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intrasaisonnière estivale de l’atmosphère dans la région Nord Atlantique Europe
Virginie Guemas
To cite this version:
Virginie Guemas. Rôle de la surface marine sur la variabilité intrasaisonnière estivale de l’atmosphère dans la région Nord Atlantique Europe. Océan, Atmosphère. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2009. Français. �tel-00451936�
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Avant tout, je tiens àprésenter toute ma gratitude à David Salas, qui m'a permis de
vivre l'expériene très enrihissante que fut ette thèse. Je lui suis très reonnaissante
de m'avoir oert l'opportunité de travailler sur un projet aussi novateur et aptivant,
et de m'avoir aordé toute la onane néessaire à mon épanouissement sientique.
Je tiens également à remerier haleureusement Masa Kageyama pour sa disponibilité à
toute épreuve (mêmeaux heures lesplus tardivesà la veille de rendre e manusrit), ses
enouragementsettouteslesdisussions animéesquiontfaitfrutiere travaildethèse.
Sonénergieetsonenthousiasmeontétéun atoutonsidérabledanslesmomentsde doute.
Je voudrais également, tout partiulièrement, les remerier tous deux ainsi que Pasale
Deleluse, Serge Planton, Hervé Giordani, et Joel Poitevin pour le soutien qu'ils m'ont
aordéetlesonseilsprodiguésen etten dethèsediile.Jetiensaussiàexprimerma
gratitude à mes deux rapporteurs Eri Guilyardi et Hervé LeTreut pour avoir onsidéré
mon travail ave attention etproposé de nombreuses pistes pour en améliorerlaqualité.
Mes vifs remeriements s'adressent également à tous eux quiont pris part àmes ré-
exions sientiques, et quipar lesdisussions quenous avons entretenues ont ontribué
à e travail, en partiulier à Aurore Voldoire, Clotilde Dubois, Hervé Giordani, Samuel
Somot, Gilles Bellon, Aurélien Ribes, Hervé Douville, Christophe Cassou ... Une pensée
également à eux qui m'ont aidé à aronter les réations hargneuses et déonertantes
de p sensibles : Sophie Tytea, toute l'équipe CTI, Jean-Philippe Piedelièvre et Julien
Bruna.
Je souhaite exprimer ma reonnaissane à tous eux qui ont également fait de ette
expériene au CNRM une aventure humaine : Clotilde pour sa générosité, Jeanne pour
ses onseilsetréexionstoujoursavisés, Bertrandpoursanesse, Samuelpourson oreille
attentive, Gilles pour son humour, Martin et Fabrie pour les aventures aériennes et la
bière qui lesaompagnent,Aurélien sans qui lesrepas perdraienttoute leur profondeur,
Anne-Sophie qui m'a évité bien des fois l'inanition,Yannik pour m'avoir fait déouvrir
les bruits étranges qu'il sait si bien produire, Emilia pour son rire élatant qui sonorise
tout un batiment, Marine pour son sourire et sa jovialité. Remeriements également à
tous les membres des équipes ASTER, VDR, MEMO et EAC pour leur aueil haleu-
reux etlaonvivialitédes momentspassésautourd'une tassede afé.Cettesympathieet
ettebonnehumeurm'ontpermisdefairedeettethèsetroisannéesagréablesetvivantes.
Enn,mesderniersmotsd'adressentàmonfrère,mesparentsetmesprohespourleur
soutienmoral, et leurs enouragements, pour avoir ru en moià tout instant, et surtout
pareque 'est leur amour qui me porte dans la réalisationde mes projets.
Ce travail de thèse vise à déterminer si le ouplage de l'atmosphère ave la surfae
marine joue un rle dans la variabilité intrasaisonnière estivale de la irulation atmo-
sphérique de grande éhelle et si la surfae marine peut être une soure de prévisibilité
potentiellepourl'atmosphèreàeséhellesdetemps.Unseondobjetifonsisteenl'ana-
lyse de l'impat de la représentation des proessus physiques dans l'oéan superiel, et
en partiulier l'impat des variations diurnes oéaniques, sur la représentation des tem-
pératures de surfae oéanique et sur la irulation atmosphérique de grande éhelle à
des éhelles de temps supérieures. Pour mener à bien es travaux, le modèle oéanique
1D CNRMOM1Daété développé: lehoixdes paramétrisationsutiliséesdanse modèle
vise à optimiserla représentation des proessus physiques dominant l'évolution des tem-
pératures de surfae oéaniqueaux éhelles de temps diurnes àintrasaisonnières.
Les résultats, obtenus à partir de simulations numériques eetuées ave le modèle
d'atmosphère ARPEGE-limat foré ou ouplé ave le modèle CNRMOM1D, suggèrent
que lesanomaliesde températures de surfae oéaniqueinduitespar la irulationatmo-
sphérique de grande éhelle exerent sur elle-i une rétroationnégative aux éhelles de
temps intrasaisonnières : le ouplage ave la surfae oéanique dans la région Nord At-
lantique Europe (NAE) diminue lenombre de jours de persistane des régimes de temps
estivauxde DépressionAtlantique, de BloageetdeNAO−d'environ1jourequirepré-
sente15%de leurpersistanemoyenne,ettediminutionétant variableselonlerégimede
temps.
A partir de simulationsforées du modèle CNRMOM1D, onmontre quelaorretion
en SST liéeàlapriseen omptedes variationsdiurnesoéaniquespeut atteindre environ
0.3°C à 0.5°C en moyenne journalière. Cette anomalie peut persister 15 à 40 jours dans
les moyennes latitudes, plus de 60 dans les Tropiques. De plus, à partir de simulations
ouplées ave le modèle ARPEGE-limat, on montre que la variabilitédiurne oéanique
peut aeter l'état moyen estival par une diminution du gradient méridiende SST, une
diminutiondel'extensiondelaglaedemer,uneanomaliedeirulationatmosphériquede
grandeéhellequiseprojettesurunephasepositivede laNAOainsiquedesmodiations
de la ouverture nuageuse et des prols d'humidité atmosphérique. Ce travail montre
les améliorations potentielles, en termes d'états moyens oéanique et atmosphérique et
en termes de variabilité intrasaisonnière, que peuvent apporter un ouplage à fréquene
horaire et l'utilisation d'un modèle de irulation générale oéanique à haute résolution
vertiale dans lessimulations ouplées oéan-atmosphère.
1 Introdution 7
1.1 Le limat: état moyen et variabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Variabilitéetprévisibilité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Lavariabilitéatmosphériqueet ses éhelles temporelles . . . . . . . . . . . 10
1.3.1 Variabilitéinterannuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.2 Le yle saisonnier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.3 Variabilitéintrasaisonnière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.4 Le yle diurne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4 Lavariabilitéoéanique etses éhelles temporelles . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.1 Variabilitéintrasaisonnièreà interannuelle . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.2 Le yle diurne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5 Lesinterations oéan-atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5.1 Ehelles de tempsintrasaisonnièreàinterannuelle . . . . . . . . . . 26
1.5.2 Impat potentiel du yle diurne oéanique sur les interations in- trasaisonnières entre l'oéan etl'atmosphère . . . . . . . . . . . . . 29
1.6 Objetifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2 Les outils numériques 37 2.1 Le modèled'atmosphère ARPEGE-limat . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.1 Desription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.2 Quelques élémentsde validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2 Desriptiondu modèle de ouhe de mélange oéanique CNRMOM1D . . . 39
2.2.1 LemodèleCNRMOM1D:hoixd'unmodèledediusionturbulente 1D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.2 Les proessus physiques représentés . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.3 Paramétrisation du mélangeturbulent . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.4 Paramétrisation de l'absorption solaire . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2.5 Couplage ave lemodèle de glae de mer GELATO3 . . . . . . . . 53
2.2.6 Corretion en haleur et en sel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.7 Les uxde surfae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2.8 Résolutiontemporelledu uxsolaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.2.9 Résolutionvertialedu modèle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.3 Validationdu modèle CNRMOM1D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.3.1 La simulationforée ERA1h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.3.2 Simulation oupléeC1h ave lemodèle ARPEGE-limat . . . . . . 79
Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
I Sensibilité des régimes de temps estivaux au ouplage ave la surfae marine 87 3 La surfae oéanique inuene-t-elle les aratéristiques des régimes de temps? 89 3.1 Impat du ouplage oéan-atmosphèredans larégion NAE sur lesrégimes de temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.1.1 Les expérienes utilisées: C1h etE-CTL . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.1.2 Comparaison des strutures des régimesde temps . . . . . . . . . . 91
3.1.3 Comparaison des fréquenes et persistanes des régimes . . . . . . . 99
3.1.4 Limites de l'étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.2 Impat des régimes de temps sur la surfae oéanique et rétroations sur la irulationatmosphérique : diagnostis en mode foré . . . . . . . . . . 105
3.2.1 Objetifset méthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.2.2 Artile :Summerinterationsbetween weatherregimesand surfae oean inthe North-Atlantiregion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.3 Champ d'anomaliesde SST assoiés aurégime de Bloage . . . . . 128
3.2.4 Disussion:représentationdelavariabilitéintrasaisonnièredesSST par lemodèle CNRMOM1D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.2.5 Complément d'artile : Nouvelles simulations atmosphériques for- ées du modèle ARPEGE-limat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.2.6 Synthèsedesrésultatsdesexpérienesoéaniquesetatmosphériques forées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.2.7 Disussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.3 Limites de l'étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.4 Relation ave les résultatsd'études antérieures . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4 Méanismede rétroationde la surfaemarine surlesrégimes detemps141 4.1 Par quel méanisme les anomalies de SST assoiées à haque régime de temps apparaissent-elles? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.2 Par quel méanisme es anomalies de SST peuvent-elles rétroagir sur les régimes de temps? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.2.1 Contexte bibliographique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.2.5 Limites de l'étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.3 Lesinterations entre régimesde temps etsurfaeoéaniquedans lasimu- lation oupléeC1h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.4 Comparaisonave lesrésultats d'autres études . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
II Impatdes variationsdiurnesoéaniquessur lespluslongues éhelles temporelles 179 5 Analysedesimulationsoéaniquesforées:impatdesvariationsdiurnes oéaniques sur la variabilité intrasaisonnière des températures de sur- fae 181 5.1 Objetifs etméthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.2 Artile: Impat ofthe oeandiurnalvariationsonthe intraseasonalvaria- bility of Sea Surfae Temperatures inthe Atlanti Oean . . . . . . . . . . 182
5.2.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.2.2 Model and simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.2.3 Modulation of the intraseasonal SST variability by the diurnal va- riability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.2.4 Mehanismbywhihdiurnalvariationsinwindstressandnonsolar heat ux an aet the daily mean SST. . . . . . . . . . . . . . . . 208
5.2.5 Disussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
5.2.6 Conlusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
5.2.7 Referenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
6 Analyse de simulations ouplées oéan-atmosphère : impat des varia- tions diurnes oéaniques sur les états moyens oéanique et atmosphé- rique 225 6.1 Méthodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6.2 Contexte bibliographique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
6.2.1 Impat du yle diurne de la surfae sur le prol d'humidité et la ouverture nuageuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
6.2.2 Impat du yle diurneoéaniquesur l'étatmoyen limatique . . . 228
6.3 Le gradientméridiend'amplitude du réhauement diurne . . . . . . . . . 229
6.4 Corretion en SST moyenne induitepar la variabilitédiurne oéanique . . 231
6.5 Anomaliesde tendane en SST induites par lavariabilitédiurneoéanique 233 6.6 Bilandes uxexpliquant lesanomaliesde tendane en MLTen maietjuin 235 6.6.1 Anomaliesde uxradiatifinfrarouge desendant . . . . . . . . . . . 236
6.6.2 Anomaliesde uxradiatifinfrarouge montant . . . . . . . . . . . . 236
6.6.3 Anomaliesde uxde haleur latenteetsensible . . . . . . . . . . . 238
6.6.4 Anomaliesde uxsolaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
6.6.5 Anomalies de ux de haleur à labase de laouhe de mélange . . 239
6.6.6 Bilan :Quelsfateurs sontresponsablesde l'apparitiondes anoma- lies de SST présentes pendant l'été boréal? . . . . . . . . . . . . . . 239
6.7 Fateurs responsablesdes anomaliesde uxradiatifinfrarouge desendant 239 6.8 Anomalies de ontenu en vapeur d'eau atmosphériqueet d'extension de la ouverture nuageuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.9 Initiation de la boule de rétroation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.10 De la SST àla irulation atmosphériquede grandeéhelle . . . . . . . . . 248
6.11 Bilan des ux expliquant les anomalies de tendane en SST à partir du mois d'août . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
6.12 Limites de l'étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
6.13 Disussion des résultats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Conlusion 261 Outils numériques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Sensibilité des régimes de temps estivauxau ouplage ave la surfae marine . . 262
Impat des variations diurnesoéaniquessur lesplus longues éhelles temporelles263 Synthèse générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Perspetives 267 A moyen terme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
A plus long terme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
Liste des aronymes 271
Table des gures 272
Liste des tableaux 284
A Un méanisme de variabilité interannuelle de la irulation thermoha-
line en Atlantique Nord dans un modèle ouplé global de irulation
générale 309
B Réponse au hangement limatique de la irulation thermohaline en
Atlantique Nord dans un modèle ouplé de irulation générale A-21
C Interations hivernales entre les aérosols et les régimes de temps dans
la région Nord Atlantique Europe B-15
