Importance of ocean-atmosphere coupling on the sensitivity to climate change - Impact on hurricanes.
Importance du couplage océan-atmosphère sur la sensibilité au réchauffement climatique - Impact sur les ouragans.
Résumé
Ocean-atmosphere interactions are essential for tropical cyclones. The ocean provides the energy required to sustain tropical cyclones. The simulation of interactions between the ocean and tropical cyclones is therefore crucial and is the focus of this thesis.
The first section introduces the rotated-stretched and coupled version of the general circulation model ARPEGE-Climate, developed for this thesis. This rotated-stretched version achieves a spatial resolution between 60 and 100 km over the North Atlantic basin, resolution required to study tropical cyclones. The coupling of ARPEGE-Climate with oceanic general circulation model NEMO has also allowed taking in consideration ocean-atmosphere of tropical cyclones. Two types of simulations are performed, on the one hand coupled simulations and on the other hand simulations with prescribed sea surface temperatures from the coupled simulation.
The second section focuses on the ability of general circulation models from the Intercomparison program, TC-MIP, to represent tropical cyclone activity and its precursors on the main development region of the North Atlantic Ocean. General circulation models have strong difficulties to represent tropical cyclone activity in this region, certainly related to their low spatial resolution, between 1° and 2.5°. Although, the following precursors of tropical cyclone activity have been identified in this region :
• African easterly waves activity,
• Sahelian rainfall and especially those that occurs over the Fouta-Djallon, 11 ° N,
•sea surface temperatures and vertical wind shear horizontal on the main development region,
• tropospheric humidity over the African west coast.
The third section of the thesis presents sensitivity tests that were performed on ARPEGE-Climate rotated-stretched and coupled with NEMO. These tests show the importance of the stretching pole position, the setting of the convection scheme parameters and the coupling frequency.
In the fourth section, the configurations of ARPEGE-Climate coupled and forced are compared to assess the impact of ocean-atmosphere coupling on tropical cyclone activity in the North Atlantic basin. It appears that the coupling :
• modifies the geographical distribution of cyclone activity over the North Atlantic basin;
•modifies the activity of African easterly waves, which in turn affects cyclone activity over the main development region;
•changes the seasonal cycle of tropical cyclone activity over the main development region, and thus on the entire North Atlantic basin.
This section also presents the similarities and differences of the sensitivity to global warming of forced and coupled simulations. Both configurations present :
• an overall decrease, although small, of tropical cyclone activity over the North Atlantic basin,
• a decrease in tropical cyclone activity in the southern Gulf of Mexico and Caribbean Sea,
• an increase of tropical cyclone activity in the Sargasso Sea,
• an intensification of tropical cyclones in terms of pressure and maximum wind,
• an increase in tropical cyclonic precipitations.
The coupled and forced simulations also show some differences, especially regarding the evolution of the distribution of cyclone activity in the Sargasso Sea or the main development region. Another important difference is the nature of tropical cyclone in the future climate. The coupled configuration shows much greater differences on the changes of nature of tropical cyclones.
Les interactions océan-atmosphère sont primordiales pour les cyclones tropicaux. L’océan fourni aux cyclones tropicaux l’énergie thermique nécessaire a leur maintient. La simulation des interactions entre l’océan et les cyclones tropicaux est donc cruciale et constitue le point central de cette thèse.
La première partie présente la version basculée-étirée et couplée du modèle de circulation générale ARPEGE-Climat, développée pour cette thèse. Cette version basculée-étirée sur le bassin Nord Atlantique permet d’atteindre une résolution spatiale comprise entre 60 et 100 km sur cette région, résolution nécessaire quand on souhaite étudier les cyclones tropicaux. Le couplage d’ARPEGE-Climat avec le modèle de circulation général océanique NEMO a de plus permis la prise en compte des interactions océan-atmosphère présentes dans les cyclones tropicaux. Deux types de simulations ont été réalisées, d’une part des simulations couplées et d’autre part des simulations forcées par les températures de surface de la mer de la configuration couplée.
La seconde partie s’intéresse à la capacité des modèles de circulation générale du programme d’intercomparaison TC-MIP à représenter l’activité cyclonique et ses précurseurs sur la région principale de développement (Main Development Region en anglais) de l’océan Atlantique Nord. Les modèles de circulation générale éprouvent de réelles difficultés à représenter les cyclones tropicaux dans cette région, certainement en partie à cause de leur faible résolution spatiale, comprise entre 1° et 2.5°. Des précurseurs de l’activité cyclonique sur la main development region ont tout de même pu être identifiés. Ainsi, on trouve :
• l’activité des ondes d’est Africaines,
• les précipitations sahéliennes et plus particulièrement celles qui se produisent sur le Fouta-Djallon, à 11°N,
• les températures de surface de la mer et le cisaillement vertical du vent horizontal sur la main development region,
• l’humidité troposphérique au niveau des côtes ouest Africaines.
Dans la troisième partie de la thèse, des tests de sensibilité ont été réalisés sur ARPEGE-Climat basculé-étiré et couplé avec NEMO. Ces tests montrent l’importance de la position du pôle d’étirement, du réglage des paramètres du schéma de convection et de la fréquence de couplage.
Dans la quatrième partie de cette thèse, les configurations couplée et forcée d’ARPEGE-Climat sont comparées afin d’évaluer l’impact du couplage océan-atmosphère sur l’activité cyclonique dans le bassin Nord Atlantique. Il apparaît que le couplage :
•modifie la distribution géographique de l’activité cyclonique sur le bassin Nord Atlantique ;
•modifie l’activité des ondes d’est Africaines, qui elle-même influe sur l’activité cyclonique sur la main development region ;
•modifie le cycle saisonnier de l’activité cyclonique sur la main development region et, par conséquent, sur la totalité du bassin Nord Atlantique.
Cette dernière partie présente aussi les points communs et les différences de sensibilité au réchauffement climatique des configurations couplée et forcée. Les deux configurations présentent :
•une diminution généralisée, bien que faible, de l’activité cyclonique sur le bassin Nord Atlantique,
•une diminution de l’activité cyclonique sur le sud du Golfe du Mexique et la mer des Caraïbes,
•une augmentation de l’activité sur la mer des Sargasses,
•une intensification des cyclones tropicaux en termes de pression et de vent maximum,
•une augmentation des pluies cycloniques.
Les configurations couplée et forcée présentent aussi certaines différences, notamment en ce qui concerne l’évolution de la distribution de l’activité cyclonique sur la mer des Sargasses ou sur la main development region. Un autre point important est la différence de nature des cyclones tropicaux dans le futur. La configuration couplée montre des différences beaucoup plus marquées dans les changements de nature des cyclones tropicaux.