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Le thermomètre dans la théière

Dans les précédents billets, j'ai abondamment tiré des conclusions générales hardies de constatations locales sans être très explicite sur ce qui m'autorisait, je crois, à le faire. Je souhaite, ici, proposer une démarche plus globale qui offre une vue d'ensemble des principaux écueils qui menacent la construction des courbes de températures continentales (régionales et globales) sur la base des relevés de thermomètres.

Ilots de réchauffement urbain et autres perturbations par l'urbanisation

L'îlot de réchauffement urbain, tel que compris généralement, est une bulle de chaleur dans laquelle est prise toute ville importante. L'origine en est essentiellement la modification de la composition des surfaces et singulièrement leur étanchement. Il est admis que ce phénomène ne se développe que sur les grandes voir les très grandes surfaces urbanisées. La focalisation sur ce phénomène est malheureuse car les perturbations par l'urbanisation ne se limitent pas à cette seule échelle. En réalité, une modification de surface de sol réduite à proximité d'une station peut avoir un impact important. Les perturbations par l'urbanisation sont un phénomène continu depuis l'échelle du mètre jusqu'à celui du kilomètre. Il doit être appréhendé dans toute son étendue.

Ce phénomène pose deux problèmes différents dans le cadre de la question climatique. Le premier est que l'on cherche à établir des valeurs de températures globales représentatives des surfaces effectives des continents or presque toutes les stations sont potentiellement soumises à des perturbations d'origine anthropiques. Le second est que l'on souhaite détecter l'impact de l'effet de serre sur les températures et non le réchauffement par l'urbanisation.

J'ajouterai que cette question est souvent abordée d'une manière douteuse en accordant plus de confiance aux tendances des stations rurales qu'à celles des stations urbaines. C'est un non-sens car ce qui nous intéresse est l'évolution des perturbations et non leurs valeurs absolues.

Homogénéisations

Les homogénéisations ont pour but de supprimer les discontinuités dans les séries de températures dues à divers événements ponctuels comme un déplacement, un changement d'appareil ou de méthode de mesure. Ces discontinuités sont détectées par comparaison avec des séries voisines au moyen de techniques statistiques. Les méthodes utilisées ne peuvent déceler que des discontinuités relativement importantes et certainement pas des altérations qui auraient un caractère plus ou moins continu comme peuvent l'être les perturbations par l'urbanisation.

Diverses courbes de températures

Des courbes de températures régionales ou globales sont établies par diverses organisations. Les offices nationaux éditent généralement des courbes régionales. Au niveau global, les constructions les plus connues sont celles du CRU et du Giss. Chaque organisation a sa propre manière de prendre en compte l'effet de l'urbanisation et de traiter les discontinuités.

Le CRU (Climate Research Unit de l'Université d'East Anglia produisant la construction de températures globales connue sous le nom de CRUTEM) a résolu la question des perturbations par l'urbanisation de manière drastique. Sa position est de dire que les perturbations par l'urbanisation sont négligeables (de l'ordre de 0.05 °C par siècle) en s'appuyant sur l'étude de stations chinoises menée sous la direction de Jones, l'ancien patron du CRU (Jones et al. 1990). Ce faible impact justifie ainsi le fait que cet institut ne tienne tout simplement pas compte des perturbations par l'urbanisation, les températures ne sont donc pas corrigées dans ce sens. A noter qu'un certain nombre d'instituts nationaux s'appuyant sur la même étude adoptent une position identique. Pour ce qui est des discontinuités, le CRU semble utiliser généralement les données homogénéisées par les instituts nationaux quand elles sont disponibles et procède probablement à ses propres homogénéisations dans les autres cas.

La position du Giss (Goddard institute for space studies, directeur James Hansen, fait partie de la NASA) est un peu différente. Ils prétendent corriger l'effet d'îlot de réchauffement urbain en distinguant, au moyen d'image satellites nocturnes, les stations urbaines et rurales (grâce à la luminosité). Les séries des stations urbaines sont corrigées en fonction des tendances des stations rurales proches (nous avons vu plus haut que cette démarche était un non-sens). Les discontinuités sont, elles, purement et simplement ignorées car, selon la justification donnée, seules les perturbations par l'urbanisation peuvent être la source d'un réel biais, les autres discontinuités ont un caractère aléatoire et s'annulent donc pour un nombre suffisamment important de séries.

Phénomènes étranges

Le Giss a fait une découverte tout à fait remarquable qui n'a malheureusement pas connu l'écho qu'elle méritait. En effet, les calculs du Giss ont conduit à l'invention de la notion dite 'd'îlot de refroidissement urbain'. Une partie importante des stations urbaines montrent une notable tendance artificielle au refroidissement (en comparaison avec les stations rurales voisines). Il n'y a évidemment pas le début du commencement d'une explication à ce sujet.

Le CRU n'est pas en reste. L'utilisation qu'il fait de séries homogénéisées montrant un biais important le mène également à reconnaître une découverte extraordinaire potentiellement la plus importante du millénaire. Celle de l'influence des thermomètres sur les constantes physiques des matériaux de construction. En effet, quand un béton est coulé, quand des tuiles sont posées, quand un enrobé est mis en place à une certaine distance d'une station météorologique officielle, leurs constitutions intimes se voient transformées de manière à ne pas avoir d'influence sur la température. Phénomène qui ne se produit pas si le thermomètre est amené après les opérations de construction. C'est là la théorie publiée et revue par les pairs (Böhm et al. 2001) sur laquelle s'appuie le CRU. Böhm a le mérite de reconnaître l'origine du biais dans l'urbanisation mais la suite de son explication est totalement absurde.

L'influence des ondes courtes sur la fonte des glaciers (traitée dans les parties 2 et 3) peut également être comptée au nombre de ces étranges phénomènes.

Une tentative plus raisonnable d'évaluer les perturbations par l'urbanisation

Il y a donc de sérieux problèmes. On peut supposer qu'ils proviennent d'une mauvaise prise en compte des perturbations par l'urbanisation (voir à ce sujet les intéressantes considération sur Climate Audit, ici), mais comment faire mieux, comment obtenir une meilleure estimation du biais ?

Ma proposition est d'émettre une hypothèse quant aux déplacements des stations. Les homogénéisations ne supposent rien de particulier à ce sujet, elles obtiennent un biais important que Böhm explique d'une manière surréaliste en admettant que seules les constructions érigées avant l'implantation d'une station peuvent avoir un effet sur les températures et que les nouvelles constructions n'ont aucune influence. Mon hypothèse consiste à dire que, du point de vue statistique, une station est toujours implantée dans un environnement peu perturbé, les premières températures relevées ne doivent pas être corrigées. De cette hypothèse découle que le refroidissement constaté lors d'un déplacement de thermomètre correspond à l'ampleur des perturbations influant la station au dernier jour de son précédent emplacement. On peut éventuellement compléter cette hypothèse en admettant que les perturbations augmentent à un taux constant et ainsi nous pouvons calculer des séries homogénéisées plus fiables.

Dans le cas de la Suisse (voir ici) comme dans celui de toute la région alpine (Böhm 2001), nous obtenons des tendances proches à celles des séries brutes et donc un réchauffement minoré d'environ un demi degré par siècle. Ce demi degré par siècle peut être considéré comme une mesure du réchauffement par l'urbanisation d'échantillons représentatifs de stations. Il y a tout lieu de penser que cette valeur est une bonne estimation de l'effet du réchauffement par l'urbanisation au niveau mondial.

On remarquera encore que des séries brutes continues comprenant un nombre suffisant de déplacements peuvent être considérées comme corrigées à la hussarde (par choix régulier de nouveaux sites peu perturbés).

Des invraisemblances expliquées

Si nous admettons donc l'hypothèses que statistiquement les stations sont implantées dans des endroits provisoirement peu perturbés, les travaux d'homogénéisation des températures nous permettent d'évaluer le réchauffement statistique des stations à 0.5 °C par siècle. Le biais des séries brutes que l'on peut constater dans le travail de MétéoSuisse est enfin expliqué tout comme celui constaté par Böhm pour les stations de la région alpine. Le recours curieux au hasard ou à des conditions totalement irréalistes n'est plus nécessaire.

Nous avons vu dans deux précédents billets que cette hypothèse permettait également de donner une explication satisfaisante du rythme de fonte des glaciers alpins (ici et là)

Nous allons maintenant tenter de donner une explication au phénomène d'îlot de refroidissement urbain découvert par le Giss. Pour cela, rappelons que, statistiquement, les thermomètres sont soumis à un réchauffement par les perturbations urbaines d'environ 0.5 °C par siècle. Seules les séries longues de stations déplacées plusieurs fois montrent des tendances débarrassées de cet effet parasite. Les autres séries, soit longues soit courtes, conservent la trace entière du réchauffement artificiel. Le phénomène qui semble se produire est que les stations urbaines sont préférentiellement représentées par des séries du premier type alors que les stations dites rurales le sont par le second. Ainsi, on se trouve souvent dans le cas de températures rurales montrant un plus fort réchauffement que les températures urbaines. Les seules vraies exceptions sont probablement constituées par les très grandes villes dans lesquelles les déplacements des thermomètres ne permettent pas une diminution suffisante des perturbations.