Variabilité climatique de l'Atlantique Nord aux échelles de temps décennale à multidécennale : mécanismes et prévisibilité

par Yohan Ruprich-Robert

Thèse de doctorat en Physique du climat

Sous la direction de Christophe Cassou et de Laurent Terray.

Soutenue en 2014

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Aux échelles de temps décennale à multidécennale, l'Atlantique Nord se caractérise par une modulation de sa température de surface à grande échelle modifiant les conditions climatiques des continents alentours, en particulier le Sahel, l'Amérique du Nord et l'Europe. En raison d'une faible couverture temporelle aux regards des échelles de temps considérées et d'un faible échantillonnage de la structure tridimensionnelle de l'océan, les observations ne permettent pas d'analyser en détail les origines de cette variabilité connue sous le nom d'Oscillation ou Variabilité Atlantique Multidécennale (AMV). Dans cette thèse, nous avons utilisé le modèle de climat CNRM-CM5 comme laboratoire numérique pour étudier d'une part les mécanismes physiques internes (par opposition à ceux forcés par les facteurs externes comme l'activité solaire, les gaz à effet de serre etc. ) qui engendrent cette variabilité et d'autre part la prévisibilité associée à cette variabilité. L'analyse d'une simulation de 1000 ans dite de contrôle (tous les forçages externes au système climatique sont maintenus constants) met en évidence que l'AMV simulée par ce modèle est principalement contrôlée par les fluctuations multidécennales de la circulation océanique méridienne de retournement (AMOC) et du transport de chaleur méridien associé. La variabilité de l'AMOC répond à l'excitation de modes de variabilité atmosphérique de type Est Atlantique (EAP) et Oscillation Nord Atlantique (NAO) en hiver. Ceux-ci déclenchent une réaction en chaîne de processus océaniques conduisant in fine ~30 ans plus tard à un événement d'AMOC/AMV. La nature même de ces processus contrôle l'échelle de temps de la variabilité. Plus précisément, nous avons mis en évidence le rôle crucial joué par les anomalies de densité océanique des 500 premiers mètres du gyre subpolaire sur les fluctuations de l'AMOC. Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés à l'estimation de la prévisibilité associée à l'AMV dans CNRM-CM5. Nous avons pour cela suivi une approche type " modèle parfait " en cherchant à " reprévoir ", par une méthode ensembliste, les variations de la simulation de contrôle. Nous avons montré à partir d'une série de métriques et de modèles statistiques, que, dans CNRM-CM5, l'AMOC et l'AMV sont prévisibles jusqu'à une échéance allant de 15 à plus de 30 ans en fonction des conditions initiales océaniques. Cette prévisibilité conditionnelle provient des anomalies de la densité du gyre subpolaire - plus précisément de sa composante salinité - et de leur évolution selon le mécanisme proposé. Finalement, nous trouvons que la prévisibilité océanique est associée à une prévisibilité sur les continents en termes de température de surface et circulation atmosphérique.

  • Titre traduit

    North atlantic climate variability at decadal to multidecadal timescale : mechanisms and predictability


  • Résumé

    At decadal to multidecadal timescale, the North Atlantic Ocean is characterized by a large-scale modulation of its surface temperature and heat/salt content. The latter, known as Atlantic Multidecadal Oscillation or Variability (AMV), is associated with anomalous climate conditions over the adjacent continents, especially over the Sahel, the north American continent and Europe. It is impossible from the sole observations to assess the origin of such a variability because of their short temporal coverage with respect to the involved timescale and because of their critical undersampling of the three dimensional states of the ocean. In this thesis, we have used the CNRM-CM5 climate model as a numerical lab to first investigate the internal mechanisms (as opposed to forced by external factors such as solar, greenhouse gazes etc. ) at the origin of the AMV and second to quantify the associated predictability. The analysis of a 1000-yr control simulation (external climate forcing maintained to a constant level) shows that the model AMV is mainly controlled by the multidecadal evolution of the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) and associated heat/salt transport. The AMOC low-frequency variability is forced by the excitation of wintertime atmospheric modes over the Atlantic, namely the East Atlantic Pattern and the North Atlantic Oscillation. Those kick a chain reaction of oceanic processes leading in fine about 30 years later to an AMOC/AMV event. Such a timescale is controlled by the ocean dynamics and thermodynamics intrinsic properties. More specifically, we insist on the critical role played by the density anomalies of the first 500-meter of the subpolar gyre in controlling a large part of the AMOC fluctuations. We then focus on the estimation of the predictability level of the AMV in CNRM-CM5. To do so, we adopt the so-called perfect model approach that consists in reforecasting the model itself via an ensemblist method. Based on the use of a series of metrics and simple statistical models, we show that the AMOC/AMV in CNRM-CM5 is predictable for leadtimes ranging from 15 to 30 years as a function of the oceanic initial conditions. Such a conditional predictability is linked to the evolution of the density anomalies of the subpolar gyre and more specifically its salinity component, in line with the above-documented proposed mechanism. The oceanic predictability is associated to some predictability over the continents in terms of surface temperature and atmospheric circulation.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (207 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 187-206

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2014 TOU3 0331
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.