Observation de l’atmosphère, analyse des gaz à effet de serre et estimation des émissions: une aventure scientifique

Figure 1. Fraction molaire du dioxyde de carbone (CO2)

Figure 1. Fraction molaire du dioxyde de carbone (CO₂) moyennée à l’échelle de la planète selon les observations des stations participant aux Programme de la VAG. (Source: OMM, 2018)

Les effets du changement climatique sont de plus en plus manifestes. Pour relever ce défi, les gouvernements concluent des traités internationaux tels que l’Accord de Paris, signé en 2015. Afin d’évaluer les progrès réalisés pour atteindre les objectifs définis, les gouvernements ont convenu de suivre des protocoles prévoyant l’établissement de rapports nationaux sur les émissions de gaz à effet de serre (GES). Ces protocoles, établis par le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), sont décrits dans les Lignes directrices 2006 du GIEC pour les inventaires nationaux de gaz à effet de serre (GIEC, 2006). En mai 2019, la session plénière du GIEC a approuvé une version révisée du document (sous presse), qui indique combien les observations et l’analyse de l’atmosphère sont utiles pour améliorer les estimations des émissions de GES nationales. La Révision 2019 décrit les éléments essentiels et indique la procédure à suivre lors de l’utilisation de données atmosphériques ou de modèles inverses pour procéder à des comparaisons avec les estimations présentées dans les inventaires (Chapitre 6, assurance qualité, contrôle de la qualité et vérification).

Des mesures atmosphériques exactes et précises révèlent une augmentation planétaire de la concentration des principaux GES (voir la figure 1). Toutefois, les concentrations des substances réduisant la teneur en ozone, qui sont également des GES, diminuent depuis une dizaine d’années grâce à l’impact du Protocole de Montréal. Le réseau mondial des observations des GES, coordonné par le Programme de la Veille de l’atmosphère globale (VAG), diffuse des alertes lors de modifications dangereuses du système climatique.

Les concentrations atmosphériques de GES découlent de l’équilibre entre les sources et les puits (voir la figure 2) et sont influencées par les processus de transport et de mélange. Pour limiter le réchauffement climatique, il est important de quantifier les sources, car elles peuvent être maîtrisées. L’estimation des émissions à partir des observations atmosphériques n’est toutefois pas une mince affaire, car il faut déterminer la relation entre les concentrations à un point d’observation donné et les sources en amont. Cette relation est déterminée par le transport atmosphérique, qui peut être simulé par un modèle. Pour obtenir des résultats précis, il faut que le modèle soit d’une haute précision.

Figure 2. Les concentrations atmosphériques de GES découlent de l’équilibre entre les sources (ce qui entre dans l’atmosphère) et les puits (ce qui en est extrait). La figure met en évidence les apports cumulés au bilan mondial du carbone depuis 1870. Le déséquilibre du carbone correspond à l’écart entre les sources et les puits selon notre compréhension actuelle. (Source: Bilan carbone mondial 2018, Projet mondial sur le carbone)

Les premières tentatives d’estimer les émissions de GES en se fondant sur des observations atmosphériques remontent aux années 1980 (par exemple, CFC-11, Fraser et al., 1983). Il s’agissait d’études effectuées essentiellement à l’échelle planétaire ou continentale, qui s’appuyaient sur des modèles à faible résolution et des observations provenant d’un réseau mondial de faible densité, le plus souvent le programme mondial d’échantillonnage en flacons de l’Administration américaine pour les océans et l’atmosphère (NOAA). La quantification des émissions à grande échelle est essentielle, même si elle ne permet d’obtenir que les émissions mondiales nettes déterminant l’augmentation des GES persistants dans l’atmosphère. Toutefois, ces estimations fournissent peu d’informations sur les sources à titre individuel et les processus particuliers que les décideurs doivent connaître pour prendre des mesures à l’échelon national, infranational ou régional. Avec l’expansion du réseau d’observation, en particulier dans les pays développés, et l’amélioration de la portée et de la résolution des modèles de transport atmosphérique, il est devenu possible d’estimer les émissions à plus petite échelle au sein des pays.

Les spécialistes de l’atmosphère, du cycle du carbone et du changement climatique ont mené un certain nombre d’études sur les possibilités qui s’offrent d’utiliser les mesures relatives aux concentrations atmosphériques de GES et les résultats de modélisation pour évaluer les estimations des émissions de GES et contribuer à les améliorer (notamment National Research Council (2010), Ciais et al. (2010), GIEC (2010)). Les études révèlent que cette méthode exigerait d’investir davantage dans la recherche, d’augmenter la densité de mesures des GES de l’atmosphère, d’optimiser l’étalonnage et de renforcer les capacités de modélisation du transport atmosphérique et d’assimilation des données.

La nécessité d’harmoniser et de documenter les méthodes d’estimation des émissions sur la base des observations atmosphériques, ainsi que d’échanger les bonnes pratiques, a conduit à la création du Système mondial intégré d’information sur les gaz à effet de serre, IG³IS (Bulletin de l’OMM 66 (1), 2017) en 2015, lors du Dix-septième Congrès météorologique mondial.

Estimations des émissions à l’appui des inventaires nationaux

La Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques (CCNUCC), entrée en vigueur en 1994, a aujourd’hui une dimension presque universelle, avec 197 pays signataires. Les Parties à la Convention ont été invitées à «mettre à jour, publier et rendre accessibles périodiquement [...] des inventaires nationaux des émissions anthropiques par les sources et de l’absorption par les puits de tous les gaz à effet de serre non réglementées par le Protocole de Montréal.» La méthodologie n’était pas bien définie au départ, et les pays n’étaient appelés à établir leur rapport que dans la mesure de leurs possibilités. Néanmoins, de nombreux pays ont commencé à recueillir et à communiquer des informations sur les émissions de GES, certes à des degrés de détail et à des fréquences variables.

Avec l’entrée en vigueur du Protocole de Kyoto, en 2005, la communication de rapports d’inventaire nationaux (RIN) annuels est devenue obligatoire pour tous les pays visés à l’Annexe 1 (développés). Les détails ont été précisés dans les Lignes directrices 2006 du GIEC, qui proposaient une approche à plusieurs niveaux. Le niveau 1, le plus simple, repose sur des facteurs d’émission (FE) par défaut, tandis que les niveaux 2 et 3, plus détaillés, permettent d’intégrer des méthodes, données et modèles propres à chaque pays. Un autre progrès a été réalisé lorsque l’Accord de Paris a établi que tous les pays signataires devraient soumettre un RIN tous les deux ans. L’élaboration et la soumission d’un RIN représente un réel défi pour les pays en développement qui doivent encore apprendre la procédure officielle d’établissement des rapports.

L’élaboration d’un inventaire des émissions de GES est un défi, car il faut y donner un large éventail d’informations en fonction du type de sources. Des données statistiques détaillées, notamment socio-économiques, ne sont pas toujours disponibles en temps utile. Les inventaires nationaux des émissions fournissent des informations précises sur les différentes sources, permettant aux décideurs d’évaluer leurs incidences respectives et de concevoir des mesures efficaces de réduction des émissions. Toutefois, l’évolution de la qualité de ces inventaires exige de vérifier leur exhaustivité et leur conformité avec les procédures recommandées. L’indicateur le plus pertinent pour les effets du changement climatique, c’est-à-dire le total des émissions par pays, ne peut être estimé par des moyens indépendants.

Les concentrations atmosphériques dépendant de la somme de toutes les émissions, les estimations fondées sur l’observation peuvent être précieuses pour déterminer la fourchette de valeurs où s’inscrivent les émissions totales du pays. Elles sont toutefois moins utiles pour l’obtention d’informations sur les diverses catégories de sources, car beaucoup de sources et de puits interagissent. Les inventaires et les estimations fondées sur l’observation sont donc complémentaires et devraient être utilisés ensemble pour améliorer les estimations des émissions nationales et accroître leur fiabilité. Grâce à des réseaux d’observation denses et aux mesures de paramètres auxiliaires, tels que la composition isotopique des GES ou les concentrations de gaz émis simultanément, il est possible d’obtenir des informations supplémentaires propres à une seule source pour faciliter la validation des inventaires nationaux des émissions, en sus des totaux par pays. Les estimations fondées sur l’observation peuvent être particulièrement précieuses pour les gaz à l’état de traces, dont les émissions présentent de grandes incertitudes.

Progrès scientifiques

L’estimation des émissions des totaux nationaux fondée sur les techniques de modélisation inverse s’est considérablement améliorée au cours des 20 dernières années. La mise en œuvre de cette méthode exige de combiner plusieurs types d’observations avec une modélisation de l’atmosphère. Elle repose sur quatre facteurs essentiels, qui ont tous sensiblement évolué durant cette période:

Les observations atmosphériques sont devenues beaucoup plus précises, et des instruments plus robustes sont maintenant disponibles. En outre, la fréquence des mesures et le nombre de sites d’observation ont considérablement augmenté: des réseaux étendus se développent dans de nombreux pays, notamment l’Allemagne, l’Australie, la Chine, les États-Unis d’Amérique, l’Inde, le Royaume‑Uni de Grande-Bretagne et d’Irlande du Nord, et la Suisse. Par ailleurs, la télédétection par satellite des GES a remarquablement progressé depuis les premières mesures des colonnes totales de CO₂ et de méthane (CH₄) par SCIAMACHY en 2002. Aujourd’hui, des satellites tels que GOSAT, OCO‑2 et TROPOMI fournissent des observations d’une exactitude suffisante pour délimiter les émissions à de vastes échelles régionales. Toutefois, de nouvelles améliorations de la couverture, de la résolution, des gaz observés et de la précision seront nécessaires pour repousser les limites à l’échelle des divers pays et des zones sensibles pour les émissions. Le Comité sur les satellites d'observation de la Terre (CSOT) coordonne les activités liées aux observations du système terrestre par satellite et élabore les stratégies à long terme pour leur évolution. En particulier, il a récemment établi une architecture planétaire de surveillance du CO₂ et du CH₄ dans l’atmosphère, intégrant les valeurs actuelles des mesures de GES par satellite et prenant l’IG³IS comme cadre commun de référence.
Les méthodes de météorologie 3D, qui évoluent avec le temps, ont considérablement progressé grâce à une amélioration de l’assimilation des données, de la puissance de calcul, de la représentation des processus atmosphériques et de la résolution spatiale. Par exemple, la résolution horizontale des modèles opérationnels de prévision météorologique mondiale est passée de 80 km (il y a 20 ans) à entre 9 km et 20 km (aujourd’hui), et la résolution verticale a connu une amélioration comparable.
Les modèles de transport, reposant sur ces domaines de météorologie 3D, ont considérablement mûri grâce à leurs applications dans d’innombrables projets de recherche. Ils peuvent intégrer davantage de paramètres météorologiques à de plus hautes résolutions spatiale et temporelle qu’autrefois. En outre, de nouveaux modèles intégrés en ligne se livrent aujourd’hui simultanément à des calculs systématiques relatifs à la météorologie et au transport des GES.
Les modèles inverses, qui intègrent les informations provenant des observations et des modèles de transport atmosphérique, ont considérablement évolué grâce à une meilleure utilisation des algorithmes de pointe, combinant judicieusement données d’observation et informations sur la distribution des émissions.

Exemples de pays

Royaume-Uni

Figure 4. Le réseau suisse de mesure CarboCount CH, créé en 2012 pour mesurer le CH₄ et le CO₂. À Beromünster, des instruments supplémentaires ont été installés en 2016, puis en 2019 pour mesurer respectivement le N₂O et les GES anthropiques. (Source: Oney et al. 2015)

Pour évaluer la qualité des émissions indiquées dans l’inventaire national, le Royaume‑Uni utilise une méthode totalement indépendante (décrite dans Arnold et al., 2018) pour calculer ses émissions estimatives de GES. Elle combine observations atmosphériques et modélisation inverse. Les résultats sont présentés chaque année au titre de la CCNUCC dans le RIN du Royaume-Uni. Le pays utilise les écarts significatifs entre l’inventaire des émissions et les estimations fondées sur l’observation pour déterminer quels points de l’inventaire méritent un examen plus approfondi. Son réseau de sites d’observation, appelé UK DECC (Stanley et al., 2018), se compose principalement de mesure de grands mâts de télécommunication à tour disposant d’équipements d’observation de pointe. Ces appareils mesurent le CO₂, le CH₄, l’oxyde nitreux (N₂O), les hydrofluorocarbones (HFC), les hydrocarbures perfluorés (PFC), l’hexafluorure de soufre (SF₆) et le trifluorure d’azote (NF₃) à haute fréquence, et avec une grande exactitude et précision.

La figure 3 présente un exemple récent de la façon dont les émissions estimatives fondées sur les observations ont été utilisées pour éclairer les estimations traditionnelles de l’inventaire. Dans le RIN du Royaume‑Uni de 2013, les estimations des émissions annuelles de HFC‑134a (barres violettes), un gaz essentiellement utilisé dans les systèmes mobiles de climatisation et, dans une moindre mesure, comme propulseur d’aérosol, ont été systématiquement supérieures de plus de 50 % aux estimations fondées sur les observations (lignes bleues et orange) à partir de 1998. Ce constat a amené le Royaume‑Uni à charger un expert du secteur industriel d’examiner les estimations de l’inventaire britannique de HFC‑134a. Aussi, les estimations de l’inventaire ont‑elles été révisées et rapprochées des estimations de la modélisation inverse, comme le montrent les barres noires de la figure. Il reste du travail pour achever de combler l’écart.

Suisse

En 2012, la Suisse a établi un réseau d’observation des GES, constitué d’une haute tour et de plusieurs sites situés sur des sommets de collines et de plus petites tours (voir la figure 4, Oney et al., 2015). Les mesures, complétées par les archives d’observations de la Jungfrau, un haut sommet des Alpes, ont permis d’estimer les émissions de CH₄ en Suisse, qui se sont avérées conformes à l’inventaire national (Henne et al., 2016). Depuis 2016, les estimations sont communiquées chaque année dans une annexe du RIN suisse au titre de la CCNUCC. La cohérence a été confirmée pour toutes les années examinées jusqu’ici (2013–2017).

Des mesures supplémentaires de N₂O sont effectuées depuis 2016. Selon une première estimation établie sur leur base, publiée dans le RIN suisse de 2019, les émissions de N₂O, contrairement à celles de CH₄, pourraient avoir été sous-estimées d’au maximum 30 %. Toutefois, en raison des importantes incertitudes propres à l’inventaire et aux estimations fondées sur les observations, l’écart n’est pas statistiquement significatif, et il faudra attendre quelques années d’observation pour le confirmer.

Étant donné que les HFC et les autres GES anthropiques ne font l’objet d’observations qu’au Jungfraujoch, une méthode simple de corrélation interspécifique, ne nécessitant aucune modélisation du transport atmosphérique, est utilisée pour estimer les émissions de HFC. Ces estimations, également communiquées dans le RIN suisse depuis 2016, concordent dans les grandes lignes avec les valeurs de l’inventaire traditionnel pour la plupart des espèces. Afin d’obtenir des estimations plus fiables pour les gaz anthropiques, des mesures supplémentaires sur le site de la tour de Beromünster sont relevées depuis août 2019 (voir la figure 4).

Australie

L’Australie a intégré la vérification atmosphérique dans son RIN annuel en 2009. Les émissions de GES anthropiques du sud-est du pays (HFC, PFC et SF₆) sont estimées par la CSIRO (Organisation de la recherche scientifique et industrielle du Commonwealth) et le Met Office du Royaume-Uni à partir d’observations atmosphériques au cap Grim (Tasmanie), au moyen de techniques de modélisation inverse et de corrélation entre espèces. Les émissions australiennes de ces GES anthropiques sont calculées sur la base de celles du sud-est du pays en fonction de la population ou de l’activité.

La station du cap Grim, en Tasmanie. (Source: Service météorologique)

La comparaison entre les émissions estimatives fondées sur les observations atmosphériques et celles de l’inventaire australien traditionnel a révélé des écarts significatifs pour les HFC, les PFC et les SF₆ pris isolément, mais les valeurs relatives à leur cumul concordent d’un point de vue général.

En Australie, conformément à la recommandation du GIEC, les FE de HFC annuels (à partir de 2006) et les FE de SF₆ (à partir de 2010) sont ajustés en fonction des émissions estimatives de HFC et de SF₆ sur la base des concentrations atmosphériques et des tendances mesurées au cap Grim. Outre leur utilité pour l’étalonnage relatif aux FE annuels, les fluctuations des HFC observées au cap Grim permettent de varier les gaz intégrés dans le modèle des émissions de HFC utilisé dans l’inventaire. À ce jour, les FE de PFC de l’inventaire n’ont pas été ajustés pour refléter les émissions de PFC calculées sur la base des données atmosphériques. Pour l’avenir, l’Australie prévoit de se servir des observations de GES provenant de divers sites (par exemple Aspendale, Victoria) et plates-formes, notamment des navires de recherche, grâce à des techniques de modélisation inverse et de corrélation interspécifique mieux ciblée pour améliorer l’exactitude des estimations des émissions régionales et nationales fondées sur des observations.

Comme les Lignes directrices 2006 du GIEC ne formulent aucune recommandation sur l’utilisation directe des émissions estimatives provenant de modélisation inverse, l’Australie a choisi d’utiliser les fluctuations des estimations modélisées pour ajuster les taux de fuite annuels des HFC et des SF₆. Grâce à cette méthode, les émissions estimatives de l’inventaire reflètent mieux les améliorations des pratiques de l’industrie dans les domaines de la manipulation des gaz et de la maintenance, et de la mise hors service des équipements.

Apport de l’IG³IS pour le renforcement des estimations d’émission sur la base des observations

En tant que document destiné aux responsables des inventaires, la Révision des Lignes directrices du GIEC de 2019 ne fournit pas d’indications détaillées sur la mise en œuvre du système national de mesure et de modélisation de l’atmosphère. En revanche, il donne des exemples de pays, présente des recommandations de la VAG de l’OMM sur les techniques d’observation et renvoie au Plan d’action scientifique pour la mise en œuvre de l’IG³IS pour de plus amples orientations. Les Lignes directrices 2006 du GIEC et la Révision 2019 encouragent non seulement l’utilisation d’émissions estimatives fondées sur des mesures atmosphériques, mais rappellent aussi que la mise en œuvre de cette approche peut s’avérer difficile.

Pour permettre de choisir la manière la plus efficace d’utiliser les mesures atmosphériques pour l’estimation des émissions, le Plan scientifique et de mise en œuvre relatif à IG³IS présente un certain nombre de techniques envisageables pour élaborer de nouveaux systèmes nationaux et améliorer les systèmes actuels. Les techniques prévues, ou déjà testées, offrent des recommandations sur le type d’algorithmes de modélisation inverse, les modèles de transport atmosphérique, le choix des sites d’observation, le type d’instruments de mesure et les paramètres optionnels à mesurer. Les pays qui optent pour les estimations fondées sur les mesures atmosphériques vont au-devant de nouveaux défis, qui leur sont propres. Par exemple, les systèmes nationaux peuvent être élaborés dans des pays séparés de leurs voisins par des océans ou des chaînes de montagne. Procéder à des inversions atmosphériques dans un pays exposé à des vents provenant de zones à fortes sources de GES pose d’autres difficultés.

L’IG³IS joue un rôle non négligeable en offrant un cadre commun pour l’établissement de méthodes et de références harmonisées. Rassemblant divers experts, il est bien placé pour contribuer au développement et à l’évaluation des compétences nécessaires, de même que pour donner des orientations permettant de surmonter les difficultés techniques grâce aux connaissances scientifiques actuelles et à l’expérience acquise par les équipes nationales qui ont déjà établi des systèmes opérationnels. Les personnes appliquant une méthode fondée sur l’observation dans leur pays aux fins de l’établissement de l’inventaire des GES et qui souhaitent recevoir des conseils ciblés tenant compte de leurs circonstances et conditions nationales sont invitées à contacter l’équipe IG³IS en passant par son site Web ig3is.wmo.int.

Références

Arnold, T. et al., 2018: Inverse modelling of CF₄ and NF₃ emissions in East Asia. Atmospheric Chemistry and Physics, 18:13305–13320.

Ciais, P. et al., 2010: Geo Carbon Strategy. Secrétariat du GEO, Genève/Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture, Rome.

Fraser, P. J. et al., 1983: Global distribution and southern hemispheric trends of atmospheric CCl₃F. Nature, 302:692–695.

Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), 2006: Lignes directrices 2006 pour les inventaires nationaux de gaz à effet de serre. Élaborées par le Programme sur les inventaires nationaux de gaz à effet de serre (H.S. Eggleston, L. Buendia, K. Miwa, T. Ngara and K.Tanabe, eds). Hayama, Japon, Institut des stratégies environnementales mondiales.

———2010: Expert Meeting on Uncertainty and Validation of Emission Inventories (H.S. Eggleston, J. Baasansuren, K. Tanabe et N. Srivastava, éds.). Utrecht, Pays-Bas, 23–25 mars 2010.

———2019: Révision 2019 des Lignes directrices 2006 du GIEC pour les inventaires nationaux de gaz à effet de serre (publication anticipée, version acceptée par le GIEC).

Henne, S. et al., 2016: Validation of the Swiss methane emission inventory by atmospheric observations and inverse modelling. Atmospheric Chemistry and Physics, 16(6):3683–3710.

National Research Council, 2010: Verifying Greenhouse Gas Emissions: Methods to Support International Climate Agreements. Washington, DC, The National Academies Press.

Oney, B. et al., 2015: The CarboCount CH sites: Characterization of a dense greenhouse gas observation network. Atmospheric Chemistry and Physics, 15(19):11147–11164.

Organisation météorologique mondiale, 2018: Bulletin de l’OMM sur les gaz à effet de serre, N° 14, 22 novembre 2018, Genève.

Stanley, K. M. et al., 2018: Greenhouse gas measurements from a UK network of tall towers: technical description and first results. Atmospheric Measurement Techniques, 11(3):1437–1458.

Auteurs

Shamil Maksyutov, Institut national d’études environnementales, Japon

Dominik Brunner, Empa, l’Institut fédéral suisse de recherche et de technologie en sciences des matériaux

Alistair Manning, Service météorologique du Royaume-Uni

Paul Fraser, CSIRO (océans et atmosphère), Australie

Oksana Tarasova, Secrétariat de l’OMM

Claudia Volosciuk, Secrétariat de l’OMM