Étude du rôle des anomalies régionales de température de surface dans le bilan d'énergie de la Terre : influence sur la température de surface à l'échelle globale

Influence of the sea surface temperature pattern effect on the global top of the atmosphere energy budget and on global warming

• Auteur / Autrice : Robin Guillaume-Castel
• Direction : Rémy Roca, Benoit Meyssignac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales (Toulouse ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Dufresne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paulo Ceppi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Masa Kageyama, Francis Codron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bilan calorifique (géophysique)

Terre -- Surface

Changements climatiques

Mots clés libres

Changement climatique

Sensibilité climatique

Bilan d'énergie de la Terre

Température de surface

Climate change

Climate sensitivity

Earth energy inbalance

Surface temperature

Résumé

Les activités humaines perturbent le bilan radiatif de la Terre. En conséquence, la Terre émet moins d'énergie vers l'espace que ce qu'elle reçoit du soleil. Elle stocke alors de l'énergie et se réchauffe. Le réchauffement de la planète affecte les différents flux d'eau et d'énergie qui influencent en retour le bilan radiatif au sommet de l'atmosphère. C'est ce qu'on appelle la réponse radiative de la Terre. La réponse radiative de la Terre détermine l'évolution dans le temps du changement climatique ainsi que son amplitude à l'équilibre. Elle dépend de la température de surface en moyenne globale, et de l'intensité des rétroactions radiatives. Ces dernières sont notamment influencées par les anomalies régionales de température de surface dans le Pacifique tropical, qui sont associées à la circulation atmosphérique dans les tropiques. L'évolution de la réponse radiative affecte le déséquilibre énergétique de la planète, et donc la quantité d'énergie stockée dans le climat ce qui modifie la température de surface en moyenne globale. Dans ma thèse, je cherche à documenter, à quantifier et à comprendre l'évolution de la température de surface globale et en particulier le rôle que jouent les anomalies régionales de température dans cette évolution à travers leur impact sur la réponse radiative. Dans ce but, je propose une nouvelle approximation multilinéaire de la réponse radiative, qui permet d'isoler la contribution des anomalies régionales de température. Cette approche est validée pour des réchauffements modérés (inférieurs à 5°C) en utilisant de simulations de modèles de climat. J'utilise l'approximation multilinéaire de la réponse radiative pour déterminer l'influence des anomalies régionales de température de surface sur le réchauffement global de la surface. Je montre que, à travers leur influence sur la réponse radiative, ces dernières affectent la température de surface en moyenne globale à l'image d'un forçage radiatif. En ce sens, le système climatique répond de manière identique aux variations de réponse radiative causées par les anomalies régionales de température qu'au forçage radiatif. Cela signifie que le réchauffement global de la surface s'écrit comme la somme de la réponse directe au forçage radiatif et de la réponse à la réponse radiative induite par l'évolution des anomalies régionales de température de surface. La contribution des anomalies régionales de température de surface au réchauffement global est quantifiée dans des simulations dans lesquelles la concentration atmosphérique de CO2 est augmentée de 1% par an pendant 150 ans, réalisées avec des modèles de climat de CMIP5 et CMIP6. Les anomalies régionales de température de surface atténuent légèrement le réchauffement sur le premier siècle de simulations. Notamment, la réponse transitoire du climat (TCR) est réduite de 15 ± 9%. L'influence des anomalies régionales de température de surface évolue dans la suite des simulations et certains modèles montre une amplification du réchauffement dans les dernières décennies. Dans ces simulations, la variabilité forcée domine le signal. Mais, les modes de variabilité de la dynamique océan-atmosphère, associés à des variations des anomalies régionales de température de surface, influencent aussi la réponse radiative, et donc la température de surface en moyenne globale. Je montre que la variabilité haute fréquence, par exemple associée à ENSO, est largement atténuée, et affecte peu la température de surface en moyenne globale. En revanche, la variabilité plus basse fréquence, notamment associée à la PDO, est propagée dans le réchauffement global. Les résultats de ma thèse apportent un nouveau cadre analytique qui permet de quantifier le rôle des anomalies régionales de température de surface, forcées par les activités humaines, ou associées à la variabilité interne du climat, sur l'évolution du bilan d'énergie de la Terre et sur le réchauffement global de la surface.

Anthropogenic emissions of greenhouse gases are disrupting the Earth energy balance. As a consequence, more energy is received from the sun than what the Earth emits to space. The Earth thus stores energy and warms up. Global warming affects the various flows of water and energy in the climate, which in turn influence the top of atmosphere energy imbalance, through the radiative response. The Earth's radiative response determines global climate change over time, as well as its amplitude at equilibrium. It depends on the global mean surface temperature, and on the magnitude of climate feedbacks. The latter are notably impacted by the pattern of sea surface temperature, specifically in the tropical Pacific which is associated with the tropical atmospheric circulation. Changes in the radiative response affect the Earth's energy imbalance, and therefore the amount of energy stored in the climate system which eventually modifies global warming. In my thesis, I aim to understand and quantify the influence of the pattern of surface temperature on global warming through the changes in the radiative response. To this end, I formulate a new multilinear approximation of the radiative response, which isolates the contribution of surface temperature pattern. This approach is validated for moderate warming (below 5°C) using climate model simulations. The multilinear approximation of the radiative response is then used to determine the influence of the changing pattern of surface temperature on global warming. I show that, through its influence on the radiative response, the changing pattern of surface temperature affects global warming in the same way as a radiative forcing. In this sense, the climate system responds similarly to changing warming patterns as it does to a radiative forcing. Therefore, global warming can be written as the sum of the direct response to the radiative forcing and the additional response induced by changes in the pattern of surface temperature. The global surface temperature changes induced by the surface temperature patterns are quantified in simulations in which the atmospheric concentration of CO2 is increased by 1% per year for 150 years (1pctCO2), carried out with CMIP5 and CMIP6 climate models. The pattern of warming slightly damps global warming over the first century of simulations. In particular, the Transient Climate Response (TCR), reached at year 70, is reduced by 15 ± 9%. After 100 years, the influence of the pattern of warming evolves, and some models show an amplified global warming in the following decades. In 1pctCO2 simulations, the forced response dominates the signal. However, modes of internal variability of the coupled ocean-atmosphere dynamics, associated with change of surface temperature pattern, also influence the radiative response, and hence global warming. I show that high-frequency variability, for example associated with ENSO, is largely attenuated, and has little impact on global warming. In contrast, lower-frequency variability, notably associated with the PDO, is propagated by its radiative effect in global warming. Overall, this thesis provides a new analytical framework for quantifying the impact of the surface temperature pattern, whether anthropogenically forced or associated with internal climate variability, on the evolution of the Earth's energy imbalance and on global surface warming.