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Modélisation climatique du bassin méditerranéen : variabilité et scénarios de changement climatique Sous la direction de Michel CREPON (LODYC-LOCEAN) et.

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1 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

2 La mer Méditerranée Caractéristiques géographiques Mer Tyrrhénienne Golfe du Lion Mer dAlboran Méd. OuestMéd. Est Bassin Levantin Bassin Ionien Mer Adriatique Mer Egée Océan Atlantique

3 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 linfluence de nombreux processus climatiques

4 La mer Méditerranée Fonctionnement thermodynamique de la Méditerranée thermocline F chaleur = - 7 W/m 2 Détroit de Gibraltar (1 Sv) Eau atlantique eau chaude et peu salée Eau méditerranéenne eau froide et salée Mer Méditerranée F eau = - 1 m/an

5 Circulation ThermoHaline de la Méditerranée : MTHC WMDW LIW AW EMDW Wüst, 1961

6 Salinité Température 0-150m m 600-fond 0-fond Rixen et al Méditerranée, Variabilité interannuelle et tendances de la MTHC Mertens & Schott 1998 Golfe du Lion, convection 1987 (H = 2200m) 1972 (H = 800m) Température Salinité

7 Changement climatique (IPCC, 2001) IPCC, 2001 MED DJF JJA

8 Changement climatique (IPCC, 2001) IPCC, 2001 MED DJF JJA

9 Problématique scientifique cyclogénèse et dépressions en Méditerranée convection océanique profonde et circulation thermohaline Modélisation climatique du bassin méditerranéen

10 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 limpact du réchauffement climatique (XXIème siècle) ? cyclogénèse et dépressions en Méditerranée convection océanique profonde et circulation thermohaline Modélisation climatique du bassin méditerranéen

11 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

12 Modèle de Méditerranée –OPAMED8 Résolution : x ~ 1/8° ~ 10 km 43 niveaux verticaux Atlantique : relaxation 3D pour S et T –Forçages Flux quotidiens : flux deau, 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 : années des SST imposées à ARPEGE-Climat ARPEGE-Climat OM8-ARP

13 ARPEGE-Climat ARPEGE-Climat : 50 km ERA40 : 125 km

14 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

15 Validation : circulation de surface Hamad et al Millot, 1987 courant à 34 m de profondeur OM8-ARP

16 Validation climatique Profondeur de la couche de mélange OM8-ARP février, 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 DOrtenzio et al (résolution 1.5°)

17 Validation climatique Circulation thermohaline : Fonction de courant verticale Très bonne comparaison à Myers et Haines 2002 Détroit de Gibraltar Détroit de Sicile AW LIW EMDW -0.8 Sv 1.5 Sv1.2 Sv Moyen-Orient Détroit dOtrante 0.45 Sv 0.85 Sv EMDW ADW

18 Validation climatique Variabilité interannuelle de la profondeur maximale de la couche de mélange (Golfe du Lion) Autres études numériques : Castellari et al : 33% (bulk) Béranger et al : 33% (ECMWF) Béranger et al : 0% (ERA40) Somot 2005 : 0% (ERA40) 75% H cmo > 1000m In-situ MS98 modèle 1D MS98 OM8-ARP 70% 84% Source des données

19 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

20 Convection profonde Circulation thermohaline du bassin Ouest Flux de surface (hiver) stratification (novembre) NAO (hiver) Variabilité interannuelle de la convection profonde Golfe du Lion, formation de la WMDW

21 Convection profonde - Volume deau profonde, WMDW : 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 deau profondetaux de formation / max. de la H cmo

22 Taux de formation Max. de la fonction de courant (40°N, MOF) : 0.67 Courant 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)

23 Perte de flottabilité (DJF, m 2 /s 2 ) Flux en hiver Perte deau (mm/j) 0.86 Tension de vent (N/m 2 ) 0.84 la perte de flottabilité cumulée sur lhiver est positivement corrélée à la profondeur maximale de la couche de mélange Perte de flottabilité / Hcmo : C = 0.63 Perte de chaleur (W/m 2 ) 0.997

24 Tension de vent corr = corr = 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 nest pas corrélé avec les flux hivernaux dans le Golfe du Lion indice NAO perte de chaleur corr = -0.55

25 Convection profonde WMTHC Flux de surface (hiver) corrélation Variabilité interannuelle NAO (hiver) anti-corrélation

26 Stratification pré-hivernale IS : intégrale de stratification pré-hivernale (novembre) calculée pour les 1000 premiers mètres de locéan (Golfe du Lion) IS est équivalent à la quantité de flottabilité quil faut retirer à la colonne deau pour obtenir une convection à 1000 m de profondeur (m 2 /s 2 ) Flottabilité C = 0.63 Stratification C = Stratification (IS) et Flottabilité (B) - variables indépendantes - variabilités équivalentes ( = 0.16 et 0.17 m 2 /s 2 ) - IS et B expliquent 60% de la variance de la profondeur maximale de la couche de mélange

27 Convection profonde WMTHC Flux de surface (hiver) corrélation Variabilité interannuelle NAO (hiver) anti-corrélation Stratification (novembre) anti-corrélation

28 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

29 Méthodologie Scénario IPCC-A2 Simulation transitoire : 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 dun AOGCM SCENARIO CONTRÔLE temps On répète les années : ARPEGE + obs ARPEGE + obs ARPEGE + obs + ano Scénario A2

30 Evolution des forçages E-P-R ( ) - 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 ( ) - CTRL : perte de 6.2 W/m 2 - SCEN : perte de 1.8 W/m 2 SCEN CTRL

31 Température de surface Moyenne sur SCEN - CTRL : +2.5°C Spatialement homogène (lié au terme de rappel en SST) CTRL CTRL SCEN A

32 Salinité de surface SCEN - CTRL Moy. sur Méditerranée : psu Bassin Ouest : psu Mer Adriatique : psu Mer Egée : psu CTRL CTRL SCEN A

33 Profondeur de couche de mélange en hiver CTRL CTRL SCEN A Diminution modulée par limpact sur le débit des fleuves Diminution de lintensité de la convection hivernale (effet SST > effet SSS)

34 ScénarioContrôle Circulation thermohaline Détroit de Gibraltar Détroit de Sicile MTHC : moins intense et peu profonde Absence de ventilation sous 1000 m 1.5 Sv1.3 Sv -0.5 Sv -0.2 Sv Somot et al. 2006, Climate Dynamics Fonction de courant verticale

35 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

36 Intérêt du couplage océan-atmosphère régional -Les limites de lapproche océanique « forcée » dans le cadre dun scénario de changement climatique Absence de rétroaction SST / atmosphère Contraintes liées au rappel en SST –données provenant dun AOGCM (basse résolution) –homogénéité spatiale de la réponse en SST : +2.5°C -Apports dun couplage interactif : Mieux représenter les rétroactions océan-atmosphère Supprimer le terme de rappel en SST

37 Développement dun 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 deau, flux de chaleur, tension de vent, SST OPAMED8 ARPEGE-Climat SST ARPEGE-Climat OM8-ARP CAM

38 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

39 Validation : couplé vs forcé donnéesobservationsERA40 40 ans ECMWF ARP-Cli 39 ans OM8-ARP 39 ans CAM 38 ans chaleur (W/m 2 ) -7 3 Béthoux, (4.3) (6.0) (10.8) -5.9 (6.4) -7.1 (5.0) E-P (m/an) 0.6 à 1.5 Boukthir, Barnier, (0.04) 0.8 (0.07) 0.9 (0.07) 0.8 (0.06) Rappel en SSTSans rappel Flux océan-atmosphère à léchelle 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

40 OM8-ARP CAM Validation : couplé vs forcé Convection et circulation thermohaline à léchelle 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

41 Variabilité : couplé vs forcé Convection dans le golfe du Lion 0.5 (0.5) Sv 0.1 (0.2) Sv taux de formation Le modèle couplé simule une convection profonde et une WMTHC significativement moins intense et moins variable OM8-ARPCAM 1000 m Prof. max. Hcmo Source des données In-situ MS98 modèle 1D MS98 OM8-ARP CAM H cmo > 1000m75%70%84%40%

42 Variabilité : couplé vs forcé Convection 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

43 Convection profonde WMTHC Flux de surface (hiver) corrélation Stratification (novembre) anti-corrélation Variabilité : couplé vs forcé

44 Convection dans le golfe du Lion : Rétroaction « stratification – convection » convection - hiver H CAM : stratification - hiver H+1 La convection de lhiver est anti-corrélée avec la stratification de lhiver suivant Variabilité : couplé vs forcé

45 Convection profonde WMTHC Flux de surface (hiver) corrélation Stratification (novembre) anti-corrélation Hiver H+1 Hiver H Stratification (novembre) RETROACTION POSITIVE Convection profonde RETROACTION NEGATIVE Flux de surface (hiver) SST Méd. Variabilité : couplé vs forcé

46 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

47 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 limpact du réchauffement climatique

48 Perspectives Représenter la circulation thermohaline en Méditerranée Analyser et comprendre sa variabilité interannuelle Simuler limpact 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 lAtlantique –Scénario en mode couplé régional : actuellement au 21 juillet 2028


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