Réponse des moussons indienne et africaine au changement climatique d’origine anthropique

Response of the Indian and African monsoons to anthropogenic climate change

• Auteur / Autrice : Marcellin Guilbert
• Direction : Pascal Terray, Juliette Mignot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
• Date : Soutenance le 20/10/2023
• 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 d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Francis Codron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Robert Jnglin Wills, Benjamin Sultan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Douville, Elsa Mohino

Mots clés

Mots clés contrôlés

Précipitations (météorologie) -- Variabilité

Changements climatiques

Sahel

Inde

Moussons

Mots clés libres

Mousson

Changement climatique

Climat

Monsoon

Climate change

Climate

Résumé

Les moussons se définissent par un renversement saisonnier des vents qui apporte plus de 80% des précipitations annuelles en Inde et au Sahel, qui en sont largement tributaires. Prévoir leur évolution sous l’effet de l’Homme, qu’on appelle la réponse anthropique, est donc d’une importance capitale d’autant plus que ces deux régions abriteront deux milliards d’habitants en 2100. Cependant, les prédictions de ces moussons que nous sommes capables de fournir sont accompagnées de fortes incertitudes portant sur l’amplitude et parfois sur le signe même de ces changements. En utilisant les simulations réalisées pour le 6ème rapport du Groupe Intergouvernemental sur l’évolution du Climat (GIEC), nous cherchons à comprendre l’origine de ces incertitudes dans les modèles de climat. La performance des modèles à reproduire l'évolution historique (1850-2014) est un facteur de confiance dans leur capacité à prévoir l'avenir. Cependant, ces évolutions historiques sont également marquées par des incertitudes. La première question à laquelle nous voulons répondre est donc: peut-on expliquer l’incertitude des modèles à simuler l’évolution des moussons indienne et sahélienne sur la période historique? Les erreurs que font les modèles par rapport aux observations sont appelées des biais et nous souhaitons tester l’hypothèse qu’ils sont susceptibles d’expliquer en partie les différentes réponses des moussons simulées par les modèles. Nous traitons d’abord le cas de l’Inde, et suivant cette hypothèse, nous montrons que les biais de température des modèles dans l’océan Pacifique équatorial modulent la façon dont ils simulent la réponse historique de la mousson indienne. En effet, nous montrons qu’en modulant la réponse historique de l’océan Pacifique, les biais dans ce dernier affectent la mousson indienne via des mécanismes similaires à ceux qui lient l’ENSO (El Niño – Southern Oscillation) et la mousson en variabilité interannuelle. Nous reproduisons ensuite la même étude pour la mousson sahélienne, où nous montrons que des biais de température dans tous les Tropiques sont fortement liés à la façon dont les modèles simulent son évolution historique. Cependant, nous n'identifions pas le mécanisme physique précis liant ce biais à la mousson sahélienne, mais montrons que cette dernière est fortement dépendante de la façon dont les modèles simulent la réponse du gradient inter-hémisphérique de température, ce qui est physiquement cohérent avec le rôle connu de ce gradient comme modulateur de la position de la zone de convergence intertropicale (ITCZ). Dans la deuxième partie de nos investigations nous basculons dans les projections (2014-2100) basées sur un scénario pessimiste de fortes émissions et adressons la question suivante: quelles sont les sources d’incertitudes de la réponse forcée des moussons au sein des projections? Nous abordons cette fois le cas du Sahel en premier et lions la diversité des réponses à travers les modèles à deux facteurs: la réponse du gradient inter-hémisphérique de température et celle du Pacifique équatorial. Les mécanismes sous-jacents font intervenir une migration de l’ITCZ et une circulation de surface renforcée pour le premier, et une modulation de la circulation de Walker et des ondes tropicales pour le second. Via ces deux facteurs, nous expliquons 62% de l’incertitude des projections au Sahel. Nous traitons finalement le cas du futur de la mousson indienne, et montrons que les incertitudes de celle-ci sont fortement liées à la réponse en température des déserts allant du Sahara au Pakistan, qui influencent également la réponse de la mousson sahélienne. En effet, plus la réponse en température est forte, plus le Heat Low sur les déserts sera prononcé ce qui renforce la circulation en surface des moussons.

The monsoons are defined by a seasonal reversal of winds that brings more than 80% of annual precipitation to India and the Sahel, which are largely dependent on them. Predicting their evolution under the influence of man - the so-called anthropogenic response - is therefore of the utmost importance, all the more so as these two regions will be home to two billion people by 2100. However, the monsoon projections we are currently able to provide are accompanied by major uncertainties concerning the amplitude and sometimes the very sign of these changes. Using recent simulations carried out for the 6th report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), we seek to understand the origin of these uncertainties in climate models. The performance of these models in reproducing historical trends (1850-2014) is a factor of confidence in their ability to predict the future. However, these historical trends are also marked by uncertainties. Consequently, the first question we want to answer is: can we explain the uncertainty of the models in simulating the evolution of the Indian and Sahelian monsoons over the historical period? Model errors in relation to an observed climatology calculated over a reference period of at least thirty years are called biases, and we wish to test the hypothesis that they may partly explain the different responses of the models. We first consider the case of India, and following this hypothesis, we show that the climatological temperature biases of models in the equatorial Pacific Ocean modulate the way they simulate the historical response of the Indian monsoon. Indeed, we show that by modulating the historical response of the Pacific Ocean, climatological biases in the latter affect the Indian monsoon via mechanisms similar to those linking ENSO (El Niño - Southern Oscillation) and monsoon interannual variability. We then reproduce the same study for the Sahelian monsoon, where we show that climatological temperature biases in all the Tropics are strongly linked to the way models simulate its historical evolution. We do not, however, identify the precise physical mechanism linking this bias to the Sahelian monsoon, but we do show that the latter is strongly dependent on the way models simulate the response of the inter-hemispheric temperature gradient, which is physically consistent with the known role of this gradient as a modulator of the position of the inter-tropical convergence zone (ITCZ). In the second part of our investigations, we switch to projections (2014-2100) based on a pessimistic scenario of high emissions, and address the following question: what are the sources of uncertainty in the forced response of the monsoons within the projections? This time, we tackle the Sahel case first and link the diversity of responses across models to two factors: the response of the inter-hemispheric temperature gradient and that of the equatorial Pacific. The underlying mechanisms involve ITCZ migration and enhanced surface circulation for the first factor, and modulation of the Walker circulation and tropical waves for the second. These two factors account for 62% of the uncertainty in Sahel projections. Finally, we look at the future of the Indian monsoon, and show that its uncertainties are strongly linked to the temperature response of deserts from the Sahara to Pakistan, which also influences the response of the Sahelian monsoon. Indeed, the stronger the temperature response, the more pronounced the thermal depression over the deserts, the stronger the monsoon surface circulation and hence the precipitation.