Cyclones tropicaux et méditerranéens dans le modèle de climat de l'IPSL : détection et évaluation

Tropical and mediterranean cyclones in the IPSL climate model : tracking & assessment

• Auteur / Autrice : Stella Bourdin
• Direction : Sébastien Fromang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 11/01/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : 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
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Braconnot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Malardel, Enrico Scoccimarro, Caroline Muller, Malcolm Roberts
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Malardel, Enrico Scoccimarro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Institut Pierre Simon Laplace des sciences de l'environnement global (Paris ; Guyancourt, Yvelines)

Évènements climatiques extrêmes

Cyclones

Mots clés libres

Cyclones

Evènements extrêmes

Haute-Résolution

Modèle de climat global

Ipsl-Cm

Tropical cyclones

Extreme events

High resolution

Global cimate model

Ipsl-Cm

Résumé

Les tempêtes font partie des désastres qui font le plus de dégâts sur terre : elles sont les plus coûteuses, et les deuxièmes plus mortelles. Parmi ces tempêtes, les cyclones tropicaux font le plus de dégâts. Il existe aussi un type de cyclone subtropical méditerranéen proche des cyclones tropicaux, appelé medicane, qui peut causer d'importants dégâts, comme l'a prouvé l'exemple récent de la tempête Daniel.L'étude des cyclones tropicaux et subtropicaux repose en grande partie sur les modèles de climat. Il est bien établi qu'une condition nécessaire à la simulation de ces phénomènes est une résolution horizontale de quelques dizaines de kilomètres.L'Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL) développe et maintient un modèle de climat (IPSL-CM), avec lequel il est désormais possible d'atteindre ces résolutions grâce au développement récent de DYNAMICO.Ma thèse consiste à évaluer l'opportunité que représente l'arrivée de DYNAMICO pour l'étude des cyclones tropicaux au sein de l'IPSL. J'ai donc adressé la question suivante : Le modèle de l'IPSL à haute résolution horizontale est-il capable de simuler correctement la climatologie des cyclones tropicaux et méditerranéens ?Dans un premier temps, j'ai effectué une comparaison de plusieurs méthodes de détection des cyclones tropicaux dans des données climatiques. Pour cela, j'ai appliqué quatre méthodes à la réanalyse ERA5, et comparé les résultats à une base de données d'observations. J'ai montré que toutes les méthodes de détection sont capables de détecter environ 80% des cyclones observés. Elles s'accordent toutes sur les évènements les plus forts. La fréquence et la durée des évènements détectés varient selon la propension des méthodes à détecter les cyclones faibles. Certaines méthodes ont aussi tendance à détecter des cyclones extra-tropicaux. Pour remedier à ce problème, j'ai développé deux méthodes de filtrages de ces systèmes. (Bourdin et al., 2022)J'ai ensuite procédé à l'évaluation de la climatologie des cyclones tropicaux dans six simulations de résolution variable, produites selon le protocole HighResMIP. Dans ces simulations historiques en atmosphère seule, on constate que l'activité cyclonique augmente énormément lorsque la résolution augmente de 200 à 25 km. L'augmentation de la résolution permet aussi de mieux simuler la répartition des cyclones entre et parmi les bassins, et la structure des cyclones. Le modèle à haute résolution est capable de simuler la variabilité interannuelle observée et son lien avec ENSO, en particulier dans le Nord Atlantique et de Nord-Est Pacifique. Dans le Nord-Ouest Pacifique, le modèle ne simule pas assez de cyclones tropicaux à cause d'un biais climatologique dans la circulation de grande échelle. Le modèle de l'IPSL démontre une capacité particulièrement bonne à simuler les cyclones tropicaux dans le Nord Atlantique, qui est un bassin où beaucoup d'autres modèles présentent des biais. (Bourdin et al., 2023, en révision)Enfin, j'ai étendu mon évaluation aux cyclone méditerranéens pour mettre en évidence les particularités des medicanes.Le modèle simule une climatologie de cyclones méditerranéens et de medicanes similaire à la réanalyse ERA5. Cela permet de montrer que les medicanes ont une structure plus symétrique, et que les flux de surface y jouent un rôle plus important que pour l'ensemble des cyclones méditerranéens. De plus, ils n'apparaissent qu'en présence d'un faible cisaillement de vent horizontal.En conclusion, ma thèse démontre la capacité du modèle de l'IPSL à simuler des cyclones tropicaux et méditerranéens à une résolution horizontale de 25 km. Cela ouvre la voie à des études plus poussées des cyclones tropicaux avec le modèle de l'IPSL, qui pourront aider à mieux comprendre la climatologie de ces évènements.

Storms are among the most damaging disasters on earth: the most costly and the second deadliest. Among these storms, tropical cyclones cause the most damage. Medicanes --- Mediterranean subtropical cyclones --- can also do significant harm, as demonstrated by the recent example of Storm Daniel.The study of tropical cyclones is largely based on climate models. It is well established that a prerequisite for simulating these phenomena is a horizontal resolution of a few tens of kilometres.The Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL) develops and maintains a climate model (IPSL-CM), with which it is now possible to achieve such high resolutions thanks to the recent development of DYNAMICO.My thesis assesses the opportunity associated with the arrival of DYNAMICO for studying tropical cyclones at IPSL. The question I address in the present thesis is: Is IPSL-CM at high horizontal resolution capable of correctly simulating the climatology of tropical and Mediterranean cyclones?First, I compared several methods for detecting tropical cyclones in climate data. To this end, I applied four methods to the ERA5 reanalysis and compared the results with a database of observations. I showed that all detection methods can detect around 80% of observed cyclones. They agree on the strongest events. The frequency and duration of events detected vary according to the methods' propensity to detect weak cyclones. Some methods also tend to detect extra-tropical cyclones. To counter this problem, I have developed two methods to filter out such systems. (Bourdin et al., 2022)I then assessed the climatology of tropical cyclones in six simulations with varying resolutions, produced using the HighResMIP protocol. In these atmosphere-only historical simulations, the cyclone activity increases dramatically as resolution increases from 200 to 25 km. Increasing resolution also enables better simulation of the distribution of cyclones between and among basins as well as the structure of cyclones. The high-resolution model can simulate the observed interannual variability and its link with ENSO, particularly in the North Atlantic and Northeast Pacific. In the North-Western Pacific, the model does not simulate enough tropical cyclones due to a climatological bias in the large-scale circulation. The IPSL model shows an outstanding ability to simulate tropical cyclones in the North Atlantic, a basin where many other models exhibit biases. (Bourdin et al., 2023, in review)Finally, I have extended my evaluation to Mediterranean cyclones to highlight the particularities of medicanes.The model can simulate Mediterranean cyclones and medicanes climatology in good agreement with the ERA5 reanalysis. The simulated medicanes have a more symmetrical structure, and surface heat fluxes play a more important role compared to Mediterranean cyclones in general. Unlike Mediterranean cyclones, medicanes only appear in the presence of weak horizontal wind shear.In conclusion, my thesis demonstrates the ability of the IPSL model to simulate tropical and Mediterranean cyclones at a horizontal resolution of 25 km. This paves the way for further studies of tropical cyclones with the IPSL model, which may help to better understand the climatology of these events.