11/10/2023 17:00

10/10/2023 10:00

06/10/2023 09:00

12/04/2024 10:30

Séminaire de l’UMR METIS-IPSL.

11/04/2024 13:00

Séminaire de l’UMR METIS-IPSL.

08/04/2024 11:00

Séminaire du LOCEAN.

La moyenne atmosphère s’étend de 10 à 90 km et englobe à la fois la stratosphère (10 à 50 km) et la mésosphère (50 à 90 km). L’équilibre présent dans la moyenne atmosphère est le résultat de la propagation verticale d’ondes atmosphériques de petites et grandes échelles redistribuant le moment angulaire à travers l’atmosphère. Ces ondes perturbent notablement le flux moyen lorsqu’elles se brisent, déposant ainsi leur quantité de mouvement et leur énergie, ce qui impacte la circulation générale. De plus, cette interaction onde-écoulement moyen est responsable de l’existence de phénomènes régissant la variabilité observée dans la moyenne atmosphère. Notamment, les deux plus marquants sont les échauffements stratosphériques soudains (ESSs) et les inversions de température mésosphériques (ITMs). Plus spécifiquement, les ESSs se manifestent en hiver par une augmentation de la température de la calotte polaire (40 à 60 K) et un affaiblissement du vortex polaire pouvant même inverser les vents d’ouest pour les cas les plus extrêmes. Un vortex polaire perturbé peut ensuite influencer la météo troposphérique au cours des mois suivants en générant, par exemple, des vagues de froid intenses. Les ITMs représentent une augmentation inattendue de la température (10 à 50 K) se produisant dans la mésosphère pendant plusieurs jours et s’étendant sur des milliers de kilomètres. De plus, les ITMs peuvent poser des problèmes importants pour la rentrée en toute sécurité des fusées, des navettes spatiales ou des missiles dans l’atmosphère suscitant davantage d’intérêt pour cet événement. Ainsi, pendant de nombreuses années, ces deux phénomènes ont été étudiés par la communauté scientifique cherchant à comprendre leur mécanisme d’apparition et leurs effets sur l’atmosphère. L’émergence de la technologie LiDAR et l’amélioration des produits de réanalyse archivant le climat passé ont rendu leur étude plus accessible.

Dans cette thèse, l’objectif est d’apporter des avancées dans la compréhension et la description des phénomènes ESS et ITM grâce à de nouvelles observations LiDAR acquises à l’Observatoire de Haute-Provence (44°N, 6°E) et à la dernière génération de produit de réanalyse, ERA5, couvrant la période de 1940 à aujourd’hui. Pour commencer notre étude de ces phénomènes à travers les données ERA5, nous avons initialement évalué la capacité d’ERA5 à reproduire la variabilité dans la moyenne atmosphère en la comparant aux observations LiDAR. Nous avons constaté que la variabilité stratosphérique observée pendant l’hiver, y compris celle générée par les ESSs, est reproduite avec précision dans la réanalyse ERA5. Cependant, le modèle ne parvient pas à reproduire cette précision à la fois dans la stratosphère d’été et dans la mésosphère, quelle que soit la saison, en raison soit de l’absence ou de la simulation imprécise des événements ITMs. De plus, nous présentons de nouvelles observations de la température et du vent co-localisées pendant les événements ITMs et évaluons comment ERA5 simule le vent en présence de ITMs. Une décélération du vent se produit dans la même gamme d’altitude que l’augmentation de la température, ce qui confirme le rôle des ondes de gravité dans l’apparition de ce phénomène. À la lumière de ces résultats, la réanalyse ERA5 contenue dans la stratosphère et la troposphère a été utilisée exclusivement pour étudier, premièrement, les principaux déroulés de la stratosphère d’hiver modulés par le timing des ESSs, et ensuite, leurs liens verticaux tout au long des mois d’hiver. De manière intéressante, nous avons découvert qu’en hiver dans l’hémisphère nord, la stratosphère suit quatre scénarios distincts qui présentent des couplages stratosphère-troposphère différents. Notamment, nous avons identifié des précurseurs de surface notables associés à ces scénarios qui pourraient potentiellement avoir des applications pour la prévision saisonnière.

The middle atmosphere spans from 10 to 90 km and comprises the stratosphere (10 to 50 km) and the mesosphere (50 to 90 km). The equilibrium in the middle atmosphere results from the vertical propagation of small- and large-scale atmospheric waves redistributing the angular momentum across the atmosphere. These waves notably perturb the mean flow when they break, depositing their momentum and energy impacting the general circulation. Moreover, this wave-mean flow interaction is responsible for phenomena governing the observed variability in the middle atmosphere. Notably, the two most dramatic are the sudden stratospheric warmings (SSWs) and the mesospheric inversion layers (MILs). Specifically, SSWs manifest in winter by increasing the polar cap temperature (40 to 60 K) and weakening the polar vortex, which can reverse the westerly winds for the most extreme cases. A perturbed polar vortex can then impact the tropospheric weather in the following months by generating, for instance, severe cold air outbreaks. MILs represent an unexpected increase in temperature (10 to 50 K) occurring in the mesosphere, lasting several days and spanning thousands of kilometers. Moreover, MILs can represent significant issues for the safe reentry of rockets, space shuttles, or missiles into the atmosphere, sparking more interest in this phenomenon. For many years, the scientific community has investigated these two phenomena to understand their mechanism of occurrence and their effects on the atmosphere. The emergence of LiDAR technology and improved reanalysis products archiving the past climate has made their study more accessible.

In this thesis, the objective is to make advancements in the understanding and the description of SSW and MIL phenomena with new LiDAR observations acquired at the Observatoire of Haute-Provence (44°N, 6°E) and the last generation of reanalysis product, ERA5, lasting from 1940 until the present. To commence our study of these phenomena through ERA5 data, we initially evaluated the capability of ERA5 in replicating the variability in the middle atmosphere by comparing it with LiDAR observations. We found that the observed stratospheric variability during wintertime, including the one generated by SSWs, is accurately reproduced in ERA5 reanalysis. However, the model cannot replicate this accuracy in the summer stratosphere and mesosphere, regardless the season, due to either the absence or imprecise simulation of MIL events. Additionally, we present new co-located temperature-wind observations during MIL events and assess how ERA5 simulates wind in the presence of MIL. A deceleration in wind occurs in the same altitude range as the temperature enhancement, supporting the role of gravity waves in the apparition of this phenomenon. In light of these findings, the ERA5 reanalysis in the stratosphere and the troposphere was solely used to study the main winter stratosphere unfoldings modulated by the timing of SSWs and their vertical links throughout winter months. Interestingly, we discovered that during wintertime in the northern hemisphere, the stratosphere follows four separate scenarios with distinct stratosphere-troposphere couplings. We found notable surface precursors associated with these scenarios that could potentially have applications for seasonal prediction.

Prévoir l’évolution des ressources en eau est un défi majeur dans un contexte de changement climatique et de rivières hautement anthropisées. Nous proposons une méthode innovante pour détecter et quantifier les changements dans le débit des rivières, climatiques et non climatiques. Un modèle de surface (LSM) est utilisé pour estimer la réponse « naturelle » de la surface continentale aux fluctuations climatiques. Le cadre conceptuel de Budyko est ensuite utilisé, pour décomposer l’évolution du débit en une réponse directe aux fluctuations climatiques, et une réponse indirecte, due aux changements de l’efficacité évaporative du bassin versant. Comparer l’application de ce cadre aux sorties du LSM et à des débits observés permet de mettre en évidence les zones où la réponse « naturelle » des bassins versants à la variabilité climatique est insuffisante pour expliquer les changements enregistrés.

Les résultats obtenus en Europe montrent que la part de l’évolution des débits due au climat est dominée par la tendance sur les précipitations moyennes (P), avec en facteurs secondaires l’évapotranspiration potentielle (PET) dans la majeure partie de l’Europe et la répartition intra-annuelle de P en Méditerranée. Cependant, l’évolution générale des débits est dominée à l’échelle du siècle par des facteurs non pris en compte dans le système « naturel ».

Notre méthode permet d’identifier et de quantifier l’effet général de ces facteurs et de les corréler à certains vecteurs potentiels comme l’installation de barrages mais seul les futurs développements des LSM pour mieux intégrer les facteurs anthropiques permettrons d’attribuer les tendances non climatiques détectées. Or, la plupart des activités humaines qui influent sur le cycle de l’eau prennent place à petite échelle, celle des réservoirs ou des périmètres d’irrigation, et les forçages atmosphériques limitent la résolution d’exécution des LSM. La première étape consiste donc à construire un forçage atmosphérique à plus haute résolution. Pour aborder ce défi, nous combinons un jeu de données issu d’observations avec les résultats de modèles atmosphériques à l’échelle kilométrique. Ces derniers permettent de désagréger les observations selon des champs atmosphériques cohérent spatialement et en altitude.

Français

Les modèles du climat simulent un ralentissement de la circulation méridienne atlantique de retournement (Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC) au cours du 21^e siècle. Cependant, de grandes incertitudes demeurent sur l’ampleur de ce ralentissement. Les mécanismes contrôlant l’AMOC, dont notamment les interactions océan-atmosphère-glace associées, sont encore mal compris et mal représentés dans ces modèles climatiques. L’AMOC consiste en la dérive nord-atlantique des eaux chaudes et salées du Gulf Stream, qui plongent lors de la formation hivernale de glace de mer dans les mers nordiques. Elles débordent ensuite vers le Sud dans le bassin Atlantique, en franchissant les seuils basaltiques entre le Groenland, l’Islande et l’Écosse. Ces courants de débordement forment par la suite les eaux les plus profondes de l’Atlantique Nord, appelées North Atlantic Deep Water (NADW).

Mon projet de thèse vise à étudier, au cours des derniers 400 000 ans, les variations d’intensité de l’une des masses d’eau de débordement (l’Iceland-Scotland Overflow Water ou ISOW), qui constitue l’une des deux branches profondes de l’AMOC en Atlantique Nord. Une approche multi-traceurs incluant des analyses par fluorescence aux rayons-X, de granulométrie et de magnétisme environnemental, a été appliquée sur les fractions détritiques de trois archives sédimentaires (MD03-2673, MD03-2679 et MD03-2685) situées le long du passage de l’ISOW actuel (Björn et Gardar drifts).

À l’échelle glaciaire-interglaciaire, l’ISOW est caractérisée par deux régimes distincts : intensité forte durant les périodes interglaciaires au sens large, intensité faible (mais non nulle) durant les périodes glaciaires. Les transitions entre ces deux régimes semblent être déclenchées par des évènements millénaires. L’état du régime d’intensité suite à cet évènement semble dépendre du volume des calottes glaciaires de l’hémisphère Nord, notamment lorsqu’une valeur seuil de δ¹⁸O benthique de 4 ‰ est franchie.

À l’échelle millénaire, les variations d’intensité de l’ISOW montrent un fort couplage entre les températures de surface du gyre subpolaire, celles du Groenland, et les décharges d’eau douce en Atlantique Nord. Un schéma complexe semble émerger de ces couplages, suggérant que les variations d’intensité de l’ISOW (ralentissement/renforcement) agissent comme une conséquence d’une extension/rétraction du gyre subpolaire et de la quantité d’eau douce déversée en Atlantique Nord, mais également comme une cause de refroidissement/réchauffement de l’hémisphère Nord.

Les optima climatiques passés, parfois plus chauds qu’aujourd’hui, montrent les intensités les plus fortes des derniers 400 000 ans. Elles ont lieu à la fin des optima climatiques, soit plusieurs milliers d’années après les maxima de température de surface et de gaz à effet de serre. Ces maxima tardifs d’intensité de l’ISOW semblent être liés à un contexte orbital particulier, influençant le climat régional en mer nordiques, proche des zones de convection.

À toutes ces échelles de temps, les changements de l’intensité de l’ISOW semblent être gouvernés par des changements de densité entre l’amont (Gulf Stream, dérive Nord Atlantique) et l’aval (zones de convection dans les mers nordiques) du système hydrologique nord-atlantique de surface/subsurface. La prise en compte de l’importance de tels mécanismes dans les modèles climatiques pourrait permettre d’améliorer et mieux représenter les changements océanographiques futurs.

English

Climate models simulate a slowdown of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) over the 21st century, but major uncertainties still remain as to the extent of this slowdown. The mechanisms controlling AMOC, including the associated ocean-atmosphere-ice interactions, are still poorly understood and represented in these climate models. The AMOC consists of a northward drift of the warm and salty waters to the Nordic Seas, due to winter sea ice formation, these waters densify and sink. They return southward into the Atlantic basin, passing over the basaltic sills between Greenland, Iceland and Scotland. These overflow currents then form the deepest waters of the North Atlantic, known as North Atlantic Deep Water (NADW).

The aim of my PhD project is to study, over the last 400,000 years, the variations in the strength of one of the overflow water masses (the Iceland-Scotland Overflow Water or ISOW), which constitutes one of the two deeper branches of the AMOC in the North Atlantic. A multi-proxy approach, including X-ray fluorescence, grain size and environmental magnetism analyses, was applied to the detrital fractions of three sedimentary archives (MD03-2673, MD03-2679 and MD03-2685) located along the present-day pathway of ISOW (Björn and Gardar drifts).

On glacial-interglacial timescales, the ISOW is characterized by two distinct regimes: strong intensity during interglacial periods (s.l.), weak (but not absent) intensity during glacial periods. The transitions between these two regimes appear to be triggered by millennial scale events. The state of the intensity regime following this event then seems to depend on the Northern Hemisphere ice-sheet volume, particularly when a benthic δ¹⁸O threshold value of 4 ‰ is crossed.

On millennial timescales, ISOW intensity variations show a strong coupling between surface temperatures of the subpolar gyre, of Greenland, and freshwater discharges in the North Atlantic. A complex pattern seems to emerge from these couplings, suggesting that variations in ISOW intensity (slowdown/strengthening) act as a consequence of an extension/retraction of the subpolar gyre and the amount of freshwater discharged into the North Atlantic, but also as a cause of cooling/warming in the Northern Hemisphere.

Past climate optima, sometimes warmer than today, show the strongest intensities of the last 400,000 years. They occur at the end of the climatic optima, several thousand years after the surface temperature and greenhouse gas maxima. These late maxima in ISOW intensity appear to be linked to a particular orbital context, influencing regional climate in the Nordic Seas, close to convection areas.

Changes in ISOW intensity appear to be, on all time scales, dominated by density changes between the upstream (Gulf Stream, North Atlantic drift) and downstream (convection areas in the Nordic seas) North Atlantic surface/subsurface hydrological system. Considering the importance of such mechanisms in climate models could help to improve and better represent future oceanographic changes.