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Northern hemisphere atmospheric response to Arctic summer sea ice loss in the CNRM-CM6 climate model : mechanisms and impacts
No full textSummary of the presentation given im Vienna at EGU 2019 by Svenya Chripko and by Rym Msadek at a CMIP6 workshop in Bordeaux (France) in May 2019
Role of Arctic sea ice decline on the mid-latitude climate : atmospheric teleconnections
No full textDepuis l'ère préindustrielle, la température de surface en Arctique a augmenté plus de deux fois plus que la température globale : ce phénomène est appelé l'amplification arctique. Il a été montré que l’amplification arctique et le déclin de la glace de mer qui y est associé peuvent affecter la circulation atmosphérique de grande échelle, et ainsi impacter le climat des moyennes latitudes. Les mécanismes expliquant ce lien sont toutefois encore mal compris, et leur prépondérance par rapport aux autres composantes du système climatique demeure incertaine. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre ces mécanismes. Pour cela, nous avons isolé l'effet du déclin de la glace de mer arctique des autres forçages climatiques, à l'aide d'expériences de sensibilité réalisées avec le modèle de climat CNRM-CM6, à basse et haute résolution. Dans ces expériences, la valeur de l'albédo de la banquise est réduite à celle de l'océan, favorisant l'absorption de rayonnement solaire et la fonte de la glace, notamment en été. Nous avons dans un premier temps évalué l'état moyen du modèle et sa représentation des téléconnexions Arctique-moyennes latitudes. Cette évaluation suggère que l'augmentation de la résolution horizontale du modèle dans l'océan et dans l'atmosphère permet de simuler des conditions climatiques moyennes généralement plus réalistes. Nous avons montré par ailleurs que les téléconnexions liant la variabilité atmosphérique à celle de la glace de mer sont comparables entre le modèle et les observations. Les résultats indiquent que l'influence de la glace de mer arctique sur l'atmosphère est difficilement détectable dans les observations ou dans les simulations climatiques non contraintes à cause de la forte variabilité interne, ce qui justifie l'intérêt d'isoler cette influence et de réaliser des expériences de sensibilité telles que celles effectuées dans cette thèse. Nous nous sommes ensuite focalisés sur la réponse rapide de l'atmosphère durant l'automne et l'hiver qui suivent la disparition de la glace de mer d'été, c'est-à-dire lorsque l’amplification arctique est maximale. Les mécanismes de la réponse de la température à la fonte de la banquise ont été étudiés à l'échelle régionale grâce à une méthode d'ajustement dynamique basée sur la reconstruction régionale d'analogues de circulation. Les résultats montrent que le réchauffement en Amérique du Nord et en Europe induit par la perte de glace de mer arctique est principalement dû à : (i) des changements cycloniques de circulation qui favorisent des intrusions d'air chaud provenant du sud ou des océans adjacents, et (ii) des changements dits thermodynamiques -- sans changements de circulation. Ces derniers résultent à la fois de l'advection d'air chaud par le flux moyen, provenant de l'Arctique et/ou des océans adjacents réchauffés en réponse au déclin de la glace de mer, et à la fois des modifications locales du budget énergétique de surface. La diminution de la glace de mer dans ces expériences favorise également un refroidissement en Asie centrale, qui est ici entièrement expliqué par des changements de circulation, associés à un renforcement de l'anticyclone de Sibérie. La réponse atmosphérique de grande échelle a par ailleurs été étudiée dans la troposphère et la stratosphère. Les résultats indiquent que la stratosphère joue un rôle minimal dans l'évolution de la circulation dans la troposphère et à la surface dans ces expériences. Enfin, nous avons montré que ni l'augmentation de la résolution, ni la modification des conditions de forçages externes entre des conditions préindustrielles et des conditions de milieu du XXème siècle n'impacte de manière significative la réponse de l'atmosphère de grande échelle au déclin de la banquise arctique dans le modèle CNRM-CM6. Les analyses effectuées dans cette thèse mettent en évidence la difficulté de détecter une réponse robuste de l'atmosphère en saison froide du fait de la forte variabilité interne et de la faible réponse.The Arctic has been warming twice as fast as the whole globe since the preindustrial era: this phenomenon is known as Arctic amplification. Arctic amplification and associated Arctic sea ice decline can affect the climate locally. It has also been shown to affect the large-scale atmospheric circulation beyond the Arctic, yielding changes in the mid-latitude climate. However, the mechanisms beneath this linkage are still poorly understood. The objective of this thesis is to bring more insight into these mechanisms. For that purpose, we have defined and run sensitivity experiments that allow to isolate the effect of Arctic sea ice decline from other climate forcings. In these experiments, which have been done with the CNRM-CM6 climate model using different horizontal resolutions, sea ice albedo is reduced to the ocean value, leading to an increase in absorbed solar radiation and a reduction of sea ice especially in summer. We first evaluate the model mean state and its representation of Arctic-to-mid-latitude linkages. This analysis suggests that increasing the horizontal resolution in the atmosphere and ocean generally leads to more realistic mean climate conditions in the Northern Hemisphere. We further show that linkages between atmospheric and sea ice variability are consistent between the model and the observations. These results indicate that Arctic sea ice influence on the atmosphere is hardly detectable in observations and in free-running models because of the large internal variability, which stresses the need to properly isolate this link using dedicated sensitivity experiments. Secondly, we focus on the rapid atmospheric response during autumn and winter, when Arctic amplification is maximum. Using a dynamical adjustment method based on a regional reconstruction of circulation analogs, the mechanisms of the regional temperature response are investigated. We show that the sea-ice-induced warming over North America and Europe can be explained by : (i) cyclonic changes in circulation that favor warm air advection from the South or the nearby oceans, and (ii) thermodynamical changes – without changes in circulation. The latter are both linked to the advection by the mean flow of warmer air from the Arctic or the adjacent oceans due to Arctic sea ice loss, and to local changes in the surface energy budget. Arctic sea ice decline in these experiments also induces a cooling over central Asia, that can solely be explained by changes in circulation, with a strengthening of the Siberian High. The large-scale atmospheric response is furthermore investigated in the troposphere and stratosphere. The results indicate that the stratosphere plays a minor role in the response in the troposphere and near the surface in our experiments. Finally, we find that increasing the horizontal resolution or changing the external forcings from preindustrial to mid-twentieth century levels do not impact significantly the large-scale atmospheric response to Arctic sea ice loss. Our results highlight the difficulty to detect a robust atmospheric response in the cold season due to the strong internal variability and the weak response
Air-sea interactions over the Gulf Stream region : benefits of higher-resolution in the representation of the physical mechanisms and climate impacts
No full textLe but de cette thèse est de comprendre le rôle des fronts de température de surface de l'océan (SST) dans les interactions océan-atmosphère sur la région du Gulf Stream (GS). Nous étudions la réponse de l'atmosphère aux fronts de SST localement, au sein de la couche limite atmosphérique marine (MABL), mais également dans la troposphère libre. Par ailleurs, nous quantifions l'impact des fronts de SST sur la circulation atmosphérique en Atlantique Nord et en Europe. Nous nous focalisons sur la saison d'hiver (Décembre-Janvier-Février), les contrastes de température entre l'océan et l'atmosphère étant les plus marqués durant cette saison, ce qui induit de forts échanges en termes de flux de chaleur turbulents. Dans cette optique, nous réalisons et analysons des expériences numériques basées sur le modèle atmosphérique global ARPEGEv6, forcé en surface par des données de SSTs observées à haute résolution (1/4°). Dans la première partie de cette thèse, nous étudions les deux mécanismes principaux proposés dans la littérature pour expliquer la réponse de l'atmosphère aux fronts de SST dans la région du Gulf Stream. Ces mécanismes sont ceux du mélange vertical et de l'ajustement de pression. Dans cette étude, nous utilisons deux ensembles de simulations réalisées avec deux configurations du modèle d'atmosphère ARPEGEv6 : une configuration basse résolution (140 km) et une configuration haute résolution (50 km). Nous étudions spécifiquement la réponse de la divergence du vent en surface, un prédicteur important de l'influence des fronts de SST sur la MABL. Là où les études antérieures utilisaient majoritairement des moyennes mensuelles pour étudier la réponse de la divergence du vent aux fronts de SST, nos résultats montrent le rôle clé des perturbations synoptiques atmosphériques pour moduler la contribution relative de chacun de ces deux mécanismes de la MABL, et pour générer de la divergence du vent de surface en hiver. Nous montrons plus particulièrement qu’une grande partie de la divergence du vent simulée en moyenne sur l’hiver est due aux épisodes cycloniques qui ont lieu au cours de situations extrêmes au-dessus de la région du GS. La comparaison des résultats entre la version haute et la version basse résolution du modèle atmosphérique, montre que l'impact de l'augmentation de la résolution du modèle est faible comparée à la variabilité interne climatique et aux incertitudes observationnelles. Afin de mieux isoler l'influence des fronts de SST sur l’atmosphère, nous avons réalisé des expériences idéalisées dans lesquelles les SSTs de la région du GS sont spatialement filtrées. Cette expérience « lissée » ("smooth") est comparée à une expérience de contrôle dans laquelle le même modèle d'atmosphère est forcé à l'échelle globale par des SSTs à très haute résolution (1/12°). La comparaison entre ces deux expériences montre que la variabilité liée à la zone de fronts de SST influence localement les mécanismes de la MABL, mais également la troposphère libre dans son ensemble. En particulier, la bande de précipitations sur le GS est atténuée dans l'expérience smooth. Un gradient de SST mieux résolu dans la région du GS affecte également les routes dépressionnaires et les transports de chaleur et d'humidité par les tourbillons atmosphériques. En particulier, on montre que les fronts de SST provoquent un décalage vers le nord des transports de chaleur et d'humidité par les tourbillons atmosphériques. Ceci est en accord avec un élargissement du courant jet. La réponse du jet la plus intense est située sur l'Atlantique Nord, mais est également visible sur le bassin Pacifique. On montre ensuite qu'en accord avec la réponse du courant jet, les régimes de temps en Atlantique Nord sont également influencés par la présence des fronts de SST [...].This thesis aims at understanding the role of sea surface temperature (SST) fronts on air-sea interactions in the Gulf Stream region. We study the local response of the atmosphere to the SST mesoscale variability, not only within the marine atmospheric boundary layer (MABL), but also in the free troposphere. We also evaluate the impact of SST fronts beyond the Gulf Stream region, in particular on the North Atlantic atmospheric circulation and climate over Europe. We focus on the winter season (December-January-February), when air-sea contrasts and hence air-sea exchanges are the strongest. On this purpose, we perform and analyze numerical experiments, using the global atmospheric model ARPEGEv6 forced by observed daily SSTs at high resolution (1/4°). In the first part of this thesis we investigate two major MABL mechanisms responsible for the atmospheric response to the SST fronts over the Gulf Stream region. These mechanisms are the vertical mixing and the pressure adjustment mechanisms. Two sets of atmospheric simulations performed with two ARPEGEv6 configurations are considered: a low-resolution version (140 km) and a high resolution version (50 km). We analyze the response of the divergence of the near surface wind, because this is one of the main imprint of the MABL response to the SST front. While in most of previous studies monthly averages were used to study the response of the wind divergence to the SST fronts, our results highlight the key role of synoptic atmospheric perturbations on modulating the contribution of these two MABL mechanisms and hence on shaping the time-mean divergence of near surface wind. We show in particular that most of the winter-mean wind divergence simulated above the Gulf Stream region can be explained by the cyclonic anomalous circulation that occurs during extreme conditions of heat flux exchanges. The comparison of the results obtained with the high and low resolution versions of the atmospheric model shows that the impact of model resolution is small compared to internal climate variability and observational uncertainties in the Gulf Stream region. In order to better isolate the influence of the SST fronts on the atmosphere, we then performed idealized numerical experiments in which the SSTs are spatially filtered only over the Gulf Stream region. This "smooth" experiment is compared with a control experiment in which the atmospheric model is globally forced by very high resolution observed SSTs (1/12°). The comparison between these two experiments shows that SST fronts variability locally influence not only the MABL mechanisms, but also the free troposphere. In particular, the precipitation band over the Gulf Stream is decreased in the smooth experiment. A better resolved SST gradient in the Gulf Stream also yields changes in the storm-tracks and in the associated heat and humidity eddy transports. In particular, we find that the Gulf Stream SST front induces a northward shift of the eddy heat and humidity transports. This shift is consistent with a poleward shift of the jet stream. The jet response is maximum over the North Atlantic, but it is also noticeable over the Pacific basin. We show that together with the jet stream changes, weather regimes in the North Atlantic are also influenced by the SST fronts. As a result, the response of the large scale atmospheric circulation yields changes in temperature and precipitation over Europe, suggesting a non negligible influence of the Gulf Stream SST fronts downstream
Modulation of European near-term climate change by multi-decadal internal variability
No full textCette thèse traite de la modulation du changement climatique en Europe à court terme. Alors que l’approche traditionnelle consiste à considérer la réponse forcée comme le futur probable, on montre ici qu’il est plus pertinent de s’intéresser aux divers possibles, du fait du rôle important de la variabilité interne aux échelles multi-décennales dans cette région. En cela, la recherche de trajectoires physiques liées à la variabilité interne permet d’identifier des situations plausibles dans lesquelles le changement climatique est fortement amplifié, fortement atténué, et parfois de sens opposé à la réponse forcée. La prise en compte de telles trajectoires est essentielle pour l’adaptation sociale et sociétale à court terme, afin de ne pas sous-estimer les changements d’intensité et de fréquence des évènements extrêmes en particulier. L’analyse bibliographique se concentre sur le système climatique et sa variabilité, sa modélisation numérique, ainsi que ses spécificités en Europe. En s’appuyant sur le grand ensemble de simulations du modèle CNRM-CM6-1, on montre ensuite qu’il est pertinent de partitionner les projections à court terme en se basant sur l’évolution des modes de variabilité interne, via l’approche des storylines. Cette méthode est appliquée avec succès à l’Europe du Nord en hiver afin d’identifier les trajectoires à fort impact sur la modulation du changement climatique. Si dans une première trajectoire, le climat se réchauffe fortement et les évènements extrêmes froids connus ces dernières décennies deviennent quasi-impossibles, une seconde trajectoire projette un réchauffement limité, avec peu d’impact sur le changement de temps de retour des évènements extrêmes froids, qui restent donc possibles à court terme. L’analyse est alors complétée en introduisant l’incertitude modèle. En hiver, on montre que l’incertitude liée à la variabilité interne domine l’incertitude modèle en Europe, ce qui justifie l’utilisation de l’approche par storylines pour le méga ensemble de CMIP6. Après avoir confirmé en multi-modèle les résultats précédemment obtenus, l’analyse est étendue au Bassin Méditerranéen, dont la modulation du changement climatique est pilotée par les mêmes modes de variabilité interne que l’Europe du Nord. Enfin, on montre qu’une même analyse est pertinente pour d’autres régions du globe, en pré-sélectionnant des modes de variabilité pertinents. Pour finir, on identifie les trajectoires ayant de forts impacts dans la modulation du réchauffement et des changements de précipitations et de vent en France en hiver, afin de permettre une meilleure anticipation de la demande en énergie dans le pays ces 20 prochaines années. Enfin, on s’intéresse aux évènements extrêmes de chaleur de 2022 en France, que l’on replace dans le contexte d’un climat qui change, et en particulier dans celui du plan d’adaptation du Ministère de la Transition Écologique, à savoir une France à +4°C à la fin du siècle.This PhD thesis deals with the modulation of climate change in Europe at near- term. While the traditional approach is to consider the forced response as baseline for the future, it is shown here that it is more relevant to look at the various possibilities, due to the important role of internal variability on multi-decadal scales in this region. In this respect, the search for physical trajectories linked to internal variability makes it possible to identify plausible situations in which climate change is strongly amplified, strongly attenuated, and sometimes in the opposite direction to the forced response. Taking such trajectories into account is essential for social and societal adaptation in the near-term, so as not to underestimate changes in the intensity and frequency of ex- treme events in particular. The literature review focuses on the climate system and its variability, its numerical modelling and its specific features. modelling, as well as its specific features in Europe. Using the large set of simulations from the CNRM-CM6-1 model, it is then shown that it is appropriate to partition the near-term projections on the basis of changes in the modes of internal variability, using the storyline approach. This method has been suc- cessfully applied to Northern Europe in winter in order to identify trajectories with a high impact on modulating climate change. While in the first trajectory, the climate warms strongly and the extreme cold events of recent decades become virtually im- possible, a second trajectory projects limited warming, with little impact on the change in the return time of extreme cold events, which therefore remain possible in the near- term. After confirming the previously obtained results in multi-model mode, the analysis is extended to the Mediterranean Basin, where the modulation of climate change is dri- ven by the same modes of internal variability as in Northern Europe. Finally, other regions of the globe for which the same analysis is also relevant are listed, with a pre- selection the relevant modes of variability. At last, the trajectories with the greatest impact in modulating warming and changes in precipitation and wind in France in winter are identified, in order to better antici- pate energy demand in the country over the next 20 years. Finally, extreme heat events in 2022 in France are replace in the context of a changing climate, and in particular in that of the adaptation plan of the Ministry of Ecological Transition, namely a France at +4°C by the end of the century
Internal oceanic multidecadal variability: an important modulator of Arctic climate response to CO2 forcing
No full textDecadal Climate Variability and Predictability : Relevance for the Climate Dynamics Panel
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The Atlantic Overturning Circulation: more evidence of variability and links to climate
No full textA unique feature of the Atlantic Ocean is the presence of regions in the Labrador Sea and Nordic Seas where surface water can convect and sink to deep levels. This process of deep water formation and the related northward transport of warm surface water are components of the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC), which annually transports in excess of 1 PW of heat northward through the northern subtropics. Between 26°N and Greenland much of this heat flux enters the atmosphere where it is then transported eastward by the atmospheric circulation and is responsible for the mild U.K. and European climate. Coupled models suggest that one of the consequences of anthropogenic climate change will be a slowing of the AMOC and an alteration of the ocean's role in climate (e.g., Cheng et al. 2013). Observing, quantifying, and understanding the detailed mechanisms controlling AMOC variability, its present circulation, and past behaviors, and the extent to which changes in the AMOC are predictable all remain preeminent scientific challenges for the twenty-first century
CMIP5 Model Intercomparison of Freshwater Budget and Circulation in the North Atlantic
No full textInternational audienceThe subpolar North Atlantic is a center of variability of ocean properties, wind stress curl, and air–sea exchanges. Observations and hindcast simulations suggest that from the early 1970s to the mid-1990s the subpolar gyre became fresher while the gyre and meridional circulations intensified. This is opposite to the relationship of freshening causing a weakened circulation, most often reproduced by climate models. The authors hypothesize that both these configurations exist but dominate on different time scales: a fresher subpolar gyre when the circulation is more intense, at interannual frequencies (configuration A), and a saltier subpolar gyre when the circulation is more intense, at longer periods (configuration B). Rather than going into the detail of the mechanisms sustaining each configuration, the authors’ objective is to identify which configuration dominates and to test whether this depends on frequency, in preindustrial control runs of five climate models from phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5). To this end, the authors have developed a novel intercomparison method that enables analysis of freshwater budget and circulation changes in a physical perspective that overcomes model specificities. Lag correlations and a cross-spectral analysis between freshwater content changes and circulation indices validate the authors’ hypothesis, as configuration A is only visible at interannual frequencies while configuration B is mostly visible at decadal and longer periods, suggesting that the driving role of salinity on the circulation depends on frequency. Overall, this analysis underscores the large differences among state-of-the-art climate models in their representations of the North Atlantic freshwater budget
Historical Rym-O-Grams
No full text"The author has attempted to tell the principal stories of the Pacific Northwest in simple verse to attract children.
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