Une récente publication, résumée et obtenue grâce au site de Libération , permet de comparer les précipitations extrêmes observées (Hadley) à celles simulées par les modèles.

Les évènements de précipitations extrêmes étudiés ont une durée de 1j (RX1D) et 5j (RX5D)

Les modèles sont répartis en 2 catégories:

ANT (pour des modèles qui utilisent uniquement les forçages ANThropiques)

ALL (pour des modèles qui utilisent TOUS les forçages y compris les forçages naturels).

Selon cette étude, les modèles sous-estiment les probabilités de précipitations extrêmes, et ceux qui n'utilisent que le forçage anthropique ont le rapport signal/bruit le plus proche des observations.

Les précipitations extrêmes observées sont en augmentation de 1951 à 1999 de façon plus prononcée que les précipitations extrêmes simulées.

Ces résultats sont cependant à considérer avec prudence du fait, notamment, de la grande incertitude sur la valeur du forçage anthropique (aérosols en particulier)

Il semble un peu étrange, d'autre part, que l'ajout des forçages naturels  n'apporte  pas d'amélioration.

Dans le cadre de cette étude, qui fait un point intéressant sur les observations, les performances des modèles et qui tente de détecter un signal anthropique, il semble bon de donner quelques pistes très simples sur ce qui lie réchauffement et précipitations.

Je me suis basé principalement sur cette publication récente de  Kevin Trenberth avec ses références.

Influence du réchauffement sur la teneur en vapeur d'eau de l'atmosphère

La teneur en VE suit, à saturation, la loi de Clausius-Clapeyron (CC) qui lie sa pression partielle à la température T.

on a :

où

L est la chaleur latente de vaporisation, supposée, ici, constante

R, la constante des gaz parfaits

T₀ et p₀ les température et pression de référence.

la forme différentielle étant:

dans les conditions atmosphériques moyennes on a:

La pression partielle de la VE augmente de 7% par °C ou K d'augmentation de température.

Dans l'atmosphère réelle on n'est pas à saturation du fait du mélange d'air sec et d'air humide.

On définit l'humidité relative de l'air par le rapport de la pression partielle réelle de la VE sur la pression de vapeur saturante.

on a:

On fait l'hypothèse, à peu près bien vérifiée par les modèles et les observations, que RH est constant pour une variation de température faible.

La pression en vapeur d'eau réelle varie donc de 7% par °C ou K.

Autrement dit, l'air contient 7% de plus de vapeur d'eau s'il se réchauffe de 1°C ou K.

Cette augmentation, pour un réchauffement de 3K, est donc de 21% ce qui est considérable.

précipitations

Lorsque l'air humide se refroidit, la vapeur d'eau qu'il contient commence à se condenser quand la température atteint la température de saturation correspondant à sa pression partielle.

L'air se refroidit lorsqu'il perd de la chaleur et/ou lorsqu'il s'élève dans l'atmosphère de façon adiabatique, en effectuant un travail contre les forces de pression.

Le refroidissement adiabatique est majoritairement responsable de la baisse de  température.

Il s'effectue par des mouvements de convection ou par soulèvement de masses d'air humide dans les fronts froids et chauds, par exemple.

Il y a alors formation de nuages qui sont des ensembles de micro gouttelettes (ou cristaux de glace) en suspension.

Ces micro gouttelettes grossissent s'il y a alimentation  en vapeur d'eau et par coalescence.

Lorsqu'elles sont trop grosses pour rester en suspension, il y a précipitation.

Lors de la condensation, la vapeur d'eau cède de la chaleur à l'air dont la température baisse alors beaucoup moins qu'en adiabatique sec.

Ce phénomène entretient et renforce la convection humide jusqu'à ce que la chaleur dégagée soit insuffisante pour compenser les pertes.

origine  de la vapeur d'eau qui se condense en précipitations

Une colonne d'atmosphère de 1 m2 contient, du sol à la tropopause, une hauteur type d'eau précipitable de 25 mm.

Autrement dit si toute l'eau présente sous forme de vapeur et de nuages précipite on obtient une hauteur d'eau, au sol, de 25 mm.

Malgré les précipitations, il reste toujours de l'eau présente dans la colonne et la hauteur d'eau réellement précipitable n'atteint que 30% de cette valeur maximum, soit 7.5 mm.

L'intensité des précipitations atteint souvent cette valeur en 1 heure seulement et le taux de précipitation type est de 45 mm/j.(lorsqu'il pleut)

Autrement dit, il peut pleuvoir, typiquement, 6 fois la quantité d'eau précipitable, en une seule journée.

En moyenne, le taux de précipitation est de 2.8 mm/j.( hauteur de précipitation annuelle divisée par 365j)

A l'équilibre il n'y a pas de variation du stock d'eau atmosphérique et l'évaporation est égale aux précipitations.

Le taux d'évaporation moyen est donc de 2.8 mm/j.

L'évaporation est continue et dépendante de l'humidité disponible dans les sols (ce qui n'est pas une limitation pour les océans)

 La fréquence moyenne des pluies étant de 7% du temps total l'humidité nécessaire pour alimenter les pluies modérées ou fortes sur une région donnée, ne peut venir directement uniquement de l'évaporation locale mais aussi et surtout de la convergence de l'humidité provenant d'autres régions.

On considère qu'il y a un facteur 16 entre les surfaces des régions qui fournissent l'humidité et la surface où cette humidité est utilisée pour les pluies modérées ou fortes.

Si une zone de précipitations fait 4 km de diamètre, cas d'un petit orage, la région drainée est de 16km.

Si une zone de précipitations  de la zone barocline (rail des perturbations entre 40 et 60°N par exemple) a un diamètre de 800km, la zone drainée fait 3200km.

Ce sont des ordres de grandeur.

détermination de la variation des précipitations avec la température

Nous avons vu que le taux d'évaporation et de condensation était, actuellement, de 2.8 mm/j.

Ceci correspond à un flux de 76 W/m2.

Dans le même temps la surface émet 390 W/m2.

Si on suppose les caractéristiques de la circulation atmosphérique peu modifiées par une élévation de température globale faible on suppose que le taux de convection humide par rapport au flux est constant.

3K d'augmentation entraînent un flux de 407 W/m2 rayonné par la surface et donc un flux convectif de 76/390*407 = 79.3W/m2

soit encore près de 1.5% par K (ou °C)

Le chiffre retrouvé par les modèles est de l'ordre de 2%/K soit assez proche du chiffre estimé grossièrement  plus haut.

humidité et précipitation en fonction du réchauffement

Il est intéressant de rapprocher l'augmentation de teneur en vapeur d'eau de l'atmosphère et le taux d'évaporation et donc de précipitation.

On a  7%/K de variation de teneur alors que les précipitations n'augmentent que de 2%/K.

Alors, quid du changement de régime de ces précipitations?

Nous avons vu plus haut que les précipitations utilisaient l'humidité des zones avoisinantes.

Si  cette humidité augmente, la force des précipitations augmente puisque d'avantage d'humidité (du fait des 7%/K) alimente la zone.

Le schéma ci-dessous permet de se représenter très simplement, ce processus.

Lorsque les précipitations s'arrêtent, le faible taux d'évaporation supplémentaire entraîne une recharge plus lente de l'atmosphère en humidité.

Les précipitations sont donc plus fortes mais moins fréquentes.

Si on considère la circulation atmosphérique peu modifiée, les zones où il pleut déjà beaucoup seront des zones où il pleuvra  encore d'avantage, alors que celles affectées par la sécheresse seront encore plus sèches.

"Les riches seront plus riches et les pauvres plus pauvres"

Suivant cette approche simple il semble logique de considérer que les évènements extrêmes liés à l'humidité sont, effectivement, plus sévères en cas de réchauffement.