Aspects statistiques et dynamiques des vagues de chaleur extrêmes dans les moyennes latitudes

Statistical and dynamical aspects of extreme heatwaves in the mid-latitudes

• Auteur / Autrice : Robin Noyelle
• Direction : Pascal Yiou, Davide Faranda
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 18/06/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• 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 (1991-....)
• 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 : Dorian Abbot, Olivia Martius, Erika Coppola, Erich Fischer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dorian Abbot, Olivia Martius
• DOI : 10.70675/b512aebfz4979z4354z8d4czfb0a45eac387

Mots clés

Mots clés contrôlés

Évènements climatiques extrêmes

Vagues de chaleur

Algorithmes génétiques

Théorie des valeurs extrêmes

Ondes atmosphériques

Mots clés libres

Extrêmes climatiques

Vagues de chaleur

Algorithmes d'événements rares

Théorie des valeurs extrêmes

Dynamique atmosphérique

Climate extremes

Heatwaves

Rare events algorithms

Extreme value theory

Atmospheric dynamics

Résumé

L'intensité et la fréquence des vagues de chaleur augmentent en réponse au réchauffement climatique d'origine anthropique. Cette thèse étudie les aspects statistiques et dynamiques des événements de chaleur extrêmes et très extrêmes dans les moyennes latitudes, en particulier en Europe. Elle aborde les questions des températures maximales de surface qui peuvent être atteintes pendant une vague de chaleur, la différence entre les mécanismes physiques conduisant à des vagues de chaleur extrêmes et des vagues de chaleur très extrêmes, la possibilité de simuler efficacement des vagues de chaleur très extrêmes dans un modèle climatique et l'évolution dynamique des vagues de chaleur extrêmes avec le réchauffement climatique.La première partie de la thèse étudie les aspects statistiques des vagues de chaleur extrêmes. Elle aborde la question de la limite supérieure des températures de surface. L'approche est basée sur la théorie des valeurs extrêmes (TVE) et compare les résultats cette méthode aux processus physiques qui limitent fondamentalement l'augmentation des températures. Des lacunes de l'approche TVE traditionnelle sont démontrées et je propose une approche pour atténuer ces dernières en contraignant physiquement le fit des distributions de probabilité basées sur la TVE.La deuxième partie de la thèse porte sur la question des mécanismes dynamiques à travers lesquels le système climatique s'organise pour produire des événements de chaleur intenses.Je montre tout d'abord dans un long run de contrôle d'un modèle climatique que les événements de chaleur extrêmes ont tendance à être typiques, c'est-à-dire à être plus semblables les uns aux autres que les événements de chaleurmodérés. L'étude des extrêmes étant limitée par un fort problème de sous-échantillonnage, je détaille ensuite l'intérêt d'utiliser des algorithmes dits d'événements rares qui permettent d'échantillonner plus d'extrêmes que les simulations habituelles ne peuvent en fournir. J'applique un tel algorithme d'événements rares dans le modèle IPSL-CM6A-LR pour échantillonner des étés extrêmes et très extrêmes en Europe occidentale dans des conditions préindustrielles, actuelles et futures de forçages anthropiques. J'étudie en particulier les changements dans la dynamique conduisant à ces étés extrêmes au cours des différentes périodes. Je montre que, dans le modèle, le réchauffement climatique est associé à une diminution de la variabilité de la circulation atmosphérique mais à une augmentation de lavariabilité thermodynamique.Le travail présenté dans cette thèse démontre l'intérêt de faire le lien entre les approches physiques et statistiques pour l'étude des événements climatologiques extrêmes et très extrêmes. Je montre en particulier quel'utilisation de techniques comme les algorithmes d'événements rares permet de répondre à des questions physiques sur le système climatique qui sont hors de portée des méthodes classiques.

Heatwaves are increasing both in frequency and intensity as a result of anthropogenic global warming. This PhD studies statistical and dynamical aspects of extreme and very extreme heat events in the mid-latitudes with a particular focus on European heatwaves. It addresses the questions of the maximal nearsurface air temperatures that can be reached during a heatwave event, the difference between the physical mechanisms leading to extreme vs very extreme heatwaves, the possibility to simulate efficiently very extreme heatwaves in a climate model and the dynamical evolution of extreme heatwaves with global warming.The first part of the PhD investigates statistical aspects of extreme heatwaves. It addresses the question of the upper bound for near-surface air temperatures. The approach is based on Extreme Value Theory (EVT) and I compare the results of this method to the physical processes that fundamentally limit the increase of air surface temperatures. The shortcomings of the traditional EVT approach are demonstrated and I propose an approach to alleviate the latter by physically constraining the fit of the EVT-based probability distributions.The second part of the PhD addresses the question of the dynamical mechanisms by which the climate system organizes to produce intense heat events. I first show in a long control run of a climate model that extreme heatevents tend to be typical, i.e. to be more similar to each other than moderate heat events. Because the study of extremes is impaired by a strong under-sampling problem, I then detail the interest of using so-called rare events algorithms which allow to sample more extremes than regular simulations can provide. I apply such a rare events algorithm in the IPSL-CM6A-LR model to sample extreme and very extreme hot summers inWestern Europe underpre-industrial, present and future conditions of anthropogenic forcings. In particular I investigate changes in the dynamics leading to these extreme summers in the different periods. I show that, in the model, global warming is associated to a decrease of the variability of the atmospheric circulation but to an increase of the thermodynamic variability.The work presented in this thesis demonstrate the interest of bridging the gap between physical and statistical approaches for the study of extreme and very extreme climate events. I show in particular that using techniques like rare events algorithms allows to answer physical questions about the climate system that are out of reach for classical methods.