Modélisation climatique du bassin méditerranéen : variabilité et scénarios de changement climatique

(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

d’Alboran

Méd. Ouest Méd. 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 l’influence de nombreux processus climatiques

(4)

La mer Méditerranée

Fonctionnement thermodynamique de la Méditerranée

thermocline

F_chaleur = - 7 W/m² 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

150-600m

600-fond

0-fond

Rixen et al. 2005 Méditerranée, 1950-2000

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 l’impact 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 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-Climat 1960-1999

1990 2000 1980

1960 1970

OM8-ARP 1960-1999

(13)

ARPEGE-Climat

^A^R_P

EGE-Climat : 50 kmERA40 : 125 km

(14)

Plan de la présentation

• Introduction

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

• Etude avec un modèle régional couplé océan-atmosphère

• Conclusions et perspectives

(15)

Validation : circulation de surface

Hamad et al. 2002

Millot, 1987

courant à 34 m de profondeur OM8-ARP

1961-1999

(16)

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

(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 Sv 1.2 Sv

Moyen-Orient Détroit d’Otrante

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. 2000 : 33% (bulk)

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

H_cmo > 1000m 75%

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

• Etude avec un modèle régional couplé océan-atmosphère

• 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 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 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, 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

(24)

Tension de vent corr = -0.51 corr = -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

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 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)







m h

dh h h N

IS

1000

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

(27)

Convection profonde

(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

• Etude avec un modèle régional couplé océan-atmosphère

• Conclusions et perspectives

(29)

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 CONTRÔL

E

2070 2099

1960 1980 2000

temps

2099 2070

1960 1980 2000

On répète les années1960-1980 :

^ARPEGE

+ obs

ARPEGE

+ obs

^ARPEGE

+ obs + ano

Scénario A2

(30)

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/m

²

- SCEN : perte de 1.8 W/m

²

SCEN

CTRL

(31)

Température de surface

Moyenne sur 2070-2099 SCEN - CTRL : +2.5°C Spatialement homogène (lié au terme de rappel

en SST)

CTRL

1970-1999

CTRL

2070-2099

SCEN A2

2070-2099

(32)

Salinité de surface

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

CTRL

1970-1999

CTRL

2070-2099

SCEN A2

2070-2099

(33)

Profondeur de couche de mélange en hiver

CTRL

1970-1999

CTRL

2070-2099

SCEN A2 2070-2099

Diminution modulée par

l’impact sur le débit des fleuves

Diminution de l’intensité de la convection hivernale

(effet SST > effet SSS)

(34)

Scénario Contrôle

Circulation thermohaline

Détroit de Gibraltar Détroit de Sicile

 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

(35)

Plan de la présentation

• Introduction

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

• Etude avec un modèle régional couplé océan-atmosphère

• Conclusions et perspectives

(36)

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

(37)

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-Climat 1960-1999

1990 2000 1980

1960 1970

OM8-ARP 1960-1999

CAM 1960-1998

(38)

Plan de la présentation

• Introduction

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

• Etude avec un modèle régional couplé océan-atmosphère

• Conclusions et perspectives

(39)

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  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)

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

(40)

OM8-ARP

CAM

Validation : couplé vs forcé

Convection 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

(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-ARP CAM

1000 m

Prof. max. Hcmo

Source des

données In-situ

MS98 modèle 1D

MS98 OM8-ARP CAM

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

(42)

Variabilité : couplé vs forcé

Convection dans le golfe du Lion :

Relation flux de flottabilité, stratification, convection profonde OM8-ARP

CAM

- Le modèle couplé se comporte comme le modèle forcé

- IS et B expliquent 60% de la variance de Hcmo

(43)

Convection profonde

(hiver)

corrélation

anti-corrélation

Variabilité : couplé vs forcé

(44)

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

convection - hiver H

CAM : -0.47

st ra tif ic a tio n - hi ve r H + 1

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

Variabilité : couplé vs forcé

(45)

Convection profonde

(hiver) corrélation

anti-corrélation

Hiver H+1 Hiver H

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

• Etude avec un modèle régional couplé océan-atmosphère

• 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 l’impact du réchauffement climatique

(48)

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