Étude de l'augmentation des précipitations extrêmes avec la température de surface des océans tropicaux : observations satellites et simulations haute résolution idéalisées

Study of the Increase in extreme precipitation with tropical sea surface temperature : satellite observations andIdealized high-resolution simulations

• Auteur / Autrice : Victorien de Meyer
• Direction : Rémy Roca
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales (Toulouse ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Brogniez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémy Roca, Hélène Brogniez, Fabio D'Andrea, Jérôme Vialard, Caroline Muller, Théo Vischel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabio D'Andrea, Jérôme Vialard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Océanographie -- Observations

Mer -- Température

Précipitations (météorologie) -- Mesure

Mots clés libres

Précipitation

Extrêmes

Tropiques

Satellites

Modèle

Precipitation

Extreme

Tropics

Satellite

Model

Scaling

Résumé

Le réchauffement climatique perturbe le cycle hydrologique dont certaines caractéristiques sont amenées à changer avec l'augmentation de la température globale. La capacité de l'atmosphère à contenir de la vapeur d'eau est dictée par la relation de Clausius-Clapeyron (CC), qui suggère une augmentation de 6~7 % de l'humidité spécifique par degré de réchauffement. Ce surplus d'humidité représente un réservoir supplémentaire permettant d'alimenter les évènements précipitants. Des développements théoriques ont permis de relier l'intensité des précipitations extrêmes au contenu en humidité, dont l'augmentation devrait ainsi suivre le taux de CC. A des échelles accumulées, la quantification de la sensibilité des précipitations extrêmes tropicales à la température de surface est néanmoins incertaine, mais l'essor des mesures satellites permet de proposer une alternative cohérente aux réseaux peu denses d'observations in-situ des tropiques. L'objectif de cette thèse est de quantifier la sensibilité des précipitations extrêmes tropicales à la température de surface aux échelles accumulées et de comprendre les processus à l'origine de cette sensibilité. L'attention est portée sur les océans tropicaux qui permettent de s'affranchir des processus complexes associés aux continents. La sensibilité des précipitations extrêmes à la température de surface des océans tropicaux est quantifiée à l'échelle 1°/1-jour à l'aide d'un ensemble de produits satellites de précipitation et de SST. Un régime de température au sein duquel les précipitations extrêmes augmentent à un taux proche de CC est mis en évidence. Afin de consolider la compréhension de cette sensibilité à 1°/1-jour, le bilan d'énergie statique sèche est revisité mais ne permet de dégager une explication physique simple du taux d'augmentation. Une approche théorique alternative est proposée et fait intervenir la sensibilité de la fraction précipitante au sein du domaine dans la sensibilité des précipitations extrêmes. A l'aide de produits satellites de précipitation haute résolution, il est montré que le changement de la fraction précipitante au sein des points de grille 1°/1-jour pilote le changement des précipitations extrêmes. Dans le but de mieux comprendre les processus à l'origine de la relation entre la sensibilité de la fraction précipitante et des précipitations extrêmes pour lesquels les développements théoriques sont limités, deux pistes sont explorées. Dans un premier temps, des simulations idéalisées issues d'un modèle à convection profonde résolue sont utilisées. Cependant, la réponse des précipitations extrêmes à un réchauffement dans ces simulations est supérieure au taux de CC et dépend de la résolution spatio-temporelle considérée. La fraction précipitante au sein des points de grille est particulièrement faible et son augmentation avec la température n'explique pas à elle seule l'augmentation des précipitations extrêmes. Dans un second temps, le rôle des systèmes convectifs de méso-échelle (MCS) dans la sensibilité des précipitations extrêmes est étudiée à l'aide d'un algorithme de suivi de MCS appliqué à des observations satellites. La diminution de la vitesse moyenne de propagation des MCS associés aux points de grille avec une précipitation extrême est mise en évidence et peut permettre d'expliquer l'augmentation de la nébulosité froide des points de grille, et par extension celle de la fraction précipitante. Il est également montré que la configuration idéalisée des simulations utilisées ne permet pas de représenter correctement la propagation des MCS et questionne la pertinence de ces simulations pour étudier les processus associés au scaling. D'autres simulations plus réalistes pourraient permettre de représenter plus fidèlement l'organisation de la convection méso-échelle et ainsi d'explorer la distribution verticale des variables issues des développements analytiques.

Global warming disrupts the hydrological cycle, certain characteristics of which are likely to change with the increase in global temperature. The water holding capacity of the atmosphere is dictated by the Clausius-Clapeyron (CC) equation, which suggests an increase in specific humidity of about 6~7% per degree of warming. The excess in moisture represents an additional supply for storms. Theoretical developments have related the intensity of extreme precipitation to the moisture content of the atmosphere, which would then scale at the CC rate. Nevertheless, there are still uncertainties concerning the quantification of the scaling of tropical extreme precipitation with surface temperature at coarse-grained scales, but the development of satellite measurements makes it possible to propose a valuable alternative to the sparse networks of in-situ observations in the tropics. The objective of this thesis is to quantify the scaling of tropical extreme precipitation with surface temperature at coarse-grained scales and to understand the processes behind the scaling. The focus is on the tropical oceans, which overcome the complex processes associated with land. The scaling of extreme precipitation with tropical sea surface temperature (SST) is quantified at the daily 1°x1° scale using a set of precipitation and SST satellite products. A SST regime within which extreme precipitation increases at a rate close to CC rate is highlighted. In order to consolidate the understanding of the daily 1°x1° scaling, the dry static energy balance is revisited but does not allow to identify a simple physical explanation of the rate of increase. An alternative theoretical approach is proposed and involves the scaling of the precipitating fraction within the domain to explain the scaling of extreme precipitation. Using high-resolution satellite precipitation products, it is shown that the change in the precipitation fraction within the daily 1°x1° grid points drives the change in extreme precipitation. In order to better understand the processes at the origin of the relationship between the scaling of the precipitating fraction and extreme precipitation for which theoretical developments are limited, two avenues are explored. First, idealized simulations from a convection permitting model are used. However, the scaling of extreme precipitation with SST in these simulations is greater than the rate of CC and depends on the spatio-temporal resolution considered. The precipitating fraction within the grid points is particularly low and its increase with temperature alone does not explain the increase in extreme precipitation. On the other hand, the role of mesoscale convective systems (MCS) in the sensitivity of extreme precipitation is studied using an MCS tracking algorithm applied to satellite observations. The decrease in the MCS average propagation speed associated with grid points with extreme precipitation is highlighted and can help explain the increase in cold cloudiness of the grid points, and by extension that of the precipitating fraction. It is also shown that the idealized setup of the simulations used does not allow to correctly represent the propagation of MCS and questions the relevance of these simulations to study the processes associated with scaling. Other more realistic simulations could offer the possibility to more faithfully represent the organization of mesoscale convection and thus to explore the vertical distribution of the physical variables resulting from theoretical developments.