Pas de précipitations ou précipitations extrêmes : comment rendre les modèles régionaux plus fiables en région Euro-Méditerranée ?

No precipitation or heavy precipitation : how can we make regional climate models more reliable over Euro-Mediterranean?

• Auteur / Autrice : Minh Truong Ha
• Direction : Sophie Bastin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du climat, de l'atmosphère et des océans, terrestres et planétaire
• Date : Soutenance le 23/05/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, observations spatiales (Guyancourt, Yvelines ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Solène Turquety
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanouil Flaounas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Douville, Emilia Sanchez-Gomez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Milieux extrêmes

Convection (météorologie)

Effets des changements climatiques

Précipitations (météorologie)

Mots clés libres

Précipitations extrêmes

Modèles régionaux

Euro-Méditerranée

Extreme precipitation

Regional climate models

Euro-Mediterranean

Résumé

La zone euro-méditerranéenne a été identifiée comme particulièrement vulnérable au changement climatique avec une probabilité plus élevée d'occurrence d'événements extrêmes conduisant à des inondations et des sécheresses. Cependant, les modèles ont tendance à simuler trop souvent de faibles précipitations et à sous-estimer les fortes précipitations, ce qui les rend peu fiables pour l'estimation des futurs événements extrêmes dans cette région. La motivation de ce projet de thèse est de mieux comprendre et modéliser les processus conduisant à ces extrêmes, en considérant leur variabilité spatiale liée à des conditions très diverses, et de mieux estimer la réponse de ces processus au changement climatique. J'analyse d'abord le déclenchement des précipitations en me basant sur la relation entre les précipitations, la vapeur d'eau intégrée et la température troposphérique à partir de différents ensembles de simulations climatiques régionales sur l'Europe, de 0,44° de résolution à une résolution de l'ordre de 3 km permettant le développement explicite de la convection (CP pour convective-permitting), afin d'évaluer l'impact de la résolution et de la paramétrisation de la convection dans la représentation du déclenchement des précipitations. Ensuite, j'ai exploité un autre petit ensemble de simulations dans lesquelles la paramétrisation de la convection profonde est désactivée à une résolution plus grossière que 3km, ceci afin de démêler l'impact d'une résolution plus élevée de celui de la convection explicite dans les simulations CP. Enfin, j'ai étudié l'évolution des processus de déclenchement des précipitations dans un climat en réchauffement en utilisant un ensemble de simulations de CP. Les résultats montrent que l'ensemble de simulations CP permet de diminuer l'occurrence des faibles précipitations et de simuler des extrêmes de précipitations plus intenses. Pour expliquer ces résultats, je détermine la valeur critique d'humidité (IWVcv) au-delà de laquelle l'occurrence des précipitations augmente rapidement pour différents bins de température. Je montre que la fréquence plus faible des précipitations dans les simulations CP peut être expliquée par une valeur d'IWVcv plus élevée et une probabilité plus faible de dépasser cette valeur critique dans les régions de convection forte. La convection explicite joue un rôle plus important dans la simulation de la fréquence des précipitations, tandis que l'impact d'une résolution plus élevée varie selon les modèles. En outre, sur les hautes montagnes, la résolution du modèle a un impact plus important dans la simulation de l'IWVcv car les processus dynamiques liés à l'orographie jouent un rôle important dans le déclenchement de la convection. Sur les plaines, une résolution plus élevée a un impact plus important pour les basses températures mais à haute température, quand les processus convectifs dominent, l'impact de la convection explicite profonde est plus important. Au-dessus de la mer, l'IWVcv n'est pas affectée par la résolution du modèle car le déclenchement des précipitations dépend de la convergence à grande échelle. Dans un climat en réchauffement, la distribution de l'IWVcv devrait se déplacer vers des températures et une vapeur d'eau plus élevées, ce qui conduit à une convection moins fréquente mais plus forte dans les projections futures.

The Euro-Mediterranean area has been identified as a hot-spot for climate change with higher probability of occurrence of extreme events conducive to floods and droughts. However, models tend to simulate too often light precipitation and to underestimate heavy precipitation, making them unreliable for the estimation of future extreme events over this region. The motivation of this PhD project is to better understand and model the processes leading to these extremes, by considering their spatial variability linked to very diverse conditions, and to better estimate the answer of these processes to climate change. I first analyze the triggering of precipitation based on the relationship between precipitation, IWV and tropospheric temperature from different ensembles of the regional climate simulations over Europe from 0.44° to convective-permitting (CP) resolution to assess the impact of resolution and convection parameterization in representing precipitation triggering. Then I used a small ensemble of simulations with the parameterization of deep convection switched off at a coarser resolution than the CP ensemble, this aims to disentangle the impact of higher resolution and explicit convection in CP simulations. Finally, I investigated the evolution of precipitation triggering processes in a warming climate using an ensemble of CP simulations. The results show that CP ensemble presents a lower occurrence of weak precipitation and more intense extreme events. To explain this tendency, I determine the critical value of water vapor (IWVcv) over which the precipitation occurrence picks up for different bins of temperature and I compare the values obtained for the different ensembles. I show that lower frequency of precipitation in CP simulations can be explained by higher IWVcv and lower probability to exceed IWVcv over the areas with vigorous convection. The explicit convection plays a more important role in simulating precipitation frequency, while the impact of higher resolution varies with different models. In addition, over the high mountain, model resolution has a larger impact in simulating IWVcv because dynamical processes linked to orography play an important role in triggering convection. Over the plains, higher resolution has a larger impact at low temperature bins but at high temperature, the impact of deep explicit convection is greater. Over the sea, IWVcv is not impacted by model resolution because precipitation triggering depends on large scale convergence over there. In a warming climate, the distribution of IWVcv is expected to shift towards higher temperature and water vapor, this leads to a less often but stronger convection in the future projections.