Dynamiques du blocage atmosphérique et son lien avec les événements de températures extrêmes.

Dynamics of atmospheric blocking and its link to extreme temperature events

• Auteur / Autrice : Vinita Deshmukh
• Direction : Gwendal Riviere, Sebastien Fromang
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences du climat, de l'atmosphère et des océans, terrestres et planétaire
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 10/12/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMD - Laboratoire de Météorologie Dynamique
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole normale supérieure
• Jury : Président / Présidente : Fabio D'andrea
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gwendal Riviere, Stephan Pfahl, Olivia Romppainen-martius, Sebastien Fromang, Davini Paolo, Camille Li
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stephan Pfahl, Olivia Romppainen-martius

Mots clés

Mots clés libres

Dynamiques atmosphérique

Extrêmes de température sur l’Europ

Blocage atmosphérique

Atmospheric Dynamics

Extreme temperature weather in Europe

Atmospheric blocking

Résumé

Le blocage atmosphérique est une caractéristique clé de la variabilité météorologique aux latitudes moyennes. Il se définit comme une anomalie de circulation anticyclonique quasi-stationnaire perturbant le flux d’ouest dominant, souvent associée à des événements météorologiques extrêmes. Cependant, les mécanismes de blocage ne sont pas encore entièrement compris, et leur représentation précise dans les modèles climatiques demeure un défi. Même les modèles de prévision météorologique peinent à prédire l’apparition et la durée des blocages. Cette thèse vise à approfondir la compréhension des mécanismes de blocage et leurs liens avec les extrêmes de température à travers trois axes principaux : (i) la contribution des processus secs et humides à la circulation de blocage, (ii) l'impact des flux d’humidité océanique, en particulier du Gulf Stream, sur la dynamique de blocage, et (iii) l'influence des caractéristiques du blocage sur les vagues de chaleur aux latitudes moyennes. Traditionnellement, le blocage a été expliqué par des théories dynamiques sèches impliquant des ondes de Rossby. Cependant, des études récentes montrent que les processus humides, tels que la libération de chaleur latente, jouent également un rôle crucial dans la formation et le maintien des blocages. La première partie de la thèse examine si ces processus humides introduisent des caractéristiques uniques qui ne peuvent pas être capturées par la dynamique sèche. Pour cela, un modèle de noyau dynamique sec développé par l'IPSL a été utilisé, configuré pour obtenir une climatologie proche des réanalyses ERA5 pour l'hiver perpétuel. Les statistiques de blocage issues du modèle sec et de l'ERA 5 ont ensuite été comparées à l'aide d'une détection basée sur les anomalies de PV (potentiel de vorticité). Les résultats montrent que la fréquence des blocages est inférieure de 50 % dans le modèle sec par rapport à ERA5, en raison de conditions favorables moins fréquentes pour initier un blocage. Toutefois, les caractéristiques principales (intensité, forme, durée) des blocages sont similaires dans les deux ensembles, indiquant que malgré des processus différents, un modèle sec peut encore bien représenter les cycles de vie des blocages. La deuxième partie de la thèse, réalisée en collaboration avec un autre doctorant, explore le rôle du flux de chaleur latente de surface du Gulf Stream (SLHF) dans les événements de blocage. Des simulations de sensibilité ont été effectuées avec le modèle ECMWF-IFS, où le SLHF du Gulf Stream a été supprimé. Les résultats indiquent une réduction de la fréquence et de la durée des événements de blocage dans l'Atlantique Nord et en Europe, en particulier en hiver, lorsque le Gulf Stream agit comme une source primaire d'humidité alimentant le blocage. Sans ce flux, les pics de blocage diminuent plus rapidement et se déplacent vers l'est. En revanche, en été, cet effet est moins marqué, l'humidité disponible à partir d'autres sources, notamment continentales, jouant un rôle plus important. Enfin, la troisième partie de la thèse s'intéresse au lien entre blocages et vagues de chaleur. Une approche quasi-lagrangienne a montré que la durée des jours bloqués est fortement corrélée à l'intensité et à la durée des vagues de chaleur, notamment à travers la persistance des blocages et la récurrence des épisodes. En outre, les définitions traditionnelles du blocage basées sur les anomalies PV peuvent négliger certains facteurs influençant les vagues de chaleur. Par exemple, les anticyclones subtropicaux et les crêtes moins amplifiées, qui sont souvent exclus des classifications de blocage, peuvent également provoquer des vagues de chaleur importantes, mais de plus courte durée. Ces résultats contribuent à une meilleure compréhension de la dynamique des blocages et à l'amélioration des capacités de prévision des modèles météorologiques et climatiques.

Atmospheric blocking is a key feature of mid-latitude weather. It is defined as a flow configuration, in which a quasi-stationary anticyclonic circulation anomaly disrupts the prevailing westerly flow. This pattern is often linked to various weather extremes. Despite its importance, blocking mechanisms are not fully understood. Accurately representing blocking in climate models is still a challenge, and weather forecasting models struggle to predict the onset and duration of blocking. This thesis aims to enhance the understanding of blocking mechanisms and their links to temperature extremes by exploring three aspects: (i) the contribution of dry and moist processes to blocking circulation, (ii) the impact of oceanic moisture fluxes, particularly from the Gulf Stream, on blocking dynamics, and (iii) the influence of blocking characteristics on mid-latitude heatwaves. Traditionally, blocking has been explained through dry dynamical theories involving atmospheric Rossby waves. However, recent studies show that moist processes, such as latent heat release are also crucial in blocking formation and maintenance. The first part of the thesis investigates whether moist processes produce unique characteristics in blocking that cannot be captured by dry dynamics. To address this, a dry dynamical core model developed by IPSL was used, configured to achieve a climatology close to the ERA5 reanalysis for perpetual winter. This enabled the analysis of blocking statistics using dry dynamics, with realistic wave energy and mean flow. The blocking statistics in the dry model and ERA5 are then compared using a PV-based blocking detection. Frequencies of occurrence of blocks are found to be 50% less in the dry model than in ERA5. These differences were mainly attributed to the rarer favourable conditions to initiate a blocking and to some regional model biases in mean flow and eddy properties. However, the main characteristics of the blocks (intensity, size, duration) are quite similar in the model and ERA5. This study shows that, despite the different processes at play, the main characteristics of the life cycle of observed blocking can be well represented in a dry model. The second part of the thesis was conducted in collaboration with another PhD student. To investigate the role of surface latent heat flux (SLHF) from the Gulf Stream in blocking. Several North Atlantic and European blocking events linked to extreme temperatures were explored. Numerical sensitivity experiments were performed using the ECMWF-IFS model, in which SLHF from the Gulf Stream was suppressed. The results indicated reduced frequency and duration of blocking. Some seasonal variability is observed. During winter, the Gulf Stream acts as a primary moisture source that supports blocking through enhanced warm conveyor belt (WCB) activity. When SLHF was suppressed, blocking ridges decayed faster and were shifted eastward. In contrast, the impact of SLHF suppression was less pronounced in summer, as moisture from broader sources, including continental regions, reduced the dependence on fluxes from Gulf Stream. The final part of the thesis explores the link between blocking and heatwaves. Heatwaves are detected using a quasi-Lagrangian approach which is co-located with blocking. The analysis showed that the number of blocked days is strongly correlated with heatwave intensity and duration, combining the effects of blocking persistence and recurring episodes. Additionally, it was found that traditional definitions of blocking using PV anomalies may not fully capture all heatwave drivers. Such as subtropical anticyclonic highs and less amplified ridges, are often excluded from blocking classifications, yet they can still cause significant, but shorter duration heatwaves compared to those linked with amplified blocking structures. These findings improve our understanding of blocking dynamics, which can enhance weather and climate model predictions