Impact du changement climatique sur la turbulence en ciel clair pour l'aviation

Impact of climate change on clair-air turbulence for aviation

• Auteur / Autrice : Mohamed Foudad
• Direction : Emilia Sanchez-Gomez, Thomas Jaravel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 25/03/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Climat, Environnement, Couplages et Incertitudes (Toulouse ; 2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Tulet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Ricard, Paul Williams
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Riwal Plougonven, Gaëlle de Coëtlogon, Fabio D'Andrea

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence en air limpide

Changements climatiques -- Adaptation

Transports aériens

Mots clés libres

Turbulence

Changement climatique

Aviation

CAT

Courant-jet

Turbulence

Climate change

Aviation

CAT

Jet-steam

Résumé

Dans cette thèse, nous avons exploré l'impact du changement climatique sur la turbulence en ciel clair (CAT), un phénomène affectant la sécurité aérienne et à l'origine de la plupart des accidents dans l'aviation liés aux conditions météorologiques. Des études récentes indiquent une augmentation de la fréquence de la CAT au cours des dernières décennies, tendance qui devrait persister avec le réchauffement climatique. Notre recherche, s'appuyant sur différentes réanalyses atmosphériques et simulations de modèles climatiques, a intégré les incertitudes liées à la variabilité interne et aux modèles pour étudier les changements de la CAT dans un climat passé et futur. Nous avons démontré que les modèles sont adéquats pour caractériser la CAT en haute altitude, bien que certains modèles tendent à sous-estimer la fréquence de la CAT dans l'Atlantique nord. De plus, nous utilisons plusieurs diagnostics de CAT pour évaluer la sensibilité des résultats aux différentes représentations de la turbulence. Nous avons observé une augmentation significative de la fréquence de la CAT, notamment dans l'Atlantique nord, le Pacifique nord, l'est de l'Asie, Moyen-Orient et l'Afrique du Nord. Cela est principalement dû à une forte augmentation du cisaillement vertical du vent dans les courants-jets, qui est lui-même dû à l'accentuation du gradient méridien de température causé par le réchauffement des tropiques et le refroidissement au pôle en haute altitude. L'analyse a révélé que, dans certaines régions de l'hémisphère nord, la variabilité interne du climat est prédominante, tandis que dans d'autres, les changements observés sont principalement dus au réchauffement climatique. Les projections indiquent que la tendance à l'augmentation de la fréquence et de l'intensité de la CAT se poursuivra, surtout dans les régions situées dans la bande de latitudes 20-40° N, s'intensifiant avec le degré de réchauffement global. Des incertitudes persistent néanmoins dans l'Atlantique Nord, liées aux modèles et aux indices de CAT. Nos résultats suggèrent que la CAT risque de devenir plus intense, avec des implications importantes pour la sécurité et les opérations aériennes, ainsi que pour la conception des futurs avions. Nous avons également lié la CAT aux régimes de temps dans l'Atlantique Nord, révélant que la phase positive de la NAO favorise le développement de la CAT en hiver. Nous proposons des trajectoires de vol pour les traversées transatlantiques qui minimisent la consommation de carburant (donc les émissions de CO2) et évitent la CAT, adaptées selon les régimes de temps. Nous avons constaté qu'il est possible de réduire la consommation de carburant tout en évitant la CAT, à l'exception dans les jours du régime NAO. L'optimisation des itinéraires pourrait donc bénéficier à l'industrie de l'aviation et contribuer à minimiser l'impact de l'aviation sur l'environnement.

In this thesis, we investigated the impact of climate change on clear-air turbulence (CAT), a phenomenon with important consequences for aviation safety and causes most weather-related aircraft incidents. Recent studies have shown that in response to climate change, CAT could significantly increase. Here, we use several atmospheric reanalyses and coupled model experiments database to incorporate and address the uncertainties related to internal variability and climate models in past and future CAT trends. We conclude that the models are suitable tools to study CAT. Nevertheless, we show that over the North Atlantic region, most models underestimate CAT frequency. Several CAT diagnostics are computed to assess the sensitivity of results to different turbulence representations. We observed a significant increase in CAT frequency in recent decades over several regions in the Northern Hemisphere: North Atlantic, North Pacific, East Asia, Middle East and North Africa. This is mainly due to a large increase in the vertical wind shear related to the subtropical jet strengthening, which is due in turn to the sharpening of the meridional temperature gradient caused by the warming over the tropics and the cooling over high latitudes in upper atmospheric levels. Our results suggest that in some regions of the northern hemisphere, the internal climate variability is large enough to mask the anthropogenic-induced signal, while in others, the changes observed could be potentially attributed to global warming. Multi-model climate projections indicate that the positive trend reported in the past will continue to increase in the future with the global warming level. In general, models project an increase in CAT frequency and intensity within the 20-40°N latitudinal band. In the North Atlantic, large uncertainty remains due to lack of model agreement and differences among the various CAT diagnostics. The projected increases in CAT frequency and intensity shown in this thesis could have a significant impact on aviation operations and safety, as well as on the design of future aircrafts. We have also investigated the connections between CAT and the prevailing weather regimes in the North Atlantic. The analysis indicate that the positive phase of the NAO creates a favorable environment for the development of CAT in the winter season. Trajectories for transatlantic flight routes that minimize fuel consumption (thus CO2 emissions) and avoid CAT are proposed, for each weather regime. We have found that it is possible to reduce fuel consumption while avoiding CAT, with the exception of NAO regime days. Route optimization could therefore benefit the aviation industry and contributing to minimizing aviation's impact on the environment.