Extrait de la Lettre n°11 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

1 - ^{Variance interannuelle de l'accroissement du CO₂ dans l'atmosphère.}

2 - Inversion des anomalies interannuelles des flux globaux océaniques et biosphériques.

Au cours des 20 dernières années, environ la moitié des émissions de CO₂ fossile s’est accumulée dans l’atmosphère, l’autre moitié ayant été absorbée par l’océan et les surfaces continentales. Toutefois, les changements interannuels de taux d’accumulation du CO₂ dans l’atmosphère sont du même ordre de grandeur que la valeur moyenne décennale. Quelles en sont les causes?

La variabilité interannuelle du cycle du carbone
Les fluctuations du taux d’accumulation du CO₂ dans l’atmosphère résultent de variations des termes sources océaniques et biosphériques, parce que les émissions fossiles évoluent lentement dans le temps, et donc fluctuent peu. Plusieurs études antérieures pour déterminer quel réservoir (océan ou biosphère continentale) et quelles régions causent les variations interanuelles du taux de croissance dans l’atmosphère ont produit des résultats. L’analyse de la tendance du 13C et du CO₂ a conduit à diagnostiquer des variations très importantes, de l’ordre de plusieurs GtC par an, à la fois sur les flux océaniques et sur les flux continentaux divergents [Francey et al.1995 ; Keeling et al. 1995]. Au contraire, les modèles de carbone océanique et les mesures pression partielle du CO2 dans l’océan (DpCO₂) suggèrent que le flux global océan atmosphère varie peu d’une année sur l’autre [Lee et al. 1998,]. Par ailleurs, les modèles biogéochimiques des écosystèmes continentaux simulent de grandes variations interannuelles des flux, mais diffèrent entre eux lorsque ces anomalies sont décomposées en processus (par exemple au niveau des rôles respectifs des fluctuations de photosynthèse et de respiration) [Gérard et al. 1999, Kindermann et al. 1996]. La modélisation inverse des mesures de CO2 atmosphérique a été utilisée jusqu’ici pour estimer la distribution moyenne des puits, mais rarement leur variabilité interannuelle. C’est dans cette optique que nous utilisons ici la modélisation inverse.

Le modèle inverse
Nous avons développé un modèle inverse qui assimile 20 années de mesures atmosphériques, principalement celles du réseau NOAA/CMDL. Notre objectif était d’étudier les variations interannuelles, plutôt que d’estimer la valeur moyenne décennale des puits et sources de carbone. La plupart des 120 stations de mesure du CO₂ en atmosphère “de fond“ sont situées dans la couche limite marine. Elles sont ainsi influencées directement par les échanges air-mer, et plus indirectement par les flux sur les continents. Quelques stations toutefois, à proximité ou à l’intérieur des continents (stations au sol dans des déserts, profils verticaux) contiennent a priori plus d’information sur la variabilité des flux continentaux. L’analyse de la variance des enregistrements du CO₂ (Figure 1) montre que le signal interannuel s’exprime plus fortement dans l’atmosphère sur les continents que sur les océans. Cela suggère que les anomalies interannuelles des sources continentales ont une amplitude plus importante que celles des sources océaniques.

Le modèle inverse qui a été développé pour cette étude optimise les sources et puits de CO₂ sur une vingtaine de régions du globe en minimisant une distance entre le champ de concentration simulé par un modèle tridimensionnel de transport atmosphérique et les observations aux stations. Le pas de temps de l’inversion des flux est de un mois, et les concentrations de CO2 des mesures sur flacons ou in situ sont aussi agrégées en moyennes mensuelles. En revanche, le pas de temps du transport atmosphérique sur chaque point de grille est de 6 heures. Les flux inversés contiennent les émissions de CO₂ fossile et les sources naturelles océaniques et biosphériques. Toutefois, les flux fossile sont soustraits des résultats de l’inversion car leur valeur pour chaque pays est connue avec une assez grande précision, à l’aide de statistiques énergétiques annuelles. Un certain nombre de tests de sensibilité ont été réalisés sur les résultats de l’inversion (jeu de stations de mesure, paramétrisation du transport à grande échelle, erreurs de l’ébauche des sources, erreurs sur les observations, etc…).

Quelques résultats
Comparaison des flux continent/océan
Sur la période 1980-1998, les flux continentaux ont une variabilité dont l’amplitude est environ deux fois supérieure à celle des échanges air-mer (Figure 2), ce qui confirme l’analyse qualitative de la Figure 1 (pages couleur). Les anomalies des flux de carbone ont une amplitude pic à pic de 5 GtC pour les continents et de 2,5 GtC pour les océans, comparée au puits moyen global sur la période 1980-98 de 3 GtC a-1. Contrairement aux études basées sur l’analyse des isotopes du carbone, notre inversion des mesures de CO2 ne produit pas d’anticorrélation systématique entre les flux océaniques et biosphériques.

L’influence d’El Niño
Dans l’océan, aucune des 8 régions que nous avons considérées (Austral 50°S< < 20°S, Austral < 50°S, Pacifique Equatorial, Atlantique + Indien Equatorial, Pacifique > 50°N, Pacifique <50°N, Atlantique idem) ne contribue plus significativement que les autres à l’anomalie globale de la Figure 2. La Figure 3 présente les anomalies de flux sur le Pacifique Equatorial, une région relativement bien couverte par les mesures de DpCO₂, où la variabilité de type El Niño contrôle les flux air-mer. L’inversion reproduit l’observation d’un puits anormal durant les phases El Niño de 1982-83, 1986-87 et 1997-98, et d’une source anormale durant les épisodes La Niña. Les simulations du modèle global (pronostique à l’équateur) de carbone océanique OPA-HAMMOC3 sont en assez bon accord avec les anomalies de flux inversées à partir desmesures atmosphériques, mais ont un retard de phase allant jusqu’à 6 mois.

L’influence des régions tropicales, tempérées et boréales
Sur les continents, les résultats de l’inversion montrent que les régions tropicales dominent la variabilité interannuelle globale des flux (Figure 2) durant les années 1980. Au contraire, durant les années 1990, les écosystèmes tropicaux et les zones tempérée et boréale contribuent chacun environ à 50 % de la variabilité des flux continentaux.

Durant les années 1980, les écosystèmes tropicaux sont une source anormale de carbone en 1984-85, 1987-88, et 1998, soit en léger retard de phase avec les indices El Niño (Figure 3). On remarquera que les anomalies de flux inversées représentent la somme de tous les processus qui contrôlent le bilan physiologique des écosystèmes : l’atmosphère intègre, sans pouvoir les identifier séparément, les fluctuations interannuelles de photosynthèse et de respiration, de combustion de biomasse, des changements d’utilisation des sols, etc… L’Amazonie apparaît, parmi les autres continents tropicaux, être une région où les fluctuations interannuelles des flux de carbone sont particulièrement fortes. Il faut cependant souligner que les résultats de l’inversion des données atmosphériques sur les continents tropicaux ont une forte incertitude, en raison du manque de stations de mesure en Afrique et en Amazonie, et à cause du transport convectif qui “dilue“ le signal des flux de surface par rapport aux stations au sol.

Les années 92-93
Les masses continentales de l’hémisphère Nord exercent une influence prépondérante sur les anomalies des flux de carbone au cours des années 1990. Une diminution abrupte du taux de croissance du CO₂ s’est produite en 1992-93 aux moyennes latitudes de l’hémisphère Nord. Nous avons inversé ce signal en termes d’une absorption anormale sur les continents de l’ordre de 1.4 GtC par an. Il semble que ce puits additionnel soit principalement situé en Amérique du Nord, comme le confirme une analyse des données aux stations (Figure 4, voir pages couleur). Cette séquestration de carbone en Amérique du Nord durant 1992-93 est de courte durée, puisqu’elle est suivie d’une source du même ordre de grandeur en 1994-95. Une deuxième anomalie négative des taux de croissance du CO₂ atmosphérique est observée entre 1995 et 1997, qui semble être liée cette fois à une absorption à la fois en Amérique du Nord et en Eurasie.

Développement futur
Pour interpréter les résultats des inversions et les relier aux processus de surface, il sera nécessaire d’utiliser des modèles pronostiques du cycle du carbone continental, qui intègrent les processus biogéochimiques ainsi que l’impact des activités anthropiques. Un des développements prioritaires des recherches sur le cycle du carbone est de relier les approches inverses “intégrées“ à l’extrapolation des flux sur différents écosystèmes.

Pour affiner le diagnostic des inversions, il sera nécessaire en outre d’améliorer la résolution des modèles de transport et de réaliser de nouvelles mesures en atmosphère continentale (tours très hautes, avions…). En Europe et aux Etats Unis, se développent de tels systèmes d’observation du CO₂ en atmosphère continentale qui permettront au cours des années à venir de mieux élucider les causes de la variabilité des sources et puits biosphériques.

http://www.ipsl.jussieu.fr/~mrsce/index.html

http://www.bgc-jena.mpg.de/public/carboeur

Contact :
Philippe Ciais LSCE
UMR 1572 (CEA-CNRS)
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CE L'Orme des Merisiers
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