modélisation climatique du bassin méditerranéen : variabilité et scénarios de changement...

Modélisation climatique du bassin méditerranéen :

variabilité et scénarios de changement climatique

Sous la direction de Michel CREPON (LODYC-LOCEAN) et Michel DEQUE (CNRM)

Thèse présentée par Samuel Somot

La mer Méditerranée

Caractéristiques géographiques

Mer Tyrrhénienne

Golfe du Lion

Mer d’Alboran

Méd. Ouest Méd. Est

Bassin Levantin

Bassin Ionien

Mer Adriatique

Mer Egée

Océan Atlantique

La mer Méditerranée

… régionaux– Reliefs nombreux et complexes– Vents régionaux (Mistral, Tramontane,

Bora, Etésiens, Sirocco)– Dépressions méditerranéennes – Contraste terre-mer

… et globaux– Influence NAO– Interaction mousson indienne,

africaine– Jet subtropical, jet stream– Dépressions atlantiques– Cellule de Hadley Bolle, 2003

Sous l’influence de nombreux processus climatiques

La mer MéditerranéeFonctionnement thermodynamique de la Méditerranée

thermocline

Fchaleur = - 7 W/m2

Détroit de Gibraltar (1 Sv)Eau atlantiqueeau chaude et peu salée

Eau méditerranéenne eau froide et salée

Mer Méditerranée

Feau = - 1 m/an

Circulation ThermoHaline de la Méditerranée : MTHC

WMDW LIWAW EMDW

Wüst, 1961

SalinitéTempérature

0-150m

150-600m

600-fond

0-fond

Rixen et al. 2005Méditerranée, 1950-2000

Variabilité interannuelle et tendances de la MTHC

Mertens & Schott 1998Golfe du Lion, convection

1987 (H = 2200m)

1972 (H = 800m)

Te

mp

éra

ture

Salinité

Changement climatique (IPCC, 2001)IPCC, 2001

MED

DJF

JJA

Problématique scientifique

cyclogénèse et dépressions en Méditerranée

convection océanique profonde et circulation

thermohaline

Modélisation climatique du bassin méditerranéen

Problématique scientifique

1. Peut-on représenter la convection profonde et la circulation thermohaline en Méditerranée ?

2. Peut-on analyser et comprendre leur variabilité interannuelle ?

3. Peut-on simuler leur évolution sous l’impact du réchauffement climatique (XXIème siècle) ?

cyclogénèse et dépressions en Méditerranée

convection océanique profonde et circulation

thermohaline

Modélisation climatique du bassin méditerranéen

Plan de la présentation

• Introduction

• Etude de la convection profonde et de la circulation thermohaline (MTHC) avec un modèle océanique forcé

– Présentation du modèle– Validation en moyenne– Variabilité interannuelle (Méd. Ouest)– Impact du réchauffement climatique

• Etude avec un modèle régional couplé océan-atmosphère

– Intérêt du couplage et présentation du modèle– Différences modèle couplé / modèle forcé

• Conclusions et perspectives

Modèle de Méditerranée– OPAMED8

• Résolution : x ~ 1/8° ~ 10 km • 43 niveaux verticaux• Atlantique : relaxation 3D pour S et T

– Forçages• Flux quotidiens : flux d’eau, flux de chaleur et tension de vent• Rappel SST ( = -40 W.m-2.K-1, SST observées)• Données : ARPEGE-Climat (modèle de climat régional, 50 km) • Fleuves, Mer Noire (climatologies mensuelles)• Pas de rappel en sel

– Initialisation et simulation• C.I. : MedAtlas-II • 20 ans de spin-up• OM8-ARP : 40 ans• 1960-1999 : années des SST imposées à ARPEGE-Climat

ARPEGE-Climat1960-1999

2000199019801960 1970

OM8-ARP1960-1999

ARPEGE-Climat AR

PE

GE

-Clim

at : 50 kmE

RA

40 : 125 km


• Introduction






Validation : circulation de surface

Hamad et al. 2002

Millot, 1987

courant à 34 m de profondeur

OM8-ARP1961-1999

Validation climatique Profondeur de la couche de mélange

OM8-ARP février, 1961-1999

OM8-ARP : 1040 m (février)Clim : 960 m (mars)

Golfe du Lion

Mer Egée

OM8-ARP : 380 m (février)Clim : 260 m (janvier)

Mer Adriatique

OM8-ARP : 460 m (février)Clim : 380 m (février)

Bassin Levantin

OM8-ARP : 360 m (février)Clim : 360 m (janvier)

Climatologie de D’Ortenzio et al. 2005 (résolution 1.5°)

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Validation climatique Circulation thermohaline : Fonction de courant verticale

Très bonne comparaison à Myers et Haines 2002

Détr

oit

de G

ibra

ltar

Détr

oit

de S

icile

AWLIW

EMDW

-0.8 Sv

1.5 Sv 1.2 Sv

Moyen

-Ori

en

t

Détr

oit

d’O

tran

te

0.45 Sv

0.85 Sv

EMDW

ADW

Validation climatique Variabilité interannuelle de la profondeur maximale de la

couche de mélange (Golfe du Lion)

Autres études numériques :

Castellari et al. 2000 : 33% (bulk)Béranger et al. 2005 : 33% (ECMWF)Béranger et al. 2005 : 0% (ERA40)Somot 2005 : 0% (ERA40)

75%Hcmo > 1000m

In-situ MS98

modèle 1D MS98

OM8-ARP

70% 84%

Source des données


• Introduction






Convection profonde

Circulation thermohaline du

bassin Ouest

Flux de surface (hiver)

stratification (novembre)

NAO(hiver)

Variabilité interannuelle de la convection profondeGolfe du Lion, formation de la WMDW

Convection profonde

- Volume d’eau profonde, WMDW : 29.08 kg.m-3

- Calcul du taux de formation annuel : 0.5 Sv ( = 0.5 Sv)(Castellari et al. 2000, Myers et Haines 2002 : 0.2 Sv)

- Corrélation significative avec la profondeur maximale de la couche de mélange (C = 0.61)

Volume d’eau profonde taux de formation / max. de la Hcmo

Taux de formationMax. de la fonction de courant (40°N, MOF) : 0.67Courant Liguro-Provençal (mars) : 0.60

Circulation thermohaline de la Méditerranée Ouest

La variabilité interannuelle de la convection profonde pilote celle de la circulation thermohaline(Crépon et Barnier, 1989)

Perte de flottabilité (DJF, m2/s2)

Flux en hiver

Perte d’eau (mm/j)0.86

Tension de vent (N/m2)0.84

la perte de flottabilité cumulée sur l’hiver est positivement corrélée à la profondeur maximale de la couche de mélange

Perte de flottabilité / Hcmo : C = 0.63

Perte de chaleur (W/m2)0.997

Te

ns

ion

de

ve

nt corr = -0.51corr = -0.40

indice NAO

Téléconnexions (hiver)

- Les hivers NAO- entraînent des flux importants

- Confirmation de la littérature (Vignudelli et al 1999, Rixen et al 2005)

- El-Niño n’est pas corrélé avec les flux hivernaux dans le Golfe du Lion

indice NAO

pe

rte

de

ch

ale

ur corr = -0.55

Convection profonde

WMTHC


corrélation

Variabilité interannuelleNAO

(hiver)

anti-corrélation

Stratification pré-hivernale

IS : intégrale de stratification pré-hivernale (novembre) calculée pour les 1000 premiers mètres de l’océan (Golfe du Lion)

IS est équivalent à la quantité de flottabilité qu’il faut retirer à la colonne d’eau pour obtenir une convection à 1000 m de profondeur (m2/s2)

mh

dhhhNIS1000

0

2 .).(

Flottabilité C = 0.63

Stratification C = -0.43

Stratification (IS) et Flottabilité (B)- variables indépendantes- variabilités équivalentes ( = 0.16 et 0.17 m2/s2) - IS et B expliquent 60% de la variance de la profondeur maximale de la couche de mélange

Convection profonde

WMTHC


corrélation

Variabilité interannuelleNAO

(hiver)

anti-corrélation

Stratification(novembre)

anti-corrélation


• Introduction






Méthodologie• Scénario IPCC-A2 • Simulation transitoire : 1960-2099• Simulation de contrôle : même durée• flux air-mer : ARPEGE-Climat zoomé (scénario A2)• fleuves, mer Noire : anomalies ARPEGE-Climat zoomé• Atlantique, rappel en SST : anomalies issues d’un AOGCM

SCENARIO

CONTRÔLE

209920701960 1980 2000 temps

209920701960 1980 2000

On répète les années1960-1980 : ARPEGE + obs

ARPEGE + obs ARPEGE + obs + ano

Scénario A2

Evolution des forçages

E-P-R (2070-2099)- CTRL : perte de 0.7 m/an- SCEN : perte de 0.9 m/an

Eva-Pre-Rui (mm/j) Flux de chaleur (W.m-2)

Flux de chaleur (2070-2099)- CTRL : perte de 6.2 W/m2

- SCEN : perte de 1.8 W/m2

SCEN

CTRL

Température de surface

Moyenne sur 2070-2099SCEN - CTRL : +2.5°C

Spatialement homogène(lié au terme de rappel

en SST)

CTRL1970-1999

CTRL2070-2099

SCEN A22070-2099

Salinité de surface

SCEN - CTRL Moy. sur 2070-2099

Méditerranée : +0.33 psuBassin Ouest : +0.23 psu Mer Adriatique : +0.61 psuMer Egée : +0.70 psu

CTRL1970-1999

CTRL2070-2099

SCEN A22070-2099

Profondeur de couche de mélange en hiver

CTRL1970-1999

CTRL2070-2099

SCEN A22070-2099

Diminution modulée par

l’impact sur le débit des fleuves

Diminution de l’intensité de la

convection hivernale(effet SST > effet SSS)

ScénarioContrôle

Circulation thermohalineD

étr

oit

de G

ibra

ltar

Détr

oit

de S

icile

MTHC : moins intense et peu profonde Absence de ventilation sous 1000 m

1.5 Sv 1.3 Sv

-0.5 Sv -0.2 Sv

Somot et al. 2006, Climate Dynamics

Fonction de courant verticale


• Introduction






Intérêt du couplage océan-atmosphère régional

- Les limites de l’approche océanique « forcée » dans le cadre d’un scénario de changement climatique

• Absence de rétroaction SST / atmosphère

• Contraintes liées au rappel en SST– données provenant d’un AOGCM (basse résolution)– homogénéité spatiale de la réponse en SST : +2.5°C

- Apports d’un couplage interactif :

• Mieux représenter les rétroactions océan-atmosphère

• Supprimer le terme de rappel en SST

Développement d’un AORCM• SAMM: “Sea-Atmosphere Mediterranean Model”

• Principe : – Couplage sur la mer Méditerranée– Pas de rappel ni de correction en surface– En dehors de la Méditerranée : SST imposées

• Flux échangés quotidiennement– flux d’eau, flux de chaleur, tension de vent, SST

OPAMED8

ARPEGE-Climat

SST SST

ARPEGE-Climat1960-1999

2000199019801960 1970

OM8-ARP1960-1999

CAM1960-1998


• Introduction






Validation : couplé vs forcé

données observations ERA40

40 ans

ECMWF

1999-03

ARP-Cli

39 ans

OM8-ARP

39 ans

CAM

38 ans

chaleur (W/m2)

-7 3Béthoux, 1979

-12.3 (4.3)

-29.7 (6.0)

-34.3 (10.8)

-5.9 (6.4)

-7.1 (5.0)

E-P (m/an) 0.6 à 1.5Boukthir, Barnier, 2000

0.7 (0.04)

0.8 (0.07)

0.9 (0.07)

0.9 (0.07)

0.8 (0.06)

Rappel en SST Sans rappel

Flux océan-atmosphère à l’échelle du bassin moyenne annuelle (écart-type)

Accord avec les observations sans aucun rappel

Variabilité interannuelle plus faible

Résultats identiques - tension de vent, rotationnel- différents sous-bassins

OM8-ARP

CAM

CAM

Validation : couplé vs forcéConvection et circulation thermohaline à l’échelle du bassin

Le modèle couplé simule une MTHC réaliste et moins intense que le modèle forcé

OM8-ARP

1.5 Sv

1.4 Sv

-0.8 Sv

-0.5 Sv

Variabilité : couplé vs forcéConvection dans le golfe du Lion

0.5 (0.5) Sv0.1 (0.2) Sv

taux

de

form

atio

n

Le modèle couplé simule une convection profonde et une WMTHC significativement moins intense et moins variable

OM8-ARP CAM

1000 m

Pro

f . m

ax.

Hcm

o

Source des données

In-situ MS98

modèle 1D MS98 OM8-ARP CAM

Hcmo > 1000m 75% 70% 84% 40%

Variabilité : couplé vs forcéConvection dans le golfe du Lion :

Relation flux de flottabilité, stratification, convection profonde

OM8-ARPCAM

- Le modèle couplé se comporte comme le modèle forcé- IS et B expliquent 60% de la variance de Hcmo

Convection profonde

WMTHC


corrélation


anti-corrélation

Variabilité : couplé vs forcé

Convection dans le golfe du Lion :Rétroaction « stratification – convection »

convection - hiver H

CAM : -0.47

stra

tific

atio

n -

hive

r H

+1

La convection de l’hiver est anti-corrélée avec la stratification de l’hiver suivant


Convection profonde

WMTHC


corrélation


anti-corrélation

Hiver H+1Hiver H


RETROACTION POSITIVE

Convection profonde

RETROACTION NEGATIVE


SST Méd.



• Introduction






Conclusions

– MTHC réaliste et stable– Biais froid– Couplage régional : MTHC moins intense

– Outils numériques adaptés– Meilleures quantification et compréhension– Problème de validation– Couplage régional : MTHC moins variable

– Un premier scénario– Des incertitudes – Couplage régional : mise en place du modèle couplé régional

• Représenter la circulation thermohaline en Méditerranée

• Analyser et comprendre sa variabilité interannuelle

• Simuler l’impact du réchauffement climatique

Perspectives

• Représenter la circulation thermohaline en Méditerranée

• Analyser et comprendre sa variabilité interannuelle

• Simuler l’impact du réchauffement climatique

– Améliorations des modèles – ARPEGE-Climat version 4 et NEMO– Calcul des flux air-mer

– Tests de sensibilité pour valider les rétroactions– Analyse des autres zones de convection profonde– Plus de données– Modèles régionaux pilotés par ERA40

– Evaluer les incertitudes – Impact sur la biogéochimie en Méditerranée– Impact sur l’Atlantique– Scénario en mode couplé régional : actuellement au 21 juillet 2028

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