Menu déroulant

FAQ - Climat

Quelles observations pour estimer la température à la surface de la Terre ?

     Jean Pailleux - mai 2017 

Le suivi du changement climatique nécessite une cartographie globale de la température à la surface de la Terre. Sa moyenne globale Tglob est un indicateur essentiel du réchauffement climatique lorsqu'on examine son évolution. En outre, une cartographie très détaillée est souvent nécessaire du fait de la très grande variabilité spatio-temporelle des effets du changement climatique.
Voir aussi les FAQs : Le hiatus existe-t-il vraiment ? et Peut-on parler de température moyenne mondiale ?

L'estimation de la température à la surface de la Terre repose essentiellement sur deux réseaux d'observation in-situ :

Voir par exemple le réseau français.

Ces réseaux in-situ sont maintenant complétés par de nombreux instruments satellitaires.

La température de surface de la mer

La température de surface de la mer (SST) est une variable essentielle du système climatique qui est obtenue très directement à partir de mesures.
Voir la FAQ  : «Le vent à la surface de l'océan» qui explique que les variables climatiques sont presque toujours estimées en partie par la mesure, en partie par la modélisation. Alors que le vent à la surface de l'océan se situe largement du côté modélisation» (dans cette présentation «mesuré vs modélisé»), la SST est franchement du côté «mesures».

En effet, la SST est mesurée sur l'ensemble du domaine océanique par une multitude d'instruments spatiaux, surtout les radiomètres infrarouges, instruments qui peuvent s'inter-calibrer entre eux et avec les mesures in-situ de navires et de bouées ; ces dernières couvrent assez bien l'océan non gelé car il est relativement facile d'installer un capteur de température de l'eau sur une bouée dérivante. Beaucoup de capteurs de bouées transmettent les mesures très fréquemment, ce qui permet de caractériser facilement le cycle diurne de la température océanique (non négligeable, quoique beaucoup plus faible que pour les températures de surfaces continentales).

La variabilité spatio-temporelle de la SST est relativement faible, beaucoup plus faible que celle du vent à 10 m ou de la température atmosphérique. Chaque observation ponctuelle de la température océanique est donc souvent représentative d'une zone horizontale de quelques dizaines de kilomètres, ce qui permet de «boucher les trous» entre les observations pour obtenir facilement une analyse globale, au moyen d'algorithmes simples d'analyse (ou de «spatialisation») pour obtenir des produits SST sur une grille régulière. La forte inertie thermique de l'océan fait que les capteurs infrarouges satellitaires peuvent estimer la SST, même sur des zones restant couvertes par les nuages pendant quelques jours. À l'échelle horizontale décamétrique ou hectométrique, il y a peu de variabilité de la SST, du moins pour les phénomènes intéressant la prévision météorologique et le suivi de l'évolution du climat.

En conséquence, la SST peut s'estimer globalement par une analyse séparée qui ne soit pas intégrée dans l'analyse 3D (ou 4D) de la température atmosphérique, ni dans celle de l'océan. C'est ainsi que l'on procède dans toutes les mises en œuvre opérationnelles. Les centres faisant de la modélisation opérationnelle ou des réanalyses ont toujours traité la SST par une analyse séparée, et cela depuis les années 1970. Des centres ont pu se spécialiser sur la production d'analyses SST à diverses échelles horizontales, analyses qui sont ensuite utilisées comme un «input observé» par les modèles atmosphériques et océaniques. Ces analyses séparées permettent un suivi de l'évolution à long terme de la température moyenne de l'océan global Tmog.

Ce traitement de la SST par une analyse séparée a été effectuée aussi pour les réanalyses atmosphériques remontant au début du 20e siècle, donc bien avant l'apparition des données satellitaires. Pour le futur, elle ne semble pas être remise en cause, même pour les futures réanalyses océan-atmosphère qui sont planifiées pour être couplées aussi au niveau de l'assimilation. Voir le plan de l'analyse européenne CERA (Coupled European Re-Analysis) dans la Newsletter 144 du CEPMMT (Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme), en particulier le diagramme de mise en œuvre, page 16 de la Newsletter.
Noter dans ce diagramme la petite boîte en haut à droite qui traite séparément la SST, alors que la plupart des autres variables essentielles de l'interface océan-atmosphère sont fortement intégrées dans un ensemble de deux assimilations couplées 3D ou 4D.

Dans les modèles météo-climatiques, cette température est directement connectée à l'évaluation des flux de rayonnement (loi de Stefan) ; elle est aussi très directement liée à la température atmosphérique au niveau du modèle le plus proche du sol. Le modèle inclut une description des phénomènes de couche limite et permet de calculer avec une bonne précision la température atmosphérique près de la surface de l'océan, par exemple à une hauteur standard de 2 m. Sur l'océan, il existe très peu d'observations directes de la température de l'air, et quand il en existe (bateaux, bouées), elles sont à des hauteurs au-dessus de l'eau très variables (ponts de navires, mâts de bouées...). Néanmoins par une combinaison entre modélisation et mesures, l'estimation de la température à 2 m au-dessus de l'océan peut être faite avec une bonne précision. En d'autre termes "transporter" l'information température depuis la surface jusqu'à une hauteur standard de 2 m est une opération suffisamment précise pour utiliser la SST et la T2m avec le même niveau de confiance dans la plupart des applications liées au suivi de l'évolution climatique.

La température à la surface des continents

Sur les continents, la situation en termes d'observation de la température est en quelque sorte inverse de celle des océans. Non seulement il n'y a pas de vrai instrument observant la température superficielle du sol, mais celle-ci est très difficile à définir tellement elle dépend de l'état du sol (albedo, végétation,etc...) et présente une énorme variabilité à petite échelle. Cette variable "température de surface continentale", jointe à la SST, est nécessaire dans les modèles météo-climatiques, en particulier pour écrire les équations du rayonnement. Elle est alors définie comme une moyenne à l'échelle de la maille du modèle qui utilise aussi un albedo, état du sol, indice de végétation, etc... moyennés sur la même maille.

Mais sur les continents, il existe de nombreuses mesures de la température de l'air effectuées régulièrement à 2 m ou à une hauteur voisine. 2 m est une hauteur conventionnelle permettant de standardiser les mesures de la température de l'air sur l'ensemble de la planète. En pratique, c'est souvent la hauteur du thermomètre placé dans des abris standard des stations météorologiques, à la bonne hauteur pour les yeux de l'observateur chargé des relevés réguliers (quand la station n'est pas automatisée), soit plutôt entre 1.5 m et 2 m ! En plus des réseaux entretenus par les services météorologiques, il existe de nombreuses stations mesurant la température de l'air à des hauteurs variées près du sol, ou même dans le sol, mais ces dernières sont trop rares pour permettre directement un suivi climatique de la température à grande échelle. Sur mer, les observations équivalentes sont rarement à 2 m d'altitude, mais plutôt à la hauteur où l'on peut facilement placer un thermomètre sur un bateau, ou, pour certaines bouées à la hauteur du mât où ce thermomètre peut être accroché. Sur la banquise, quelques bouées sont régulièrement déposées, permettant d'obtenir la température de l'air sur un océan solide (plutôt que liquide). La disponibilité globale des données en temps réel est illustré sur le site du monitoring de Météo-France.

Sur les continents, les observations les plus directes sont donc des températures de l'air alors que la température de surface est estimée indirectement (situation inverse de l'océan). Là encore la modélisation de la couche limite atmosphérique permet de "transporter" l'information température entre les hauteurs 0 m et 2 m.

Estimation de la température à la surface de tout le globe terrestre

Estimer la température globale Tglob, moyennée sur toute la surface du globe, est une opération qui combine surtout les observations de la température de l'eau océanique (via une analyse SST séparée) et les observations de l'air continental. Ces deux systèmes d'observation présentent en effet une bonne couverture globale en mesures de diverses sortes, et les différents capteurs satellitaires permettent en outre de raffiner l'analyse des petites échelles spatiales et aussi d'apporter des informations sur les endroits mal couverts en données in-situ (calottes polaires par exemple). Il existe plusieurs algorithmes permettant d'estimer Tglob. Le plus optimal , et le plus complexe aussi, c'est une assimilation permettant d'intégrer toutes les données, afin de produire une analyse globale et cohérente de tous les champs de température. Tglob et sa tendance peuvent alors être estimés par une moyenne globale de la température à 2 m. C'est ce qui se fait naturellement lorsque l'on dispose d'une réanalyse sur une longue période. Mais il existe toute une palette de méthodes, depuis les plus simples jusqu'aux plus complexes permettant d'estimer ce Tglob et sa tendance, comme expliqué dans la FAQ du site Le climat en question : Une température globale a-t-elle un sens ?

Pour l'établissement d'une série chronologique et pour le suivi d'une tendance climatique, l'important, c'est que la même méthode soit toujours appliquée tout au long de la période étudiée.

Quelques organisations au monde effectuent un suivi continu de Tglob et de sa tendance, mois par mois, année par année, décennie par décennie, etc... Les communiqués réguliers de l'OMM (Organisation Météorologique Mondiale), repris par la presse, s'appuient, comme les rapports du GIEC, sur une moyenne des estimations de ces organisations. Voir par exemple la page 37 du 5éme rapport du GIEC qui dit:

"Le réchauffement est exprimé sous la forme d’une moyenne non pondérée fondée sur des estimations de la tendance linéaire calculée à partir de l’ensemble de données .... sur les températures de surface de l’Unité de recherche climatique du Hadley Centre (HadCRUT4), de l’analyse MLOST (Merged Land-Ocean Surface Temperature Analysis) et de l’analyse des températures de surface de l’Institut Goddard pour les études spatiales (GISTEMP)".