Sur les limites de la notion de forcage radiatif...

[ ... pour compenser une assez longue absence, voici un post que je devais écrire depuis longtemps... ]

Pour résumer les choses le plus grossièrement possible, l'idée de base, dans l'étude du climat, est que la température moyenne du globe est fixée par équilibre entre l'énergie qu'il recoit et celle qu'il réemet vers l'espace. Que ce bilan soit modifié -c'est-à-dire, des Watt/m2 en plus ou en moins appliqué au système Terre - et la température du globe s'ajuste pour que la Terre retourne à l'équilibre radiatif (puisque la Terre, comme tout corps, émet son rayonnement en fonction de sa T°).
Ces facteurs qui modifient le bilan d'énergie, tout en étant "extérieurs" au système climatique (des "forcages", donc) sont par exemple, pour des facteurs naturels, les variations d'irradiance solaire, les éruptions volcaniques de grandes ampleurs (dont les émissions de poussières réduisent fortement mais brièvement l'énergie reçue en surface); et pour des facteurs anthropiques, l'effet de serre additionnel résultant des émissions humaines de gaz à effet de serre, les variations d'albédo (part de l'énergie incidente réfléchie par la surface) dues à la modification des surfaces terrestres, l'effet des aérosol d'origine humaines (sur le rayonnement solaire et sur les nuages)...
L'idée un peu implicite derrière tout ca est qu'en l'absence de tels forcages radiatifs "externes", le climat terrestre resterait plus ou moins stable (comme le résume Stoat dans cet ancien post) - avec cependant une variabilité naturelle ("intrinsèque"), bien entendu - dont il est difficile d'estimer l'ampleur. Toute la question actuelle est de savoir comment les différents forçages actuels, et à venir, en particulier ceux d'origine humaine, vont se traduire in fine - notamment une fois que les différentes rétroactions au sein du système climatique se seront mise en route - en terme de température globale: c'est la question de la sensibilité climatique (au sens large, combien de °C pour tant de W/m2 ?). 
L'autre idée un peu implicite est que la sensibilité climatique, justement, est plus ou moins la même pour les différents forcages; autrement dit, que les différents forçages peuvent se comparer quantitativement, en terme d'effet sur le climat, à travers leur valeur en W.m-2. Ce graph bien connu de l'IPCC 2007 montre ainsi les estimation de ces différents forcages, naturels et anthropiques, en différence par rapport à 1750, en W.m-2.

Au passage, cet autre qui montre leur évolution temporelle:

L'idée a priori serait donc qu'on peut comparer l'importance des forcages à travers ces valeurs en W.m-2.  Cela offre notamment l'avantage de ne pas avoir à calculer les réponses en T° à l'aide de simulations climatiques coûteuses - puisque le forcage radiatif se calcule plus rapidement.

Néanmoins, la pertinence de cet indicateur "forcage radiatif" (FR) pour le land-use (au sens d'"évolution de l'usage des sols") est depuis assez longtemps critiquée - notamment parce qu'il ne rend pas compte des processus non-radiatifs, à savoir la modification des flux d'énergie entre sol et atmosphère.
En effet, de façon simple, l'énergie disponible en surface (R) se décompose en flux de chaleur vers l'atmosphère, latent (LE, évaporation de l'eau) et sensible (H, transfert de chaleur par convection ) - ainsi qu'en flux de conduction dans le sol, G, qu'on néglige le plus souvent. Rn= H+LE+G. Modifier la couverture végétale peut par exemple dans le cas d'une déforestation, entrainer - entre autres - une réduction du flux latent (moins d'évaporation), donc une augmentation comparable du flux sensible, par compensation: la température de surface s'en trouve donc augmentée - et cette modification de T° ne résulte pas d'un forçage radiatif au sommet de l'atmosphère. 
De plus, le FR, dans le cas du land-use, peut être assez hétérogène spatialement, avec des effets en sens sens contraires selon les régions; donc agréger tout cela spatialement, à l'échelle globale, peut mener à sous-estimer les impacts locaux.
Ces limitations sont soulevées depuis longtemps par la "communauté land-use" - Roger Pielke en tête, qui sur son blog ne cesse d'attaquer l'IPCC, l'accusant (entre autres) de ne pas assez prendre en compte l'importance et la diversité des effets de surface dans le système climatique... *  - même si à mon avis toute la communauté ne partage pas ce jusqu'au-boutisme...
Dans un papier paru dans GRL en juillet dernier, "Impact of land cover change on surface climate: relevance of the radiative forcing concept", Davin et al illustrait et quantifiait précisément cette problématique, à l'échelle globale, à l'aide du modèle couplé complet (océan-atmosphère-glace-biosphère) de l'IPSL.
Pour cela, ils réalisent 3 simulations à l'équilibre (i-e, à date fixée), avec CO2 et aérosols pré-industriels, et une végétation passée (pré-industrielle, 1860), présente (1990) ou future (2100, pour le scénario A2 - plus ou moins business as usual)     
Cette première figure montre le changement de fraction anthropique par pixel (culture et paturage) entre ces trois dates.

fig.1: changement de land-use

On voit notamment que si la déforestation historique a surtout concerné les latitudes tempérées, celle prévue pour le sièce qui vient concerne surtout la bande tropicale.
Le forcage radiatif correspondant à ces changements est calculée, via d'autres simulations, ci-dessous: il prend en compte les modifications d'albédo (des cultures réfléchissent davantage le rayonnement que des forêts) ainsi que de vapeur d'eau - changement de H2O estimé d'après la réduction d'évapotranspiration consécutive au changement de land-use (et qu'on peut donc voir ici comme un forcage et non un feedback).
Naturellement, cela se superpose pas trop mal aux cartes précédentes. On notera donc la grande disparité spatiale du forcage, avec localement des valeurs négatives très fortes (-20 W/m2 sur l'Amazonie par ex).

fig.2: forcage du land-use, en W.m2

A l'échelle globale, le forcage de 1860 à 1992 est de -0.29 W/m2 - dont -0.22 W/m2 d'albédo (cohérent avec la valeur IPCC, voir graph plus haut) et  -0.07 W/m2 de H2O; de 2100 à 1992, il est de -0.7 W/m2 - dont -0.55 d'albédo et -0.15 d'H2O.
Les réponses en t° globale sont respectivement -0.05 K et -0.14 K.
Ces valeurs de t° sont faibles (bien que stat. sign.): le refroidissement global dû au land-use a été quasi-imperceptible sur la période historique, et sera peu important sur le futur (avec ce scénario A2 déjà assez "généreux"...). En particulier, ces valeurs sont plus faibles que celles qui auraient été obtenues avec le même forcage en W/m2 produit par une variation (une diminution, en l'occurence) de gaz à effet de serre: en effet la sensibilité climatique au land-use apparait ici être environ 0.3 K/(W.m2) (sur l'historique comme le futur); alors que le modèle IPSL a une sensibilité climatique "CO2" connue de 1K/(W.m2) (obtenue dans le expérience classique de 2XCO2).
Cette plus faible sensibilité climatique au land-use peut s'interpréter comme le résultat de 2 phénomènes: le rôle des processus non-radiatifs, et de l'hétérogénéité spatiale du forcage.
Sur le premier point, l'effet non-radiatif lié à la modification de la balance des flux de surface décrit plus haut peut se percevoir sur l'Amazonie dans le scénario futur: malgré un forcage localement fortement négatif, la région subit un réchauffement (fig.3 à droite). A l"échelle globale, en comparant avec une simulation où seul l'albédo est autorisé à varier (les flux ne changent pas), les auteurs en déduisent que "l'effet flux" réduit la sensibilité climatique au land-use d'environ 30%.

fig.3. changement de T° de surface lié au land-use.

Sur le second point, la question soulevée est celle de l'influence de la distribution spatiale du forcage sur la sensibilité climatique, par rapport par exemple au forcage des "well-mixed greehouse gases" qui est bien plus homogène . En particulier, on voit sur la fig.2 à droite que le forcage s'exerce surtout aux basses latitudes: cela signifie, que le processus d'amplification polaire lié aux rétroactions avec la cryosphère, a du mal à s'amorcer. Pour donner un ordre de grandeur, avec le modèle IPSL une simulation à 2xCO2 en forcant à zéro le changement de t° de surface aux latitudes supérieures à 60°fournit une sensibilité climatique réduite de 20% par rapport à la sens.clim. standard.
Ces 2 points expliquent, en partie, que la sensibilité climatique au land-use soit plus faible que pour d'autres forcages. L'originalité de cet étude, en particulier, est de considérer aussi la réduction d'évapotranspiration comme forcage lié au land-use, en plus du changement d'albédo.
En conséquence, comparer le forcage land-use directement aux autres forcages doit se faire avec prudence: en terme de température globale, une possibilité est de corriger le forcage par un facteur d'efficacité climatique", correspondant au rapport de la sensibilité climatique du forcage à celle du CO2 (ici, 0.3/1=0.3) - suivant en cela l'approche de J.Hansen et al. (2005, une publi de ...45 pages ! dans JofGeophy.Research) qui calcule une telle efficacité climatique pour le CH4 (1.1, en l'occurence) et le "black carbon". Toutefois, étudier la réponse en T° globale ne doit pas masquer les impacts locaux, qui peuvent être importants, et parfois de signes différents. Le relatif consensus qui semble se dégager au sein de la communauté land-use à cet égard serait que les effets d'albédo (refroidissement, en général) ont une portée spatiale plus large que les effets non-radiatifs liés aux flux, qui seraient plus restreints géographiquement.
Enfin, évidemment ce genre d'étude appelle confirmation par de résultats venant d'autres modèles globaux; et évidemment aussi, l'étude des effets biophysiques du land-use ne doit faire oublier l'effet biogéochimique, c'est-à-dire principalement l'effet sur le cycle du carbone: pour donner un ordre de grandeur, les émissions de CO2 lié à la déforestation représentent aujourd'hui 1/4 des émissions mondiales.

*R.Pielke avait mentionné d'ailleurs ce papier sur son site