On peut distinguer plusieurs sources d’incertitudes. La première et la plus importante provient de notre ignorance des émissions futures de gaz à effet de serre. Les climatologues simulent donc l’évolution du climat selon différents scénarios d’émission de gaz à effet de serre. La seconde incertitude provient des différences entre les modèles numériques utilisés par les équipes d’une quinzaine de pays capables de les concevoir et possédant les supercalculateurs nécessaires à leur utilisation.
Afin de produire des simulations comparables, les climatologues des différents pays utilisent les mêmes scénarios d’émissions de gaz à effet de serre (RCP pour representative concentration pathways en anglais), fondés sur des projections démographiques, économiques, technologiques et de choix de politiques climatiques. Ils aboutissent à différentes évolutions possibles de la concentration en gaz à effet de serre tout au long du siècle. Dans le jargon des climatologues, le scénario le plus pessimiste porte le mystérieux nom de RCP 8,5 ; 8,5 caractérisant la variation d’énergie associée à chaque scénario au sommet de l’atmosphère, exprimée en W/m2. Pour le rapport 2014 du GIEC, quatre scénarios aboutissant à la fin du siècle à des teneurs atmosphériques de 490 ppm , 660 ppm , 850 ppm et 1370 ppm ont été utilisés. Le premier, très optimiste, suppose une baisse immédiate, rapide et continue de nos émissions. Le dernier, une sorte de business as usual, ne fait que prolonger jusqu’en 2100 la trajectoire actuelle des émissions.
Par ailleurs, pour un même scénario, les modèles produisent des résultats différents pour la fin du siècle. Pour le scénario RCP 8,5, l’augmentation de la température moyenne planétaire est de 2,6 °C à 4,8 °C par rapport à la période climatique 1980-2005 (donc jusqu’à près de 5,4 °C de plus que le niveau préindustriel) et la remontée du niveau marin de 50 centimètres à 1 mètre. Ces différences sont de mieux en mieux comprises et tiennent en grande partie à la réponse des nuages dans les modèles. Ceux-ci ont deux effets antagonistes sur le bilan radiatif et donc sur les températures. Pour simplifier, les nuages fins à haute altitude, ou cirrus, produisent un effet de serre et réchauffent l’atmosphère tandis que les nuages de plus basse altitude comme les stratocumulus et stratus ont un fort effet « parasol », ils réfléchissent le rayonnement solaire et refroidissent donc l’atmosphère. Or, les processus qui régissent la physique des nuages sont de très petite échelle et ne sont pas explicités dans nos modèles, même pour ceux dont la dimension des mailles est de quelques dizaines de kilomètres. Heureusement, grâce à de nombreuses mesures, notamment satellitaires, on peut décrire leurs comportements par des formules empiriques bien calibrées sur le climat actuel. La modélisation de ces objets et leur variation avec le changement climatique expliquent une partie importante de cette seconde source d’incertitude.
Enfin, une dernière source d’incertitude est liée à la variabilité naturelle du climat lui-même. D’une année à l’autre, ou d’une saison à l’autre, on ne subit pas exactement le même climat. Les années où El Niño se produit sont plus chaudes et les précipitations changent alors radicalement dans certaines zones de la planète. Ces variations sont reproduites par les modèles en termes d’« enveloppe », afin d’en explorer les limites, mais il reste difficile de simuler l’évolution de la variabilité interannuelle au cours du siècle.
