Modélisation climatique du bassin méditerranéen : variabilité et scénarios de changement climatique Bonjour, je vais présenter mes travaux de thèse Thèse présentée par Samuel Somot Sous la direction de Michel CREPON (LODYC-LOCEAN) et Michel DEQUE (CNRM)

Caractéristiques géographiques La mer Méditerranée Caractéristiques géographiques Méd. Ouest Méd. Est Mer Adriatique Golfe du Lion Océan Atlantique Mer Tyrrhénienne Mer Egée Bassin Ionien Découpée en 2 bassins et plusieurs sous-bassins Nombreux détroits Echanges avec l’océan Atlantique par le détroit de Gibraltar Echanges avec la mer Noire Traits de côtes complexes Iles, presqu’îles, … Mer d’Alboran Bassin Levantin

Sous l’influence de nombreux processus climatiques La mer Méditerranée Sous l’influence de nombreux processus climatiques … 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

Fonctionnement thermodynamique de la Méditerranée La mer Méditerranée Fonctionnement thermodynamique de la Méditerranée Fchaleur = - 7 W/m2 Feau = - 1 m/an Détroit de Gibraltar (1 Sv) Eau atlantique eau chaude et peu salée Eau méditerranéenne eau froide et salée thermocline Surface : perte d’eau et de chaleur Gibraltar : courant de surface chaud et peu salé et courant profond froid et salé Bilan Gibraltar : la Méditerranée importe de la chaleur et de l’eau Equilibre Gibraltar - flux de surface Circulation thermohaline anti-estuaire Différentes masses d’eau et au moins une zone de formation d’eau profonde Mer Méditerranée

Circulation ThermoHaline de la Méditerranée : MTHC WMDW EMDW AW LIW Decrire un peu mieux la formation de la WMDW Parler preconditionnement en novembre par le vortex cyclonique : piege des eaux, doming des isopycnes, LIW Parler des conditions hivernales Convection … approfondissement de la couche de mélange Phase d’export de l’eau nouvellement formée vers le reste du bassin Dire que la convection est le forçage de la circulation thermohaline Wüst, 1961

Variabilité interannuelle et tendances de la MTHC Mertens & Schott 1998 Golfe du Lion, convection Salinité Température 0-150m 150-600m 600-fond 0-fond Rixen et al. 2005 Méditerranée, 1950-2000 1987 (H = 2200m) 1972 (H = 800m) Bcp de variabilité a differentes echelles Interne ou forcé ? Température Salinité

Changement climatique (IPCC, 2001) MED DJF JJA Utiliser le mot assèchement Finir par quel est l’impact sur la convection profonde et la circulation thermoahline ?

Changement climatique (IPCC, 2001) MED DJF JJA Utiliser le mot assèchement Finir par quel est l’impact sur la convection profonde et la circulation thermohaline ?

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

Problématique scientifique Modélisation climatique du bassin méditerranéen convection océanique profonde et circulation thermohaline cyclogénèse et dépressions en Méditerranée Peut-on représenter la convection profonde et la circulation thermohaline en Méditerranée ? Peut-on analyser et comprendre leur variabilité interannuelle ? Peut-on simuler leur évolution sous l’impact du réchauffement climatique (XXIème siècle) ?

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 Expliquer pourquoi rappel en SST (rétroaction linéaire, couplage au 1er ordre) Et pourquoi pas de rappel en SSS 1960 1970 1980 1990 2000 ARPEGE-Climat 1960-1999 OM8-ARP 1960-1999

ARPEGE-Climat ARPEGE-Climat : 50 km ERA40 : 125 km Préciser qu’ARPEGE-Climat a sa propre chronologie ERA40 : 125 km

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

Validation : circulation de surface courant à 34 m de profondeur OM8-ARP 1961-1999 Millot, 1987 Ne décrire que les courants et dire en accord avec la littérature Hamad et al. 2002

Validation climatique Profondeur de la couche de mélange 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°) OM8-ARP février, 1961-1999 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Validation climatique Circulation thermohaline : Fonction de courant verticale AW LIW EMDW -0.8 Sv 1.5 Sv 1.2 Sv Détroit de Gibraltar Détroit de Sicile Détroit d’Otrante 0.45 Sv 0.85 Sv EMDW ADW Moyen-Orient Très bonne comparaison à Myers et Haines 2002

Validation climatique Variabilité interannuelle de la profondeur maximale de la couche de mélange (Golfe du Lion) Source des données In-situ MS98 modèle 1D MS98 OM8-ARP 75% 70% 84% Hcmo > 1000m 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)

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

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

Convection profonde Volume d’eau profonde, WMDW :   29.08 kg.m-3 taux de formation / max. de la Hcmo Corr pour CAM: 0.81 Taux de formation : pic a 2.2 Sv plus de 3 fois l’ecart-type … valeur extreme, peu probable … méthodologie forcée 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)

Circulation thermohaline de la Méditerranée Ouest La variabilité interannuelle de la convection profonde pilote celle de la circulation thermohaline (Crépon et Barnier, 1989) Export d’eau par le Sud (Sv, densité > 29.08) : 0.63 MOF : max a 40°N et en moyenne annuelle, LPC: transport en mars Dire que l’on a étudié le cycle saisonnier des anomalies … d’où la conclusion du pilotage Taux de formation Max. de la fonction de courant (40°N, MOF) : 0.67 Courant Liguro-Provençal (mars) : 0.60

Perte de chaleur (W/m2) 0.997 Flux en hiver 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 d’eau (mm/j) 0.86 Tension de vent (N/m2) 0.84 la perte de flottabilité est pilotée principalement par le flux de chaleur tous les flux sont en phase Perte de flottabilité (DJF, m2/s2)

Téléconnexions (hiver) corr = -0.40 corr = -0.55 corr = -0.51 perte de chaleur Tension de vent indice NAO indice NAO 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

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

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) 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 CAM: stratif : 1.06 m2/s2 /// flottabilité : 0.51 m2/s2 Trop … a simplifier en laissant seulement la definition de IS A refaire avec T26

Variabilité interannuelle NAO (hiver) anti-corrélation Flux de surface (hiver) corrélation Stratification (novembre) Convection profonde Donner les causes possibles de variation de la stratif anti-corrélation WMTHC

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 Faire une pause … bien insisté sur la transition

Méthodologie On répète les années1960-1980 : ARPEGE + obs 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 Scénario A2 ARPEGE + obs ARPEGE + obs + ano 2099 2070 1960 1980 2000 temps SCENARIO Ajouter : travail en mode anomalie Souligner run de contrôle / transitoire Souligner le problème de méthodologie pour le rappel CONTRÔLE 2099 2070 1960 1980 2000 On répète les années1960-1980 : ARPEGE + obs

Evolution des forçages 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 Souligner le probleme des incertitudes E-P-R (2070-2099) CTRL : perte de 0.7 m/an SCEN : perte de 0.9 m/an

Température de surface CTRL 1970-1999 CTRL 2070-2099 Souligner le problème du terme de rappel SCEN A2 2070-2099 Moyenne sur 2070-2099 SCEN - CTRL : +2.5°C Spatialement homogène (lié au terme de rappel en SST)

Salinité de surface CTRL 1970-1999 CTRL 2070-2099 SCEN A2 2070-2099 SCEN - CTRL Moy. sur 2070-2099 Méditerranée : +0.33 psu Bassin Ouest : +0.23 psu Mer Adriatique : +0.61 psu Mer Egée : +0.70 psu SCEN A2 2070-2099

Profondeur de couche de mélange en hiver CTRL 1970-1999 Diminution modulée par l’impact sur le débit des fleuves Diminution de l’intensité de la convection hivernale (effet SST > effet SSS) CTRL 2070-2099 Bien insister sur les 2 resultats SST effet > SSS Bassins avec fleuves : la convection est moins touchée SCEN A2 2070-2099

Circulation thermohaline Fonction de courant verticale Contrôle Scénario MTHC : moins intense et peu profonde Absence de ventilation sous 1000 m 1.5 Sv 1.3 Sv -0.5 Sv -0.2 Sv Détroit de Gibraltar Détroit de Sicile Somot et al. 2006, Climate Dynamics

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

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 Rester tres positif sur l’approche forcée et dire que c’est une amélioration De bons résultats en forcé mai sil manque des rétroactions … pour aller plus loin Ajout d’un de degres de liberté supplémentaires On a decidé de construire ce modele et d’évaluer les resultats Que peut-on en attendre ? Outils encore en développement … vers l’avenir 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 ARPEGE-Climat 1960-1999 2000 1990 1980 1960 1970 OM8-ARP CAM 1960-1998 OPAMED8 ARPEGE-Climat SST Les années-modèle de l’AORCM ne sont pas les mêmes que celles d’ARPEGE-Climat Modèles non comparables année par année Préciser qu’ARPEGE-Climat et CAM ont leur propre chronologie

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

Validation : couplé vs forcé Flux océan-atmosphère à l’échelle du bassin moyenne annuelle (écart-type) Rappel en SST Sans rappel données observations ERA40 40 ans ECMWF 1999-03 ARP-Cli 39 ans OM8-ARP CAM 38 ans chaleur (W/m2) -7  3 Béthoux, 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 1.5 Boukthir, Barnier, 2000 0.7 (0.04) 0.8 (0.07) 0.9 (0.07) 0.9 (0.07) 0.8 (0.06) Accord avec les observations sans aucun rappel Variabilité interannuelle plus faible Résultats identiques tension de vent, rotationnel différents sous-bassins Preciser écart-types entre parenthèses Concl: on reproduit sans le terme de rappel – bon comportement

Validation : couplé vs forcé Convection et circulation thermohaline à l’échelle du bassin 1.5 Sv OM8-ARP -0.8 Sv OM8-ARP 1.4 Sv CAM -0.5 Sv Concl: on reproduit, bon comportement mais il existe des différences CAM Le modèle couplé simule une MTHC réaliste et moins intense que le modèle forcé

Variabilité : couplé vs forcé Convection dans le golfe du Lion Source des données In-situ MS98 modèle 1D MS98 OM8-ARP CAM Hcmo > 1000m 75% 70% 84% 40% 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-ARP CAM 1000 m Prof. max. Hcmo Myers & Haines 2002 : 0.2 Sv Castellari et al. 2000 : 0.2 Sv

Variabilité : couplé vs forcé Convection dans le golfe du Lion : Relation flux de flottabilité, stratification, convection profonde CAM OM8-ARP Garder uniquement les courbes a 100% de convection - Le modèle couplé se comporte comme le modèle forcé - IS et B expliquent 60% de la variance de Hcmo

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

Variabilité : couplé vs forcé Convection dans le golfe du Lion : Rétroaction « stratification – convection » stratification - hiver H+1 Garder uniquement les courbes a 100% de convection CAM : -0.47 convection - hiver H La convection de l’hiver est anti-corrélée avec la stratification de l’hiver suivant

Variabilité : couplé vs forcé RETROACTION NEGATIVE Flux de surface (hiver) SST Méd. Flux de surface (hiver) corrélation Stratification (novembre) Convection profonde Stratification (novembre) RETROACTION POSITIVE Convection profonde Corrélation SST(A) – perte de chaleur (A+1) : -0.36 L’AORCM possède plus de rétroactions plus nettes L’AORCM possède des rétroactions négatives par la SST L’AORCM a donc logiquement une variabilité plus faible anti-corrélation Hiver H WMTHC Hiver H+1

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

Conclusions Représenter la circulation thermohaline en Méditerranée Analyser et comprendre sa variabilité interannuelle Simuler l’impact du réchauffement climatique 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 Peut-on simuler la circulation thermohaline méditerranéenne ? Oui … grâce au couple OPAMED8/ARPEGE-Climat (forcé et couplé) et sans rappel en sel MTHC : réaliste, stable même si il existe encore des biais (froid) Le couplé régional produit une circulation thermohaline moins intense Etudier la variabilité interannuelle ? Oui … meilleure quantification et compréhension de la variabilité interannuelle de la formation de la WMDW (couplé et forcé) Le modèle couplé possède plus de rétroactions et une variabilité interannuelle plus faible … plus réaliste ? Problème de validation : données, forçages non-chronologiques Simuler l’impact du réchauffement climatique ? Oui … premier scénario régional de mer Méditerranée Il reste beaucoup d’incertitudes (modèle, scénario, forçage) L’utilisation d’un modèle forcé est très limitante (SST de rappel)

Perspectives Représenter la circulation thermohaline en Méditerranée 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 Représenter la circulation thermohaline en Méditerranée Analyser et comprendre sa variabilité interannuelle Simuler l’impact du réchauffement climatique