Modéliser les évolutions du climat de l'Arctique et de la calotte groenlandaise pendant le dernier interglaciaire pour en comprendre les mécanismes

Towards an improved understanding of the Arctic climate and Greenland ice sheet evolutions during the last interglacial period – a modelling study

• Auteur / Autrice : Marie Sicard
• Direction : Masa Kageyama, Sylvie Charbit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère, climat et observations spatiales
• Date : Soutenance le 01/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....) - Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Daux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dan Lunt, Hugues Goosse, Didier Swingedouw, Catherine Ritz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dan Lunt, Hugues Goosse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arctique -- Climat

Climat interglaciaire

Simulation par ordinateur

Climat

Groenland

Calottes glaciaires

Arctique

Paléoclimatologie

Mots clés libres

Paléoclimats

Calottes glaciaires

Modélisation

Dernier interglaciaire

Groenland

Paleoclimates

Ice sheets

Modelling

Last interglacial

Greenland

Résumé

Le dernier interglaciaire, qui s'étend de 129 000 à 116 000 ans avant notre ère, est l’une des périodes les plus chaudes de ces 800 000 dernières années. Cette période se caractérise par une distribution saisonnière et latitudinale de l’insolation différente de l’actuel, se manifestant par une hausse des températures dans les hautes latitudes de l’hémisphère nord par rapport à la période pré-industriel (1850). Durant cette période, l’élévation du niveau marin (+ 6 à 9 m par rapport au niveau actuel) indique que les calottes polaires étaient moins volumineuses qu'aujourd'hui. Le dernier interglaciaire est donc un sujet d'étude important étant donnés les risques de fonte des calottes glaciaires sous l'influence du réchauffement actuel et à venir. C’est aussi un bon cas d’étude pour identifier et quantifier les mécanismes à l’origine de l’amplification polaire dans un contexte de climat chaud.Dans le cadre de l’exercice d’intercomparaison de modèles CMIP6-PMIP4, j’ai analysé la simulation à climat constant lig127k réalisée au LSCE, à partir du modèle climatique IPSL-CM6A-LR. En Arctique (60-90°N), les variations d’insolation induisent un réchauffement annuel de 0,9°C par rapport à la période pré-industrielle, pouvant atteindre jusqu’à 4,0°C en automne. L’étude du bilan énergétique de la région Arctique a mis en évidence les rôles fondamentaux des variations de la couverture de glace de mer, du stockage de chaleur dans l’océan, ainsi que des changements des propriétés optiques des nuages sur le réchauffement de l’Arctique il y a 127 000 ans.En réponse au changement climatique du dernier interglaciaire, le modèle de calottes GRISLI simule une perte de 10,7 à 57,1% du volume de glace au Groenland. Ce recul de la calotte groenlandaise se traduit par 1) une hausse maximale du niveau marin estimée entre 0,83 et 4,35 m et 2) des interactions climat-calotte engendrant un réchauffement additionnel maximal de 0,2°C à l’échelle de la région arctique. Ces estimations illustrent bien le rôle important des calottes dans le système climatique et rappellent l’importance de coupler les modèles climatiques aux modèles de calottes. Dans ce cadre, une étude préliminaire a été menée à l’aide du modèle atmosphérique ICOLMDZOR v7, utilisant le nouveau cœur dynamique DYNAMICO développé à l’IPSL. Elle a montré que l’utilisation de champs atmosphériques à haute résolution améliorait le calcul du bilan de masse à la surface des calottes polaires. Elle encourage également le couplage asynchrone entre le modèle climatique de l’IPSL, le modèle ICOLMDZOR v7 et le modèle de calotte GRISLI.Enfin, l’analyse du bilan énergétique de la région Arctique à partir d’une expérience idéalisée, dans laquelle la concentration en CO2 atmosphérique augmente de 1% par an, a révélé que des processus similaires sont l'origine du réchauffement de l’Arctique au dernier interglaciaire et celui d’un futur proche.

The Last Interglacial (129 -116 ka BP) is one of the warmest periods in the last 800 ka at many locations. This period is characterized by a strong orbital forcing leading to a different seasonal and latitudinal distribution of insolation compared to today. These changes in insolation result in a temperature increase in the high latitudes of the Northern Hemisphere and a rise in sea level of 6 to 9 m above present. Therefore, the Last Interglacial represents a good case study given the risks of melting ice sheets under the influence of current and future warming. It is also an opportunity to identify and quantify the mechanisms causing polar amplification in a warmer climate than today.Within the framework of the CMIP6-PMIP4 model intercomparison project, I analyzed the lig127k snapshot run with the IPSL-CM6A-LR climate model. In the Arctic region (60-90°N), the insolation variations induce an annual warming of 0.9°C compared to the pre-industrial period (1850) reaching up to 4.0°C in autumn. Investigate changes in the Arctic energy budget relative to the pre-industrial period highlights the crucial roles of changes in the sea ice cover, ocean heat storage and clouds optical properties in the Last Interglacial Arctic warming.As a result of climate change over the Last Interglacial, the GRISLI ice sheet model simulates a Greenland ice loss of 10.7-57.1%, corresponding to a sea level rise of 0.83-4.35 m and a 0.2°C additional warming in the Arctic region. These estimates illustrate the crucial role of polar ice sheets in the climate system. To better assess ice sheet-climate feedbacks in the Arctic, I have therefore carried out a preliminary study using the ICOLMDZOR model that includes the new dynamical core DYNAMICO developed at the IPSL. This study shows that the use of high-resolution atmospheric fields improves the calculation of the surface mass balance in Greenland.Finally, the comparison between past and future Arctic energy budget reveals that the processes causing Arctic warming during the Last Interglacial and the near future are similar.