutôt que globales, sur les derniers 1000 ans environ.

L’expression “crosse de hockey” fut créée par l’ex-directeur du Laboratoire de Dynamique des Fluides Géophysiques (GFDL/NOAA), Jerry Mahlman, pour décrire la forme commune à de nombreuses estimations, basées tant sur des proxies que des modèles, de la variation de température de l’hémisphère nord au cours du dernier millénaire. Cette forme caractérise un long refroidissement, depuis ce que l’on appelle “l’Optimum Médiéval” (à peu près du 10ie au milieu du 14ie siècle), jusqu’au Petit Age Glaciaire (à peu près du milieu du 15ie au 19ie siècle), suivi d’un réchauffement rapide pendant le 20ie siècle qui a culminé avec les températures anormalement élevées de la fin du 20ie siècle (Figure 1). De nombreux mythes au sujet de la “crosse de hockey” existent sur des sites internet non évalués scientifiquement et d’autres supports non scientifiques.
Pour estimer les changements de température moyenne de l’hémisphère nord, les simulations avec des modèles climatiques utilisent des reconstructions des forçages radiatifs naturels sur le long terme (par ex. volcanisme et insolation) ainsi que ceux anthropogéniques modernes (gaz à effet de serre et aérosols sulfatés). Ces estimations sont en bon accord avec les reconstructions empiriques basées sur des proxies. Une exception notable est une étude par Gonzalez-Rouco et al. (2003) dans laquelle est utilisée une estimation du forçage naturel (insolation et volcanisme) beaucoup plus importante que celle acceptée dans la majorité des études, et qui montre une variabilité plus forte que dans d’autres modèles (Figure 2). Cependant, comme toutes les autres simulations, cette étude montre également des conditions anormalement chaudes à la fin du 20ie siècle.
Toutes les simulations montrent qu’il est impossible d’expliquer les conditions anormalement chaudes de la fin du 20ie siècle sans inclure la contribution des facteurs de forçage d’origine anthropique, en particulier l’augmentation moderne des concentrations de gaz à effet de serre. Un débat sain et vigoureux existe dans la littérature reconnue, évaluée scientifiquement, en recherche climatique, au sujet des détails précis des estimations empiriques (proxies) ou basées sur des modèles des changements climatiques au cours des derniers siècles. Réduire les incertitudes substantielles qui existent actuellement représente un challenge. Cependant, malgré ces incertitudes actuelles, les chercheurs en paléoclimatologie partagent largement la vision que les conditions chaudes du 20ie siècle, à l’échelle hémisphérique, sont anormales sur le long terme (au moins millénaire), et que les facteurs anthropiques jouent probablement un rôle important dans le réchauffement anormal récent.
Des synthèse de la recherche scientifique passée sur ce sujet existent dans les articles suivants, publiés dans des journaux évalués scientifiquement :

• Jones, P.D., Mann, M.E., Climate Over Past Millennia, Reviews of Geophysics, 42, RG2002, doi: 10.1029/2003RG000143, 2004.

• Mann, M.E., Ammann, C.M., Bradley, R.S., Briffa, K.R., Crowley, T.J., Hughes, M.K., Jones, P.D., Oppenheimer, M., Osborn, T.J., Overpeck, J.T., Rutherford, S., Trenberth, K.E., Wigley, T.M.L., On Past Temperatures and Anomalous Late 20th Century Warmth ,Eos, 84, 256-258, 2003.

• Jones, P.D., T.J. Osborn, and K.R. Briffa, The evolution of climate over the last millennium, Science, 292, 662-667, 2001.

FIGURE 1 [reproduite de Mann et al, 2003, Eos, (C) American Geophysical Union]. Comparaison entre des reconstructions de la température de l’hémisphère nord basées sur des proxies (Jones et al., 1998; Mann et al., 1999; Crowley et Lowery, 2000), ainsi qu’entre des simulations de cette température sur le dernier millénaire basées sur des estimations d’historiques de forçages radiatifs (Crowley, 2000; Gerber et al., 2002‚ –résultats montrés pour des sensibilités climatiques de 1.5^oC/2xCO₂ et 2.5^oC/2xCO₂; Bauer et al., 2003). Sont également indiquées deux reconstructions indépendantes de la température des continents extra-tropicaux de l’hémisphère nord pour la saison chaude (Briffa et al., 2001; Esper et al., 2002), ainsi qu’une extension sur les deux derniers millénaires basée sur huit séries longues de proxies de température choisies pour leur capacité à contenir des tendances à long terme (Mann and Jones, 2003). Toutes ces reconstructions ont été mises à l’échelle de la moyenne annuelle de l’hémisphère nord , sur une période commune (1856-1980), en utilisant les enregistrements instrumentaux de l’hémisphère nord comme référence (Jones et al., 1999), et elles ont été lissées pour les échelles de temps >40 ans afin de faire ressortir les variations à long terme. L’enregistrement instrumental lissé (1856-2003) est également montré. Les ombrages gris et rose indiquent les incertitudes estimées à 2-sigma sur les reconstructions de Mann et al. (1999) et Mann and Jones (2003). Egalement montrées, des reconstructions de température de surface du sol, pondérée spatialement de façon appropriée (Briffa and Osborn, 2002; Mann et al., 2003) basées sur des données de forages continentaux (Huang et al., 2000), et les tendances pour la température aérienne de surface, déterminées par régression optimale de ces estimations de température du sol (Mann et al., 2003). Toutes les séries sont indiquées par rapport à la période de référence 1961-1990. [ajouté le 12/1/2005: il est à noter (merci à S. Huang pour avoir soulevé le problème) que les deux courbes issues de forages souffrent d’une petite erreur dans la normalisation de la pondération spatiale. Une discussion plus complète ainsi des versions corrigées des estiamtions de température par forage se trouvent dans Rutherford et Mann (2004) (ainsi que dans l’article Jones et Mann 2004, discuté ci-dessus)]

FIGURE 2 [reproduite de Jones et Mann, 2004, Reviews of Geophysics, (C) American Geophysical Union]. Estimations issues de modèles des variations de température de l’hémisphère nord sur les deux derniers millénaires. Les séries ont été lissées sur 40 ans. Les simulations sont basées sur des historiques de forçages radiatifs et utilisent une hiérarchie de modèles allant du modèle unidimensionnel d’équilibre énergétique (Crowley, 2000), aux modèlex de complexité réduite à 2 dimensions (Bauer et al, 2003; Bertrand et al, 2002; Gerber et al, 2003), jusqu’aux modèles 3D de circulation générale couplant atmosphère et océan (“GKSS”, Gonzalez-Rouco et al, 2003; “CSM”Ammann et al., soumis). Montrés pour comparaison, l’enregistrement instrumental sur 1856-2003 pour l’hémisphère nord (Jones et al, 1999), et l’estimation basée sur des proxies de Mann and Jones (2003) étendue jusqu’à 1995, avec son intervalle de confiance à 95%. Les estimations de modèles ont été alignées verticalement pour qu’elles aient la même moyenne sur la période commune 1856-1980 que les séries instrumentales (à qui a été assignée une moyenne de zéro sur la période de référence 1961-1990).

References:

Bauer, E., M., Claussen, and V. Brovkin, Assessing climate forcings of the earth system for the past millennium, Geophys. Res. Lett., 30 (6), doi: 10.1029/2002GL016639, 2003.

Bertrand C., M.F. Loutre, M. Crucifix, and A. Berger, Climate of the Last millennium: a sensitivity study, Tellus, 54(A), 221-244, 2002.

Briffa, K.R., and T J. Osborn, Blowing Hot and Cold, Science, 295 2227-2228, 2002.

Briffa, K.R., T.J. Osborn, F.H. Schweingruber, I.C. Harris, P.D. Jones, S.G. Shiyatov and E.A. Vaganov, Low-frequency temperature variations from a northern tree-ring density network. J. Geophys. Res., 106, 2929 2941, 2001.

Cook, E.R., J. Esper, and R.D. D’Arrigo, Extra-tropical Northern Hemisphere land temperature variability over the past 1000 years, Quat. Sci. Rev., 23, 2063-2074, 2004.

Crowley, T.J., Causes of Climate Change over the Past 1000 Years, Science, 289, 270-277, 2000.

Crowley, T.J., and T. Lowery, How Warm Was the Medieval Warm Period?, Ambio, 29, 51-54, 2000.

Esper, J., E.R. Cook and F.H. Schweingruber, Low-frequency signals in long tree-line chronologies for reconstructing past temperature variability, Science, 295, 2250-2253, 2002.

Gerber, S., F. Joos, P. Brügger, T. F. Stocker, M. E. Mann, S. Sitch, and M. Scholze, Constraining temperature variations over the last millennium by comparing simulated and observed atmospheric CO₂, Climate Dynamics, 20, 281-299, 2003.

Gonzalez-Rouco, F., H. von Storch, and E. Zorita, Deep soil temperature as proxy for surface air-temperature in a coupled model simulation of the last thousand years, Geophys. Res. Lett., 30, 2116, doi:10.1029/2003GL018264, 2003.

Huang, S., H. N.Pollack and P.-Y. Shen, Temperature Trends Over the Past Five Centuries Reconstructed from Borehole Temperature, Nature 403, 756-758, 2000.

Jones, P.D., K.R. Briffa, T.P. Barnett and S.F.B. Tett, High-resolution palaeoclimatic records for the last millennium: Integration, interpretation and comparison with General Circulation Model control run temperatures, Holocene, 8, 455-471, 1998.

Jones, P.D., M. New, D.E. Parker, S. Martin, and I.G. Rigor, Surface air temperature and its changes over the past 150 years, Reviews of Geophysics, 37, 173-199, 1999.

Jones, P.D., T.J. Osborn, and K.R. Briffa, The Evolution of Climate Over the Last Millennium, Science, 292, 662-667, 2001.

Mann, M.E., R.S. Bradley, and M.K. Hughes, Northern Hemisphere Temperatures During the Past Millennium: Inferences, Uncertainties, and Limitations, Geophysical Research Letters, 26, 759-762,
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Mann, M.E., Jones, P.D., Global surface temperature over the past two millennia, Geophysical Research Letters, 30 (15), 1820, doi: 10.1029/2003GL017814, 2003.

Mann, M.E., Rutherford, S., Bradley, R.S., Hughes, M.K., Keimig, F.T., Optimal Surface Temperature Reconstructions Using Terrestrial Borehole Data, Journal of Geophysical Research, 108 (D7), doi: 10.1029/2002JD002532, 2003.