Sous la direction de Michel CREPON (LODYC-LOCEAN) et Michel DEQUE (CNRM)
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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
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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
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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
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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
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Circulation ThermoHaline de la Méditerranée : MTHC
WMDW LIWAW EMDW
Wüst, 1961
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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
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Changement climatique (IPCC, 2001)IPCC, 2001
MED
DJF
JJA
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Changement climatique (IPCC, 2001)IPCC, 2001
MED
DJF
JJA
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Problématique scientifique
cyclogénèse et dépressions en Méditerranée
convection océanique profonde et circulation
thermohaline
Modélisation climatique du bassin méditerranéen
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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
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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
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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
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ARPEGE-Climat AR
PE
GE
-Clim
at : 50 kmE
RA
40 : 125 km
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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
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Validation : circulation de surface
Hamad et al. 2002
Millot, 1987
courant à 34 m de profondeur
OM8-ARP1961-1999
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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Convection profonde
WMTHC
Flux de surface (hiver)
corrélation
Variabilité interannuelleNAO
(hiver)
anti-corrélation
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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
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Convection profonde
WMTHC
Flux de surface (hiver)
corrélation
Variabilité interannuelleNAO
(hiver)
anti-corrélation
Stratification(novembre)
anti-corrélation
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
![Page 39: Sous la direction de Michel CREPON (LODYC-LOCEAN) et Michel DEQUE (CNRM)](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062423/568149f8550346895db72c02/html5/thumbnails/39.jpg)
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
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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
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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%
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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
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Convection profonde
WMTHC
Flux de surface (hiver)
corrélation
Stratification(novembre)
anti-corrélation
Variabilité : couplé vs forcé
![Page 44: Sous la direction de Michel CREPON (LODYC-LOCEAN) et Michel DEQUE (CNRM)](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062423/568149f8550346895db72c02/html5/thumbnails/44.jpg)
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
Variabilité : couplé vs forcé
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Convection profonde
WMTHC
Flux de surface (hiver)
corrélation
Stratification(novembre)
anti-corrélation
Hiver H+1Hiver H
Stratification(novembre)
RETROACTION POSITIVE
Convection profonde
RETROACTION NEGATIVE
Flux de surface (hiver)
SST Méd.
Variabilité : couplé vs forcé
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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
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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
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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