Influence de la stratosphère sur la variabilité et la prévisibilité climatique

Stratospheric influence on Northern Hemisphere winter climate variability

• Auteur / Autrice : Gaëlle Ouzeau
• Direction : Hervé Douville, David Saint-Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère et Surfaces continentales
• Date : Soutenance le 28/11/2012
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre national de recherches météorologiques (France)

Mots clés

Mots clés libres

Stratosphère

Variabilité

Prévisibilité

Stratosphere

Variability

Predictability

Résumé

Les moyennes et hautes latitudes de l'hémisphère nord sont caractérisées par une forte variabilité climatique en hiver, incluant l'occurrence d'évènements extrêmes tels que les vagues de froid ou les tempêtes, et présentent une faible prévisibilité aux échéances mensuelle à saisonnière dans les systèmes opérationnels. Un nombre croissant d'études montre qu'au-delà du couplage océan-atmosphère, le couplage troposphère-stratosphère contribue également à la variabilité climatique à ces échelles de temps. Cette thèse vise à mieux comprendre l'influence de la stratosphère sur la variabilité climatique hivernale à nos latitudes, et à quantifier sa contribution potentielle à la prévisibilité climatique saisonnière en comparaison de la contribution océanique. Dans un premier temps, un état des lieux des connaissances sur le couplage troposphère-stratosphère est dressé et la variabilité inter-annuelle du vortex stratosphérique polaire est revisitée par le biais d'analyses composites sur la base des réanalyses atmosphériques du CEPMMT. Ensuite, les principaux outils de cette thèse sont présentés et validés, à savoir le modèle ARPEGE-Climat et la technique de « nudging » permettant de relaxer (guider) le modèle vers les réanalyses. Comme beaucoup de modèles, les versions 4 et 5 d'ARPEGE-Climat en configuration T63L31 simulent un vortex stratosphérique polaire nettement décalé vers le sud, ce qui peut avoir des conséquences négatives sur la variabilité simulée via la modification des interactions ondes-écoulement moyen. Si la faible résolution verticale dans la stratosphère est souvent mise en avant pour expliquer le manque de prévisibilité dans les modèles, nos travaux sur la version 5 d'ARPEGE-Climat montrent que l'augmentation de la résolution verticale et l'élévation du toit du modèle à 0.1 hPa ne suffisent pas pour obtenir un climat plus réaliste, que ce soit en termes d'état moyen, de variabilité ou de prévisibilité à l'échelle saisonnière. C'est pourquoi, tout au long de cette thèse, la technique de la relaxation de la stratosphère vers les réanalyses issues du CEPMMT a été exploitée afin de montrer, de manière idéalisée, sa forte influence sur la variabilité climatique hivernale aux extratropiques de l'hémisphère nord, par rapport au seul forçage par les températures de surface de la mer observées. L'étude des hivers 1976-1977 et 2009-2010 via la réalisation de simulations d'ensemble avec et sans nudging a permis de confirmer la contribution de la stratosphère à la phase négative de la NAO et aux fortes anomalies négatives de température observées sur l'Europe du nord. La généralisation des ensembles à la période 1958-2007 (avec initialisation au 1er Novembre) confirme l'impact positif du nudging extratropical mais montre un effet très limité du nudging équatorial qu'il conviendrait d'évaluer de manière plus précise en augmentant la taille des ensembles. Ainsi, si elle confirme l'importance de la stratosphère pour la prévision saisonnière hivernale à nos latitudes, cette thèse ouvre de nombreuses perspectives concernant les mécanismes qui sous-tendent le couplage troposphère-stratosphère et l'intérêt d'une prévision statistico-dynamique consistant à relaxer le modèle ARPEGE-Climat vers une stratosphère prévue de manière statistique.

In the Northern Extratropics, winter climate shows a large inter-annual variability compared to other regions and seasons, with the occurrence of extreme weather events such as cold spells, heavy snowfall and wind storms. Unfortunately, current dynamical seasonal forecasting systems still show low predictability in the northern mid-latitudes. Besides ocean-atmosphere coupling, there is growing observational and numerical evidence that troposphere-stratosphere coupling also contributes to climate variability on a wide range of scales. The aim of this thesis is to evaluate this additional forcing by focusing on the stratospheric polar vortex influence on the wintertime climate variability in the northern mid-latitudes at inter-annual and intra-seasonal timescales. We first make a synthesis of the knowledge about troposphere-stratosphere coupling. The inter-annual variability of the stratospheric polar vortex is assessed using composite analysis of atmospheric ECMWF reanalysis. Then, the main tools used during this thesis are described, namely the ARPEGE-Climat model and the nudging of the stratosphere towards the ECMWF reanalysis. Like many other models, ARPEGE-Climat has a polar jet which is too weak and displaced southward compared to reanalysis data, regardless his version, which could have negative consequences on the wintertime variability. Although the poorly resolved stratosphere is often suggested to explain the lack of previsibility in the models, our results show that, in the ARPEGE-Climat V5 model, the improved vertical resolution is not sufficient to simulate a more realistic climate variability and predictability. For these reasons, throughout this thesis, the stratospheric relaxation towards the reanalysis data from the ECMWF is used in order to compare his relative contribution to the tropospheric extra-tropical climate variability, compared to the sea surface temperature forcing. Case studies have been carried out for the 1976-1977 and 2009-2010 winters though ensemble simulations with free or nudged stratosphere. Results confirm the relative contribution of the stratosphere to the negative phase of the NAO and the temperature anomalies over the northern Europe. Similar initialized ensemble simulations over the 1958-2007 period confirm the positive impact of the extra-tropical nudging, but show a limited influence of the equatorial nudging, that needs to be analyzed more precisely with a larger ensemble. In conclusion, this thesis shows the importance of a realistic stratosphere in the extra-tropical seasonal forecast in winter, but a lot of questions remains opened, like mechanisms related to the troposphere-stratosphere coupling, and the interest of a statistico-dynamical forecast including a relaxation towards a statistical stratosphere