A statistical approach to determine the intensity and dynamics of extreme cold events in Europe

Anthropogenic climate change increases the frequency and intensity of extreme weather events, such as heatwaves, floods, and droughts. Conversely, cold spells are expected to decrease in intensity and frequency with atmospheric warming. However, the recent focus on the increasing intensity and frequency of heatwaves has led to few studies specifically addressing cold spells in the context of climate change. Warming is not linear, it alters atmospheric and oceanic dynamics and affects different regions of the world differently. Thus, Europe has experienced few extreme cold events in recent decades, unlike the United States. Both regions, located in the mid-latitudes, are characterized by changing weather influenced by the jet stream, a dominant high-altitude wind current, and by the sometimes opposing influences of the Arctic and the tropics.

Despite the warming, the Arctic retains much colder temperatures than Europe. It is therefore crucial not to underestimate, on the one hand, the capacity for advection of this cold air to Europe, and on the other hand, how climate change can affect the mechanisms of cold spells, and finally, the extent of natural variability. Underestimating extreme cold events could lead to maladaptation or even increased vulnerability despite climate warming. However, extreme events are, by definition, rare. Their low occurrence in observations and model simulations makes them difficult to study. Methods specifically dedicated to rare events have therefore been developed to overcome this undersampling and facilitate their study. They allow for the direct simulation of rare events at a reduced computational cost. In this thesis, we use a stochastic weather generator based on atmospheric circulation analogues to simulate extremely cold winters and extreme cold spells in Europe. These simulations are performed over different periods and for different levels of warming, allowing us to study the evolution of extreme cold events in Europe in terms of intensity and dynamics in the context of climate change.

Our results show that extreme cold events are indeed likely to disappear at high levels of warming. However, it is still possible that intense events will occur in the near future, and it is essential to prepare for this eventuality. Regarding the dynamics of these events, we demonstrate that they are generally well reproduced in acrshort{cmip6} models, although performance differences are observed between models. The atmospheric pattern typically associated with extreme cold spells in observations appears not to be affected by climate change and is even found at high levels of warming. We also use the stochastic weather generator to evaluate the effect of this atmospheric pattern on temperatures. We show that it is a necessary and sufficient condition for the occurrence of cold spells in Europe, even in a warmer world. Overall, this thesis employs a rare event algorithm that bridges physics and statistics to explore extreme cold scenarios in the context of climate change.

Une approche statistique pour l’étude de l’intensité et de la dynamique des vagues de froid extrêmes en Europe

Le réchauffement climatique dû aux activités humaines augmente la fréquence et l’intensité des événements climatiques extrêmes comme les vagues de chaleur, les inondations ou les sécheresses. Il est attendu à l’inverse qu’il réduise celles des vagues de froid. Cependant, la focalisation récentes sur les vagues de chaleur fait que peu d’études se sont spécifiquement intéressées aux vagues de froid dans un contexte de changement climatique. Le réchauffement n’est pas linéaire, modifie les dynamiques atmosphériques et océaniques, et affecte différemment les différentes régions du monde. Ainsi, l’Europe a connu peu d’événements extrêmes de froid au cours des dernières décennies, au contraire des États-Unis. Ces deux régions, situées dans les latitudes moyennes, sont caractérisées par une météorologie changeante influencée par le courant-jet, un courant de vent dominant en haute altitude, ainsi que par les influences parfois contraires de l’Arctique et des tropiques.

Malgré le réchauffement, l’Arctique conserve des températures bien plus froides que celles de l’Europe. Il est donc crucial de ne pas sous-estimer, d’une part, la capacité d’advection de cet air froid vers l’Europe, d’autre part, la manière dont le changement climatique peut affecter les mécanismes des vagues de froid, et enfin, l’ampleur de la variabilité naturelle. Une sous-estimation des événements extrêmes de froid pourrait conduire à une maladaptation, voire à une vulnérabilité accrue malgré le réchauffement climatique. Cependant, les événements extrêmes sont, par définition, rares. Leur faible occurrence dans les observations et les simulations de modèles les rend difficiles à étudier. Des méthodes spécifiquement dédiées aux événements rares ont donc été développées pour pallier ce sous-échantillonnage et faciliter leur étude. Elles permettent la simulation directe d’événements rares à un coût de calcul réduit.

Dans cette thèse nous utilisons un générateur de temps stochastique basé sur des analogues de circulation atmosphérique pour simuler des hivers extrêmement froids et des vagues de froid extrême en Europe. Ces simulations sont réalisées sur différentes périodes et pour différents niveaux de réchauffement, nous permettant ainsi d’étudier l’évolution des événements extrêmes de froid en Europe en termes d’intensité et de dynamique dans un contexte du changement climatique. Nos résultats montrent que les événements de froid extrême sont effectivement voués à disparaître pour des niveaux élevés de réchauffement. Cependant, il est toujours possible que des événements intenses surviennent dans un futur proche, et il est essentiel de se préparer à cette éventualité. Concernant la dynamique de ces événements, nous démontrons qu’elle est généralement bien reproduite dans les modèles acrshort{cmip6}, bien qu’on observe des différences de performance entre les modèles. Les configurations atmosphériques typiquement associées aux vagues de froid dans les observations ne semblent pas être affectées par le changement climatique et se retrouvent même pour des niveaux élevés de réchauffement. Nous utilisons également le générateur de temps stochastique pour évaluer l’effet de ces configurations atmosphériques sur les températures. Nous montrons qu’elles sont une condition nécessaire et suffisante à l’occurrence de vagues de froid en Europe, même dans un monde plus chaud. Dans l’ensemble, cette thèse utilise un algorithme d’événements rares qui fait le lien entre la physique et les statistiques pour explorer des scénarios de froid extrêmes dans un contexte de changement climatique.

Lieu
Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement
Salle 1129
Site de l’Orme des Merisiers
Gif-sur-Yvette

Visio
https://cnrs.zoom.us/j/94718354015?pwd=kIW1cMG9tNlUsITUadUF4dzHRJ0bmn.1

• Juliette BLANCHET – Rapporteuse
• Valérie MONBET – Rapporteuse
• Pascale BRACONNOT – Examinatrice
• Laurent DUBUS – Examinateur
• Petra FRIEDERICHS – Examinatrice