Retour sur les scénarios climatiques et d'émissions à l'aide d'un modèle compact du système Terre

Revising emissions and climate scenarios with a compact Earth system model

• Auteur / Autrice : Yann Quilcaille
• Direction : Philippe Ciais, Franck Lecocq, Thomas Gasser
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère, climat et observations spatiales
• Date : Soutenance le 05/09/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....) - Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement [Gif-sur-Yvette]
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Bousquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Guivarch, Greet Janssens Maenhout
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Glen Peters, Joeri Rogelj

Mots clés

Mots clés contrôlés

Température atmosphérique -- Modification à l'échelle planétaire

Combustibles fossiles

Simulation par ordinateur

Changements climatiques

Mots clés libres

Scénario

Changement climatique

Émissions

Modèle intégré

Cycles biogéochimiques

Développement

Scénarios

Modélisation

Scenario

Climate change

Emissions

Integrated assessment model

Biogeochemical cycles

Development

Scenarios

Modelling

Résumé

Cette thèse met en perspective un ensemble d’éléments des scénarios socio-économiques sous l’angle de la modélisation du climat. Ces éléments contribuent à améliorer la compréhension de l’état actuel des sciences du climat en ce qui concerne les scénarios. En parallèle, ces éléments montrent le potentiel du récent modèle compact du système Terre OSCAR v2.2.Le premier élément concerne l’incertitude des émissions. Bien que les inventaires d’émissions soient incertains, nous ignorons dans quelle mesure ces incertitudes affectent les projections climatiques. Nous quantifions cet impact pour les émissions des énergies fossiles, la principale cause du changement climatique. Nous montrons que ces incertitudes dans les émissions sont amenées à augmenter avec l’utilisation des énergies fossiles non-conventionnelles, mais qu’elles n’augmentent pas de manière significative l’incertitude dans les projections climatiques. Ceci est vrai pour la majeure partie des variables, comme l’augmentation de la température moyenne de surface, mais pas pour certaines qui sont d’intérêt pour la qualité de l’air.Le second élément est une analyse climatique des récents scénarios Shared Socio-Economic Pathways. Nous identifions des failles dans la base de données, que nous comblons. Sur cette base, nous calculons les projections climatiques des scénarios SSP. Nous montrons la présence d’incohérence dans l’utilisation des émissions CO2 dues à l’utilisation des terres (LUC) calculées par les modèles intégrés (IAMs) et des variables associées à l’utilisation des terres. Nous identifions des compromis dans les réductions d’émissions pour l’atténuation du changement climatique. Nous réévaluons de manière plus robuste les budgets carbone. Les incertitudes dans les élévations de températures sont examinées en détail.Le troisième élément concerne les émissions négatives. La plupart des scénarios qui limitent le changement climatique bien en dessous de 2°C par rapport au préindustriel, respectant ainsi l’Accord de Paris, utilisent des émissions négatives. A l’aide d’une version développée de OSCAR v2.2, nous calculons les implications pour le système Terre de plusieurs aspects des techniques d’absorption de dioxyde de carbone (CDR). Nous identifions les réversibilités des différentes parties du système terre, et évaluons le potentiel de refroidissement de ces techniques. Nous montrons aussi que la reforestation pourrait être moins apte à atténuer le changement climatique, du fait du changement dans l’albedo de surface. Par ailleurs, le potentiel d’alcalinisation des eaux de surfaces pour atténuer le changement climatique pourrait être inférieur à celui initialement estimé.Dans l’ensemble, cette thèse identifie des défauts dans le développement actuel des scénarios. Certains ne constituent pas un problème pour les projections climatiques, comme les incertitudes dans le calcul des émissions. D’autres nécessitent une attention particulière, comme le calcul des émissions CO2 dues au LUC par les IAMs ou l’éventuelle surestimation des capacités des techniques de CDR. Ce travail renforce l’urgence du besoin d’atténuation du changement climatique.

This thesis puts into perspective different elements of socio-economic scenarios from a climate change modelling point of view. These elements contribute at improving the comprehension of the current state of climate sciences regarding the scenarios. In the meantime, these elements demonstrate the potential of the recent reduced-form Earth System Model OSCAR v2.2.The first element concerns the uncertainty of emissions. Although emission inventories are uncertain, we ignore what impact on climate change have these uncertainties. We quantify this impact for fossil-fuel emissions, the major contributor to climate change. We show that the uncertainties in emissions are expected to increase with the use of non-conventional fuels, but that they do not increase significantly the uncertainty from Earth system modelling in variables, such as the increase in global surface temperature.The second element is a climate assessment of the recent Shared Socio-economic Pathways (SSP) scenarios. We identify loopholes in the SSP database, and we complete it to calculate the climate projections under these scenarios. Our conclusions suggest inconsistencies in CO2 emissions from Land Use Change (LUC) calculated by the Integrated Assessment Models and in the associated land variables. We identify trade-offs between greenhouse gases in the mitigation of climate change. Using a robust assessment, new carbon budgets are proposed. The uncertainties in increases in global surface temperature are discussed.The third element concerns the negative emissions. Most climate scenarios limiting global warming well below 2°C above preindustrial levels, thus respecting the Paris Agreement, use negative emissions. Using a developed version of OSCAR v2.2, we evaluate the implications for the Earth system of different aspects of different Carbon Dioxide Removal (CDR) technologies. We identify the reversibility in the different components of the Earth system and calculate the cooling potential of carbon dioxide removal technologies. We also show that the potential of afforestation/reforestation techniques may be impeded by the change in albedo, and that the potential of oceanic enhanced weathering may be lower than expected.Overall, this thesis identifies loopholes in the current development of scenarios. Some do not hinder current conclusions regarding climate change, such as the uncertainties in emission inventories. Others call for further analysis, such as the inconsistencies in the use of CO2 emissions from LUC or the eventual overestimation of the potential of some CDR technologies. It emphasizes the need for an urgent mitigation of climate change.