Thèse en cours

Modélisation des interactions entre glace de mer et atmosphère en Arctique et évaluation des rétroactions climatiques associées

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Auteur / Autrice : Nicolas Michalezyk
Direction : Guillaume GastineauMartin Vancoppenolle
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
Date : Inscription en doctorat le 30/09/2022
Etablissement(s) : Sorbonne université
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques

Résumé

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La banquise Arctique et son déclin sont à l'origine de changements importants dans la région Arctique. En moyenne annuelle, l'extension de la banquise a diminué au rythme de 3.5 à 4.1% par décade sur la période 1979-2012 selon le dernier rapport du GIEC (Gulev et al., 2021). D'après les projections climatiques, l'Arctique n'aura plus de banquise en été d'ici environ 2050 (Notz et al, 2020). Cette diminution est un élément important de l'amplification du réchauffement climatique en Arctique. Or, les modèles climatiques présentent des biais importants, notamment en hiver dans la région Arctique, et ceux-ci peuvent impacter la sensibilité climatique à l'équilibre, qui quantifie l'aptitude d'un modèle à se réchauffer sous l'effet des perturbations anthropiques. Ce doctorat visera donc à améliorer la compréhension des interactions entre la banquise, l'atmosphère et l'océan et leurs impacts sur le réchauffement climatique. Dans un premier volet du doctorat, il sera implémenté une amélioration de la banquise dans la composante atmosphérique du modèle de l'IPSL (Institut Pierre Simon Laplace), appelée LMDZ. Dans ce modèle, on ne peut pas facilement implémenter un couplage avec la composante glace de mer du modèle de l'IPSL, appelée SI3. Ainsi, la banquise dans le modèle LMDZ est très rudimentaire, avec un albédo et une conductivité peu réaliste, et une mauvaise représentation de la neige au-dessus de la banquise (Hourdin et al., 2020). Cela représente un frein important pour l'ajustement du modèle climatique de l'IPSL (Boucher et al., 2020). Pour améliorer la banquise, on modifiera dans LMDZ l'albédo et la conductivité de la glace et de la neige. On se basera sur le code de la composante thermodynamique de SI3, et sur celui de la glace de mer dans la couche de mélange océanique implémenté dans Liu et al. (2021). Il est prévu également de tester des paramétrisations pour représenter une épaisseur réaliste de la banquise. D'autre part, il a été démontré que les fissures présentes dans la banquise (leads en anglais) pouvaient organiser la turbulence dans la couche limite atmosphérique, et amplifier le flux de chaleur échangé entre océan et atmosphère. L'effet des leads sur la turbulence de la couche limite atmosphérique sera ainsi également paramétrisé et testé dans LMDZ, en se basant sur le travail réalisé dans le projet H2020 Blue-Action (Davy et al., 2021). On établira l'influence des modifications sur la couche limite atmosphérique, les nuages, ainsi que sur la circulation atmosphérique grande échelle. On utilisera notamment des réanalyses atmosphériques, et les produits satellites CERES ou CALIPSO-Cloudsat pour évaluer le modèle climatique, en étendant le travail réalisé au niveau des nuages en phase mixte de l'hémisphère sud (Madeleine et al., 2020). On cherchera en particulier à comprendre et à corriger les biais du modèle de l'IPSL en hiver sur la région Arctique concernant les nuages, l'intensité de l'inversion dans la couche limite, ou la position des jets. Dans un deuxième volet, des expériences utilisant LMDZ couplé à une couche de mélange océanique seront utilisées avec glace de mer interactive. On utilisera pour cela un ensemble d'expériences de sensibilité avec des simulations du climat préindustriel et des simulations où la concentration de dioxyde de carbone atmosphérique est doublée. Ces simulations permettront d'évaluer de manière simple la sensibilité du climat à l'équilibre. Plusieurs ensembles seront réalisés en partant d'ajustements différents de la couche limite atmosphérique (en faisant varier sur la couverture nuageuse dans l'Arctique ou l'intensité de l'inversion), et de configurations où le jet atmosphérique est situé à des latitudes contrastées (en faisant varier les paramètres de l'orographie sous-maille ; Gastineau et al., 2020). On évaluera l'intensité des rétroactions du système glace-atmosphère, les changements de la circulation atmosphérique grande échelle, et leurs liens avec la sensibilité climatique. Ces résultats seront mis en lien avec les simulations de réchauffement climatique du modèle de l'IPSL couplé utilisant un océan interactif (simulations CMIP6, Climate Model Intercomparison Phase 6) de manière à quantifier l'influence des interactions glace-océan-atmosphère. Ce projet doctoral s'inscrit dans l'effort du pôle de modélisation de l'IPSL pour diminuer les biais des modèles climatiques de l'IPSL, et pour évaluer l'incertitude paramétrique des résultats produits avec les projections climatiques. Il s'inscrit également dans la communauté du volet PAMIP (Polar Amplification Model Intercomparison Project) de CMIP6 pour mieux comprendre l'amplification polaire du changement climatique.