Descripteurs intrasaisonniers et extrêmes pluviométriques en été austral sur l'Afrique du Sud : observations et modélisation à méso-échelle

Intraseasonal descriptors and rainfall extremes in austral summer over South Africa : Observations and Meso-scale modelling

• Auteur / Autrice : Asmat Ullah
• Direction : Benjamin Pohl, Julien Pergaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Climatologie
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biogéosciences (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Camberlin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Pergaud, Bastien Dieppois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chris Reason, Willem Landman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Afrique du Sud

Climatologie

Précipitations (météorologie)

Mots clés libres

Modélisation du climat régional

Descripteurs intraseonaux

Variabilité des précipitations

Iintraseasonal descriptors

Rainfall variability

Regional climate modeling

Résumé

Les précipitations extrêmes sont d'une importance majeure et croissante dans les pays semi-arides et leur variabilité a de fortes implications pour les ressources en eau et les impacts climatiques sur les sociétés locales et l'environnement. Ici, nous examinons les descripteurs intrasaisonniers (ISD) et les extrêmes humides des précipitations d'été austral (novembre-février) sur l'Afrique du Sud (SA). En utilisant les observations quotidiennes de 225 pluviomètres et les réanalyses ERA5 entre 1979 et 2015, nous proposons une nouvelle typologie des événements extrêmes humides basée sur leur fraction spatiale, différenciant ainsi les extrêmes à grande et à petite échelle. La variabilité à long terme des deux types d'événements de précipitations extrêmes est ensuite discutée en détail dans le contexte des ISD. Suite à la définition d'une nouvelle typologie des extrêmes pluviométriques, distinguant les événements à grande et à petite échelle, nous examinons plus avant la relation entre ces deux types d'extrêmes pluviométriques et différents modes de variabilité climatique à différentes échelles de temps. Aux basses fréquences, les extrêmes pluviométriques sont évalués à des échelles de temps interannuelles (IV : 2 à 8 ans) et quasi décennales (QDV : 8 à 13 ans), qui sont principalement associées à l'oscillation australe El Niño (ENSO) et à l'Oscillation Pacifique inter-décennale (IPO), respectivement. Aux échelles de temps sub-saisonnières, la typologie des extrêmes pluviométriques est analysée en fonction des configurations synoptiques, déduites par sept régimes convectifs dont les thalwegs tropicaux tempérés (TTT : 3–7 jours), et la variabilité intrasaisonnière associée à l'Oscillation de Madden-Julien (MJO : 30 à 60 jours). Afin d'identifier les épisodes de précipitations potentiellement à fort impact, nous introduisons la durée dans la définition de la typologie des précipitations extrêmes. Les événements à grande échelle et à durée de vie la plus longue sont ensuite considérés comme des études de cas de périodes de précipitations potentiellement à fort impact et sont sélectionnés pour la modélisation à méso-échelle. À cette fin, nous utilisons un modèle de recherche et de prévision météorologique de pointe (WRF version 4.2.1) qui est largement utilisé à la fois pour la recherche et les applications de prévision opérationnelle. Les réanalyses ERA5 sont d'abord utilisées pour forcer le modèle WRF avec plusieurs configurations expérimentales sur différents cas d’étude afin d'obtenir la configuration WRF la plus performante. La configuration optimale est ensuite utilisée pour piloter des simulations WRF à l'aide de prévisions globales à résolution grossière, la version 2 de retroprévision (RF2) développée par la National Oceanic and Atmospheric Administration/Earth System Research Laboratory (NOAA/ESLR) et à 25kms de résolution. Avec cette méthodologie, nous souhatons déterminer si la prévisibilité de ces événements majeurs peut être améliorée en termes d'intensité et de localisation en utilisant un raffinement d'échelle permettant la résolution de la convection profonde.

Rainfall extremes are of major and increasing importance in semi-arid countries and their variability has strong implications for water resource and climate impacts on the local societies and environment. Here, we examine intraseasonal descriptors (ISDs) and wet extremes in austral summer rainfall (November−February) over South Africa (SA). Using daily observations from 225 rain gauges and ERA5 reanalysis between 1979 and 2015, we propose a novel typology of wet extreme events based on their spatial fraction, thus differentiating large- and small-scale extremes. Long-term variability of both types of extreme rainfall events is then extensively discussed in the context of ISDs. Following the definition of a novel typology of rainfall extremes, disentangling large- and small-scale events we further examine the relationship between these two types of rainfall extremes and different modes of climate variability at different timescales. At low-frequencies, rainfall extremes are assessed at interannual (IV: 2−8 years) and quasi-decadal (QDV: 8−13 years) timescales, which are primarily associated with the El Niño Southern Oscillation (ENSO) and the Interdecadal Pacific Oscillation (IPO), respectively. At sub-seasonal timescales, the typology of rainfall extremes is analysed depending on the synoptic configurations, as inferred by seven convective regimes including Tropical Temperate Troughs (TTTs: 3–7 days), and the intraseasonal variability associated with the Madden-Julien Oscillation (MJO: 30–60 days). To identify potentially high-impact rainfall spells, we introduce duration into the definition of extreme rainfall typology. Large-scale longest-lived events are then considered as case studies of potentially high-impact rainfall spells and are selected for meso-scale modelling. To that end, we use state-of-the-art Weather Research and Forecasting (WRF version 4.2.1) model which is widely used for both atmospheric research and operational forecasting applications. ERA5 reanalysis is first used to drive WRF simulations with several experimental setups on different case studies to obtain the finest WRF configuration. The optimal experimental design is then used to drive WRF simulations using coarse resolution global forecast i.e., Re-forecast version 2 (RF2) developed by National Oceanic and Atmospheric Administration/Earth System Research Laboratory (NOAA/ESLR) having a resolution of 25 kms. Here, we attempt to investigate if the properties of such major events can be improved using convection-permitting downscaling of these global grids in terms on intensity and location.The results demonstrate that using 7% of spatial fraction simultaneously exceeding the local threshold of the 90th percentile produces remarkable results in characterizing rainfall extremes into large- and small-scale extremes.