Canicules et sécheresses en Méditerranée : contributions des processus couplés surface-atmosphère à méso-échelle

par Marc Alexandre Stéfanon

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Philippe Drobinski.

Soutenue en 2012

à Palaiseau, Ecole polytechnique .


  • Résumé

    Dans un contexte de réchauffement climatique où un été sur deux pourrait être similaire à l'été 2003, plusieurs études ont mis en lumière l'importance de la sécheresse et du couplage surface-atmosphère dans l'amplification et le maintien des fortes températures lors d'une canicule. Au cours de cette thèse j'ai développé une nouvelle méthode de classification des canicules d'après leurs structures spatiales dans la zone Euro-Méditerranée. Les méthodes de classification, généralement conçues pour classer un grand nombre d'évènements, ont été adaptés aux évènements rares en introduisant trois critères portant sur la température et l'extension spatio-temporelle de la vague de chaleur. Cette méthode a permis d'extraire six classes distinctes de canicules. Mon analyse de processus s'est focalisé par la suite sur l'une de ces classes localisé en Europe de l'ouest. Un ensemble d'expérinces numériques de sensibilité a permis de mettre en évidence la contribution du déficit hydrique du sol sur l'amplitude des canicules. Différents comportements sont observés, en plaine la température dans la couche limite atmosphérique est largement contrôlé par la convection à l'échelle locale. Sur les zones côtières et montagneuses, les circulations de méso-échelle de type vent de pente et brises de mer contribuent à atténuer considérablement la canicule en favorisant l'advection d'air frais et humide et la formation de précipitations. L'effet de la végétation sur l'amplitude des canicules a par la suite été analysé. Pour ce faire, j'ai développé des outils de modélisation couplant dynamique atmosphérique et dynamique de la végétation qui ont permis de mieux comprendre les processus de conditionnement des canicules et sécheresses en Europe de l'ouest. Ce développement s'inscrivait dans un cadre plus large de mise en place d'un modèle du système climatique régional entrepris à l'Institut Pierre Simon Laplace (IPSL) au sein du projet MORCE-MED. Ce volet de ma thèse est le plus original car peu exploré dans la littérature. De par ces outils j'ai pu tout d'abord montré qu'inclure une végétation interactive dans un modèle atmosphérique régional permettait de simuler les modifications du cycle phénologique qui contrôle le développement de la végétation et l'évapotranspiration. Appliquée aux canicules de juin et août 2003, j'ai montré que la prise en compte d'une végétation interactive atténuait l'amplitude de la canicule de juin et accentuait celle d'août. Enfin, dans un contexte plus applicatif, j'ai évalué l'effet d'un changement d'usage des sols pouvant permettre d'atténuer les effets de ces canicules sur l'homme. Dans une démarche préliminaire, j'ai remplacé les surfaces anthropisées (essentiellement surfaces agricoles) par des forêts et prairies. Là aussi, les effets constatés ont été plus contrastés qu'anticipées, avec une atténuation de la canicule de juin et une accentuation de la canicule d'août avec une variabilité spatiale forte à méso-échelle

  • Titre traduit

    Heat waves and droughts in Mediterranean : contributions of land-atmosphere coupled processes on mesoscale


  • Résumé

    In a context defined as that of global warming, with fears that one summer out of two could be very similar to the 2003 European heat wave, the significant role played by droughts and land-atmosphere coupling in the enhanced and persistent high temperatures during heat-wave events has been highlighted by various studies. I have developed an original classification based on the spatial structures of the heat waves ocurring in the Euro-Mediterranean area. Classification are generally designed to classify numerous events, so we have had to adapt to classifying rare events, by introducing three criteria grounded on temperature and the spatio-temporal extension of the phenomena to be described. The classification has enabled us to sort out six different categories of heat wave. In course of the investigation, I then proceeded to focus on one of the categories, id est on Westen Europe heat wave. I carried out numerical sensitivity tests in order to analyse how the hydric deficit of soils contributes to amplifying heat waves and was able to bring out different behaviours. In the continental plains, the atmospheric boundary layer temperatures are largely controlled by local dry convection processes. In the mountainous and coastal areas, mesoscale circulations such as slope winds and sea breezes contribute to mitigating heat waves by allowing fresh and moist air to advect and precipitations to form. The effect of vegetation on heat waves was also examined. To do so, I have developed modelling tools which couple atmospheric dynamics with vegetative dynamics and thus present an innovative view on heatwave and drought conditioning processes in Western Europe. This modelling development is part of a larger project that aims at developing a model for regional climatic system and which has been undertaken at the Institut Pierre Simon Laplace (IPSL) as part of the MORCE-MED project. This question has so far been little addressed in the scientific literature. I have shown that the inclusion of an interactive vegetation into modelling enable to simulate the modifications of the phenological cycle that control plant growth and development as well as evapotranspiration. Used to analyse the heat waves of June and August 2003, I have been able to demonstrate that the interaction of vegetation had a mitigating effect on the June 2003 heat wave, while it had a reversed effect in August, id est that of reinforcing. Lastly, we have measured the effects of land cover change that would allow to mitigate the consequences of heat waves on humans. In a preliminary study, I replaced anthropized surfaces (mainly agricultural land) by forests and meadows. There again, the effects noted were more contrasted than expected and presented a mitigation of the heat in June and an increase in the temperatures in August, with a high spatial variability on a mesoscale

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