Amélioration de la descente d'échelle dynamique sur le Maroc dans le contexte du changement climatique

Improving the dynamical downscaling over Morocco in the context of climate change

• Auteur / Autrice : Saloua Balhane
• Direction : Philippe Drobinski, Abdelghani Chehbouni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris en cotutelle avec Université Mohammed VI Polytechnique (Benguérir, Maroc)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....) - Laboratoire de Météorologie Dynamique (UMR 8539) / LMD
• Jury : Président / Présidente : Abdel Wahid Mellouki
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Drobinski, Abdelghani Chehbouni, Rafiq Hamdi, Benjamin Pohl, Francis Codron, Catherine Rio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rafiq Hamdi, Benjamin Pohl, Francis Codron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sciences de l'environnement

Climat -- Observations

Changements climatiques

Mots clés libres

Modélisation climatique

Descente d'échelle

Correction de biais en ligne

Maroc

Changement climatique

Précipitation

Climate modeling

Downscaling

Run-Time bias-Correction

Morocco

Climate change

Precipitation

Résumé

Le Maroc est l'une des régions les plus vulnérables au changement climatique. Il se caractérise par des interactions complexes entre diverses caractéristiques géographiques, notamment l'océan Atlantique, la mer Méditerranée, les montagnes du Haut Atlas et le Sahara. Il est essentiel de comprendre la variabilité spatio-temporelle du climat dans cette région pour une meilleure gestion des ressources. Les modèles climatiques globaux jouent un rôle important dans ce contexte, car ce sont les seuls modèles à prendre en compte tous les réservoirs d'eau et d'énergie, y compris les réservoirs à mouvement lent comme les océans, qui modulent le climat et son évolution. Cependant, les modèles climatiques globaux sont encore sujets à des biais systématiques qui limitent leurs performances et ont généralement des résolutions grossières, limitant leur utilisation pour l’évaluation d’aspects locaux. Les modèles climatiques régionaux peuvent améliorer la représentation de certains processus (processus orographiques, brises, etc.). Cependant, ils présentent des défauts qui peuvent altérer de manière significative la crédibilité des trajectoires du changement climatique, car il est impossible de distinguer l'impact des biais systématiques dans les modèles globaux de forçage du rôle d'une meilleure description de petite échelle.Ce travail explore différentes manières de surmonter ces limitations.Dans la première partie, nous évaluons une gamme de différents ensembles à haute résolution, issus de la réduction d'échelle statistique (NEXGDDP) et dynamique (Euro-CORDEX et Euro-CORDEX ajusté au biais) tout en analysant la valeur ajoutée potentielle que la correction du biais ''a posteriori'' peut avoir sur la simulation des précipitations et des températures moyennes et extrêmes sur le Maroc.Dans la deuxième partie, nous utilisons le modèle LMDZ, la composante atmosphérique de la dernière version du modèle de l’IPSL, dans une configuration couplée avec le modèle de surface terrestre ORCHIDEE. Nous avons conçu une configuration du modèle à grille raffinée adaptée aux études régionales sur le Maroc, qui est suffisamment stable numériquement pour exécuter des simulations de changement climatique et qui permet i) une haute résolution sur la région et ii) une résolution suffisante à l'extérieur du zoom pour reproduire la circulation de grande échelle. Nous utilisons une méthode de correction de biais en ligne, qui consiste à corriger les erreurs systématiques des variables atmosphériques de grande échelle à l'aide des statistiques d'une simulation guidée par des réanalyses climatologiques. Cette approche permet de travailler avec une résolution fine à un coût de calcul modéré sans compromettre la cohérence entre les climats global et régional, cruciale pour le Maroc.L’évaluation du climat présent (1979-2014) a mis en évidence des améliorations notables après raffinement de la grille, notamment dans la circulation générale moyenne. La simulation libre à grille zoomée se compare favorablement aux observations de précipitations et de températures à l'échelle locale. Le climat moyen est considérablement amélioré après la correction de biais par rapport aux simulations non corrigées, et des améliorations dans le transport d’humidité, des précipitations et de la température de l’air sont observés.Pour le climat futur, la température de surface de la mer (SST) et la concentration de glace de mer (SIC) déduites de quatre modèles CMIP6 couplés, forcés par les gaz à effet de serre et les aérosols correspondant au scénario Shared Socioeconomic Pathway-8.5 (SSP-8.5), sont utilisées pour forcer la configuration régionale corrigée du LMDZ6-OR. Des simulations de 20 ans sont produites pour un niveau de réchauffement global de 3 Kelvin afin d'évaluer la réponse du climat régional moyen, des précipitations et de la température au changement des SST et SIC.

Morocco is one of the most vulnerable regions to climate change. Its climate is characterized by complex interactions between various geographical features, including the Atlantic Ocean, the Mediterranean Sea, the High Atlas Mountains, and the Sahara Desert. Understanding the spatiotemporal variability of climatic patterns in this region is crucial for effective climate change adaptation strategies, natural resource management, and sustainable development planning. Global climate models (GCMs) play a significant role within this context, as they are the only models to take into account all the water and energy reservoirs, including slow-moving reservoirs such as the oceans, which modulate the climate and its evolution. Yet, global climate models are still subject to systematic biases that constrain their performance and have generally coarse resolutions, limiting the assessment of local climate patterns. Regional climate models can improve the representation of certain processes (orographic processes, breezes, etc.). They do, however, have flaws that can significantly alter the credibility of climate change trajectories, as it is impossible to distinguish the impact of systematic biases in the forcing GCMs from the role of better small-scale description.This work explores different ways of overcoming these limitations.In the first part, we evaluate a range of different widely used high-resolution ensembles issued from statistical (NEXGDDP) and dynamical (Euro-CORDEX and bias-adjusted Euro-CORDEX) downscaling while investigating the potential added value that “a posteriori'' bias adjustment may have on the simulation of mean and extreme precipitation and temperature over Morocco.In the second part, we use the LMDZ model, the atmospheric component of the latest version of the IPSL model (IPSLCM6), in a coupled configuration with the ORCHIDEE land-surface model. We designed a refined-grid configuration of the model adapted for regional studies over Morocco that is numerically stable enough for running climate change simulations and allows i) a high resolution over the region and ii) a sufficient resolution on the outside of the zoom area to reproduce large-scale patterns. To deal with the systematic large-scale dynamical biases, a run-time bias correction approach, which consists of bias-correcting the systematic errors in large-scale atmospheric variables using the statistics of a nudged simulation towards climate reanalysis, is used. This method allows for high resolution at a moderate computational cost without compromising the coherence between the global and regional climates. Indeed, preserving this coherence is crucial for Morocco since large-scale circulation patterns play a vital role in shaping regional climate patterns in the region.The evaluation of the present climate (1979–2014) has shown significant improvements after grid refinement, particularly in the mean general circulation. The free refined-grid run compares favorably to precipitation and temperature observations at the local scale. The mean climate is considerably improved after bias correction compared to the uncorrected simulations, and improvements in moisture transport, precipitation and air temperature are observed.For future climate, sea surface temperature (SST) and sea ice concentration (SIC) deduced from four coupled CMIP6 models, forced by greenhouse gases and aerosols corresponding to the Shared Socioeconomic Pathway-8.5 (SSP-8.5) scenario, are used to force the corrected regional configuration of LMDZ6-OR. Twenty-year simulations are produced for a global warming level of 3 Kelvin to assess the response of mean regional climate, precipitation and temperature to changes in SST and SIC.