Modlisation climatique du bassin mditerranen variabilit et scnarios

Modélisation climatique du bassin méditerranéen : variabilité et scénarios de changement climatique Thèse présentée par Samuel Somot Sous la direction de Michel CREPON (LODYC-LOCEAN) et Michel DEQUE (CNRM)

La mer Méditerranée Caractéristiques géographiques Méd. Ouest Méd. Est Golfe du Lion Océan Atlantique Mer d’Alboran Mer Adriatique Mer Tyrrhénienne Bassin Ionien Mer Egée Bassin Levantin

La mer Méditerranée Sous l’influence de nombreux processus climatiques … régionaux – Reliefs nombreux et complexes – Vents régionaux (Mistral, Tramontane, Bora, Etésiens, Sirocco) – Dépressions méditerranéennes – Contraste terre-mer … et globaux – Influence NAO – Interaction mousson indienne, africaine – Jet subtropical, jet stream – Dépressions atlantiques – Cellule de Hadley Bolle, 2003

La mer Méditerranée Fonctionnement thermodynamique de la Méditerranée Détroit de Gibraltar (1 Sv) Fchaleur = - 7 W/m 2 Feau = - 1 m/an Eau atlantique eau chaude et peu salée thermocline Eau méditerranéenne eau froide et salée Mer Méditerranée

Circulation Thermo. Haline de la Méditerranée : MTHC AW WMDW EMDW LIW Wüst, 1961

Variabilité interannuelle et tendances de la MTHC Mertens & Schott 1998 Golfe du Lion, convection Rixen et al. 2005 Méditerranée, 1950 -2000 0 -150 m Température 1972 (H = 800 m) 150 -600 m 600 -fond 1987 (H = 2200 m) Salinité Température Salinité

Changement climatique (IPCC, 2001) IPCC, 2001 DJF JJA MED

Changement climatique (IPCC, 2001) IPCC, 2001 DJF JJA MED

Problématique scientifique Modélisation climatique du bassin méditerranéen convection océanique profonde et circulation thermohaline cyclogénèse et dépressions en Méditerranée

Problématique scientifique Modélisation climatique du bassin méditerranéen convection océanique profonde et circulation thermohaline cyclogénèse et dépressions en Méditerranée 1. Peut-on représenter la convection profonde et la circulation thermohaline en Méditerranée ? 2. Peut-on analyser et comprendre leur variabilité interannuelle ? 3. Peut-on simuler leur évolution sous l’impact du réchauffement climatique (XXIème siècle) ?

Plan de la présentation • Introduction • Etude de la convection profonde et de la circulation thermohaline (MTHC) avec un modèle océanique forcé – – Présentation du modèle Validation en moyenne Variabilité interannuelle (Méd. Ouest) Impact du réchauffement climatique • Etude avec un modèle régional couplé océan-atmosphère – Intérêt du couplage et présentation du modèle – Différences modèle couplé / modèle forcé • Conclusions et perspectives

Modèle de Méditerranée – OPAMED 8 • Résolution : x ~ 1/8° ~ 10 km • 43 niveaux verticaux • Atlantique : relaxation 3 D pour S et T – Forçages • • • Flux quotidiens : flux d’eau, flux de chaleur et tension de vent Rappel SST ( = -40 W. m-2. K-1, SST observées) Données : ARPEGE-Climat (modèle de climat régional, 50 km) Fleuves, Mer Noire (climatologies mensuelles) Pas de rappel en sel 1960 1970 1980 1990 – Initialisation et simulation • • ARPEGE-Climat 1960 -1999 OM 8 -ARP 1960 -1999 C. I. : Med. Atlas-II 20 ans de spin-up OM 8 -ARP : 40 ans 1960 -1999 : années des SST imposées à ARPEGE-Climat 2000

ARPEGE-Climat : 50 km ARPEGE-Climat ERA 40 : 125 km

Plan de la présentation • Introduction • Etude de la convection profonde et de la circulation thermohaline (MTHC) avec un modèle océanique forcé – – Présentation du modèle Validation en moyenne Variabilité interannuelle (Méd. Ouest) Impact du réchauffement climatique • Etude avec un modèle régional couplé océan-atmosphère – Intérêt du couplage et présentation du modèle – Différences modèle couplé / modèle forcé • Conclusions et perspectives

Validation : circulation de surface OM 8 -ARP 1961 -1999 courant à 34 m de profondeur Hamad et al. 2002 Millot, 1987

Validation climatique Mer Adriatique Profondeur de la couche de mélange OM 8 -ARP : 460 m (février) Clim : 380 m (février) OM 8 -ARP : 380 m (février) Clim : 260 m (janvier) OM 8 -ARP 200 Golfe du Lion OM 8 -ARP : 1040 m (février) Clim : 960 m (mars) Mer Egée 400 février, 1961 -1999 600 800 1000 1200 1400 1600 Bassin Levantin OM 8 -ARP : 360 m (février) Clim : 360 m (janvier) Climatologie de D’Ortenzio et al. 2005 (résolution 1. 5°)

Validation climatique Circulation thermohaline : Fonction de courant verticale AW LIW 1. 5 Sv 1. 2 Sv EMDW ADW 0. 45 Sv EMDW 0. 85 Sv Détroit d’Otrante Très bonne comparaison à Myers et Haines 2002 Moyen-Orient Détroit de Sicile Détroit de Gibraltar -0. 8 Sv

Validation climatique Variabilité interannuelle de la profondeur maximale de la couche de mélange (Golfe du Lion) Source des données In-situ MS 98 modèle 1 D MS 98 OM 8 -ARP Hcmo > 1000 m 75% 70% 84% Autres études numériques : Castellari et al. 2000 : 33% (bulk) Béranger et al. 2005 : 33% (ECMWF) Béranger et al. 2005 : 0% (ERA 40) Somot 2005 : 0% (ERA 40)

Plan de la présentation • Introduction • Etude de la convection profonde et de la circulation thermohaline (MTHC) avec un modèle océanique forcé – – Présentation du modèle Validation en moyenne Variabilité interannuelle (Méd. Ouest) Impact du réchauffement climatique • Etude avec un modèle régional couplé océan-atmosphère – Intérêt du couplage et présentation du modèle – Différences modèle couplé / modèle forcé • Conclusions et perspectives

Variabilité interannuelle de la convection profonde Golfe du Lion, formation de la WMDW Flux de surface (hiver) NAO (hiver) Convection profonde stratification (novembre) Circulation thermohaline du bassin Ouest

Convection profonde Volume d’eau profonde taux de formation / max. de la Hcmo - Volume d’eau profonde, WMDW : 29. 08 kg. m-3 - Calcul du taux de formation annuel : 0. 5 Sv ( = 0. 5 Sv) (Castellari et al. 2000, Myers et Haines 2002 : 0. 2 Sv) - Corrélation significative avec la profondeur maximale de la couche de mélange (C = 0. 61)

Circulation thermohaline de la Méditerranée Ouest La variabilité interannuelle de la convection profonde pilote celle de la circulation thermohaline (Crépon et Barnier, 1989) Taux de formation Max. de la fonction de courant (40°N, MOF) : 0. 67 Courant Liguro-Provençal (mars) : 0. 60

Perte de chaleur (W/m 2) 0. 997 Flux en hiver Perte de flottabilité / Hcmo : C = 0. 63 Perte d’eau (mm/j) 0. 86 Tension de vent (N/m 2) 0. 84 Perte de flottabilité (DJF, m 2/s 2) ü la perte de flottabilité cumulée sur l’hiver est positivement corrélée à la profondeur maximale de la couche de mélange

corr = -0. 40 Tension de vent perte de chaleur Téléconnexions (hiver) indice NAO corr = -0. 55 corr = -0. 51 indice NAO - Les hivers NAO- entraînent des flux importants - Confirmation de la littérature (Vignudelli et al 1999, Rixen et al 2005) - El-Niño n’est pas corrélé avec les flux hivernaux dans le Golfe du Lion

Variabilité interannuelle NAO (hiver) anti-corrélation Flux de surface (hiver) corrélation Convection profonde WMTHC

Stratification pré-hivernale IS : intégrale de stratification pré-hivernale (novembre) calculée pour les 1000 premiers mètres de l’océan (Golfe du Lion) IS est équivalent à la quantité de flottabilité qu’il faut retirer à la colonne d’eau pour obtenir une convection à 1000 m de profondeur (m 2/s 2) Stratification C = -0. 43 Stratification (IS) et Flottabilité (B) - variables indépendantes - variabilités équivalentes ( = 0. 16 et 0. 17 m 2/s 2) - IS et B expliquent 60% de la variance de la profondeur maximale de la couche de mélange Flottabilité C = 0. 63

Variabilité interannuelle NAO (hiver) anti-corrélation Flux de surface (hiver) corrélation Stratification (novembre) anti-corrélation Convection profonde WMTHC

Plan de la présentation • Introduction • Etude de la convection profonde et de la circulation thermohaline (MTHC) avec un modèle océanique forcé – – Présentation du modèle Validation en moyenne Variabilité interannuelle (Méd. Ouest) Impact du réchauffement climatique • Etude avec un modèle régional couplé océan-atmosphère – Intérêt du couplage et présentation du modèle – Différences modèle couplé / modèle forcé • Conclusions et perspectives

Méthodologie • • • Scénario IPCC-A 2 Simulation transitoire : 1960 -2099 Simulation de contrôle : même durée flux air-mer : ARPEGE-Climat zoomé (scénario A 2) fleuves, mer Noire : anomalies ARPEGE-Climat zoomé Atlantique, rappel en SST : anomalies issues d’un AOGCM ARPEGE + obs 1960 1980 Scénario A 2 ARPEGE + obs + ano 2000 2070 2099 temps SCENARIO CONTRÔLE 1960 1980 2000 On répète les années 1960 -1980 : ARPEGE + obs

Evolution des forçages Eva-Pre-Rui (mm/j) Flux de chaleur (W. m-2) SCEN CTRL E-P-R (2070 -2099) - CTRL : perte de 0. 7 m/an - SCEN : perte de 0. 9 m/an Flux de chaleur (2070 -2099) - CTRL : perte de 6. 2 W/m 2 - SCEN : perte de 1. 8 W/m 2

CTRL 1970 -1999 Température de surface CTRL 2070 -2099 SCEN A 2 2070 -2099 Moyenne sur 2070 -2099 SCEN - CTRL : +2. 5°C Spatialement homogène (lié au terme de rappel en SST)

CTRL 1970 -1999 Salinité de surface CTRL 2070 -2099 SCEN A 2 2070 -2099 SCEN - CTRL Moy. sur 2070 -2099 Méditerranée : +0. 33 psu Bassin Ouest : +0. 23 psu Mer Adriatique : +0. 61 psu Mer Egée : +0. 70 psu

Profondeur de couche de mélange en hiver CTRL 1970 -1999 Diminution de l’intensité de la convection hivernale (effet SST > effet SSS) CTRL 2070 -2099 SCEN A 2 2070 -2099 Diminution modulée par l’impact sur le débit des fleuves

Circulation thermohaline Fonction de courant verticale 1. 3 Sv -0. 2 Sv -0. 5 Sv Contrôle Détroit de Sicile Détroit de Gibraltar 1. 5 Sv Scénario ü MTHC : moins intense et peu profonde ü Absence de ventilation sous 1000 m Somot et al. 2006, Climate Dynamics

Plan de la présentation • Introduction • Etude de la convection profonde et de la circulation thermohaline (MTHC) avec un modèle océanique forcé – – Présentation du modèle Validation en moyenne Variabilité interannuelle (Méd. Ouest) Impact du réchauffement climatique • Etude avec un modèle régional couplé océan-atmosphère – Intérêt du couplage et présentation du modèle – Différences modèle couplé / modèle forcé • Conclusions et perspectives

Intérêt du couplage océan-atmosphère régional - Les limites de l’approche océanique « forcée » dans cadre d’un scénario de changement climatique • Absence de rétroaction SST / atmosphère • Contraintes liées au rappel en SST – données provenant d’un AOGCM (basse résolution) – homogénéité spatiale de la réponse en SST : +2. 5°C - Apports d’un couplage interactif : • Mieux représenter les rétroactions océan-atmosphère • Supprimer le terme de rappel en SST

Développement d’un AORCM • SAMM: “Sea-Atmosphere Mediterranean Model” • Principe : – Couplage sur la mer Méditerranée – Pas de rappel ni de correction en surface – En dehors de la Méditerranée : SST imposées • Flux échangés quotidiennement – flux d’eau, flux de chaleur, tension de vent, SST 1960 ARPEGE-Climat 1970 1980 ARPEGE-Climat 1960 -1999 OM 8 -ARP 1960 -1999 SST OPAMED 8 1990 SST CAM 1960 -1998 2000

Plan de la présentation • Introduction • Etude de la convection profonde et de la circulation thermohaline (MTHC) avec un modèle océanique forcé – – Présentation du modèle Validation en moyenne Variabilité interannuelle (Méd. Ouest) Impact du réchauffement climatique • Etude avec un modèle régional couplé océan-atmosphère – Intérêt du couplage et présentation du modèle – Différences modèle couplé / modèle forcé • Conclusions et perspectives

Validation : couplé vs forcé Flux océan-atmosphère à l’échelle du bassin moyenne annuelle (écart-type) Rappel en SST Sans rappel données observations ERA 40 40 ans ECMWF 1999 -03 ARP-Cli 39 ans chaleur -7 3 (W/m 2) Béthoux, 1979 -12. 3 (4. 3) -29. 7 (6. 0) -34. 3 (10. 8) E-P (m/an) 0. 6 à 1. 5 0. 7 (0. 04) 0. 8 (0. 07) 0. 9 (0. 07) Boukthir, Barnier, 2000 OM 8 -ARP 39 ans -5. 9 (6. 4) 0. 9 (0. 07) ü Accord avec les observations sans aucun rappel ü Variabilité interannuelle plus faible ü Résultats identiques - tension de vent, rotationnel - différents sous-bassins CAM 38 ans -7. 1 (5. 0) 0. 8 (0. 06)

Validation : couplé vs forcé Convection et circulation thermohaline à l’échelle du bassin OM 8 -ARP 1. 5 Sv -0. 8 Sv OM 8 -ARP 1. 4 Sv CAM -0. 5 Sv CAM Le modèle couplé simule une MTHC réaliste et moins intense que le modèle forcé

Variabilité : couplé vs forcé Source des données In-situ MS 98 modèle 1 D MS 98 OM 8 -ARP CAM Hcmo > 1000 m 75% 70% 84% 40% CAM OM 8 -ARP 0. 5 (0. 5) Sv 0. 1 (0. 2) Sv 1000 m Le modèle couplé simule une convection profonde et une WMTHC significativement moins intense et moins variable taux de formation Prof. max. Hcmo Convection dans le golfe du Lion

Variabilité : couplé vs forcé Convection dans le golfe du Lion : Relation flux de flottabilité, stratification, convection profonde CAM OM 8 -ARP - Le modèle couplé se comporte comme le modèle forcé - IS et B expliquent 60% de la variance de Hcmo

Variabilité : couplé vs forcé Flux de surface (hiver) corrélation Stratification (novembre) Convection profonde anti-corrélation WMTHC

Variabilité : couplé vs forcé stratification - hiver H+1 Convection dans le golfe du Lion : Rétroaction « stratification – convection » CAM : -0. 47 convection - hiver H La convection de l’hiver est anti-corrélée avec la stratification de l’hiver suivant

Variabilité : couplé vs forcé RETROACTION NEGATIVE Flux de surface (hiver) SST Méd. Flux de surface (hiver) corrélation Stratification (novembre) Convection profonde anti-corrélation Hiver H Stratification (novembre) RETROACTION POSITIVE WMTHC Hiver H+1 Convection profonde

Plan de la présentation • Introduction • Etude de la convection profonde et de la circulation thermohaline (MTHC) avec un modèle océanique forcé – – Présentation du modèle Validation en moyenne Variabilité interannuelle (Méd. Ouest) Impact du réchauffement climatique • Etude avec un modèle régional couplé océan-atmosphère – Intérêt du couplage et présentation du modèle – Différences modèle couplé / modèle forcé • Conclusions et perspectives

Conclusions • Représenter la circulation thermohaline en Méditerranée – MTHC réaliste et stable – Biais froid – Couplage régional : MTHC moins intense • Analyser et comprendre sa variabilité interannuelle – – Outils numériques adaptés Meilleures quantification et compréhension Problème de validation Couplage régional : MTHC moins variable • Simuler l’impact du réchauffement climatique – Un premier scénario – Des incertitudes – Couplage régional : mise en place du modèle couplé régional

Perspectives • Représenter la circulation thermohaline en Méditerranée – Améliorations des modèles – ARPEGE-Climat version 4 et NEMO – Calcul des flux air-mer • Analyser et comprendre sa variabilité interannuelle – – Tests de sensibilité pour valider les rétroactions Analyse des autres zones de convection profonde Plus de données Modèles régionaux pilotés par ERA 40 • Simuler l’impact du réchauffement climatique – – Evaluer les incertitudes Impact sur la biogéochimie en Méditerranée Impact sur l’Atlantique Scénario en mode couplé régional : actuellement au 21 juillet 2028