Description du sujet de thèse

Influence du climat tropical sur le changement climatique global : analyse multi-outils de la physique régulant la réponse radiative tropicale

Le changement climatique résulte de l’augmentation de la concentration atmosphérique des gaz à effet de serre qui a pour conséquence de perturber l’équilibre énergétique de la planète et la Terre renvoie moins d’énergie vers l’espace que ce qu’elle reçoit du soleil. Elle stocke alors de l’énergie et se réchauffe. Le réchauffement de la planète affecte les différents flux d’eau et d’énergie qui influencent en retour le bilan radiatif au sommet de l’atmosphère. C’est ce qu’on appelle la réponse radiative de la Terre. La réponse radiative de la Terre détermine l’évolution dans le temps du changement climatique ainsi que son amplitude à l’équilibre. Elle dépend de la température de surface en moyenne globale, et de l’intensité des rétroactions radiatives. Ces dernières sont notamment influencées par les anomalies régionales de température de surface dans le Pacifique tropical, associées à la circulation océan-atmosphère de Hadley-Walker dans les tropiques. L’évolution de la réponse radiative affecte le déséquilibre énergétique de la planète, et donc la quantité d’énergie stockée dans le climat. La température de surface en moyenne globale est aussi modifiée.
Le rôle exact joué par la circulation de Hadley-Walker dans la réponse radiative globale reste néanmoins difficile à établir et à quantifier pour 3 raisons. D’abord parce que l’on dispose de peu de mesures du déséquilibre énergétique de la Terre (elles ne remontent que jusqu’à 2000) pour déterminer la réponse radiative globale. Ensuite parce que jusqu’à maintenant la prise en compte de l’effet des anomalies régionales de température de surface dans le Pacifique tropical sur la réponse radiative globale montrait des incohérences systématiques sur le bilan d’énergie de la Terre. Enfin parce que les interactions entre convection et circulation qui caractérisent la dynamique tropicale de Hadley-Walker et déterminent les températures de surface des tropiques sont encore mal comprises et leur simulation numérique dans les modèles de circulation générale reste très limitée. Depuis quelques années, on dispose maintenant à la fois d’une estimation du déséquilibre énergétique de la Terre qui remonte à 1971 (à partir des données in-situ de température de l’océan et des observations du bilan du niveau de la mer par altimétrie radar et gravimétrie spatiale) et de modèles conceptuels globaux à 1 boite qui donnent une représentation cohérente de l’effet des anomalies régionales de température de surface dans le Pacifique tropical sur la réponse radiative globale (validée par comparaison avec les simulations des modèles de climat). On dispose aussi de modèles conceptuels régionaux à deux boites qui lient les anomalies régionales de température de surface tropicales à la circulation de Hadley-Walker ainsi que des modèles de climats à résolution kilométrique qui simulent plus précisément les interactions entre convection et circulation dans les tropiques.
L’objet de cette thèse est de caractériser le rôle de la circulation de Hadley-Walker dans la réponse radiative globale et dans le bilan d’énergie de la Terre. Le travail de thèse reposera sur l’exploitation des formulations les plus récentes du bilan d’énergie globale qui incluent l’effet des anomalies régionales de température de surface dans le Pacifique tropical et des derniers modèles conceptuels à deux boites de la dynamique tropicale de Hadley-Walker. L’objectif sera de combiner ces modèles conceptuels pour proposer une nouvelle représentation quantitative du rôle de la circulation de Hadley-Walker dans la réponse radiative globale. Les résultats seront comparés aux simulations des modèles de circulation générale et les modèles de climats à résolution kilométrique (en configuration idéalisée d’équilibre radiatif-convectif, simulation « mock-Walker » de RCEMIP2) pour interpréter la variabilité de la réponse radiative tropicale qu’ils simulent. Ils seront aussi confrontés aux observations de la température de surface des tropiques et aux estimations de la réponse radiative de la Terre déduites des observations satellites du déséquilibre énergétique de la planète pour expliquer les variations récentes du bilan d’énergie de la Terre.
La première étape du travail se concentrera sur la combinaison du bilan d’énergie globale qui incluent l’effet des anomalies régionales de température de surface dans le Pacifique tropical avec un modèle conceptuels à deux boites de la dynamique tropicale de Hadley-Walker. On identifiera à partir du modèle conceptuel combiné les paramètres de la circulation de Hadley-Walker qui déterminent les variations régionales de la température de surface du Pacifique et leur impact sur la réponse radiative globale. On évaluera ensuite quantitativement leur impact sur la réponse radiative globale et sur le bilan d’énergie de la planète
Dans la seconde étape, l’objet de l’analyse sera de comparer les résultats du modèle conceptuel combiné, avec les simulations des modèles de circulation générale et des modèles de climat à résolution kilométrique afin de déterminer si le modèle conceptuel est pertinent pour expliquer les variations de la réponse radiative tropicale et son impact sur la réponse radiative globale. On évaluera en particulier 1) si le modèle conceptuel peut expliquer les variations du bilan d’énergie globale en lien avec la distribution régionale des températures de surface dans les tropiques (i.e. le « pattern effect » en anglais) et 2) si le modèle conceptuel permet de séparer les effets de la dynamique tropicale des effets de la convection sur la réponse radiative tropicale de la Terre et l’impact sur la réponse radiative globale
Enfin, une troisième partie du travail de thèse cherchera à utiliser le modèle conceptuel pour interpréter les observations récentes de la température de surface des tropiques et des variations de la réponse radiative de la Terre et du bilan d’énergie de la Terre. On se focalisera en particulier sur la tendance observée depuis 20 ans dans le bilan d’énergie de la Terre.

Contexte de travail

Ce travail de thèse sera au cœur de la collaboration entre l’équipe « Energie, Masse, Changement Climatique » de l’unité mixte de recherche LEGOS et le « Groupe de Météorologie de Grande Échelle et du Climat » du CNRM. Au niveau international, ces travaux nourriront directement les Grand Challenges identifiés par le programme mondial de recherche sur le climat et le programme GEWEX en particulier.

Le LEGOS (Laboratoire d’Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales) est l’Unité Mixte de Recherche UMR5566, placée sous les tutelles du CNES, du CNRS, de l’IRD, et de l’UT3 au sein de l’ Observatoire Midi-Pyrénées, à Toulouse. Le champ scientifique de recherche et d’enseignement du LEGOS inclut l’océanographie et le cycle de l’eau au sens large, avec la physique des composantes océanique, hydrologique, cryosphérique et atmosphérique, dont ses composantes côtières d’une part et climatique d’autre part, ainsi que la biogéochimie et la géochimie marines.

Le Centre national de recherches météorologiques (CNRM) est une unité Mixte de Recherche (UMR 3589) constituée par le CNRS et Météo-France. L’UMR était jusqu’à fin 2015 également dénommée Groupe d’Etude de l’Atmosphère Météorologique. Ses activités de recherche sont principalement menées sur les sites de Toulouse, Grenoble et Lannion de Météo-France. Les actions de recherche et développement du CNRM portent principalement sur la prévisibilité des phénomènes atmosphériques, notamment extrêmes, sur l’étude du climat et du changement climatique, le cycle de l’eau, les interfaces entre les milieux océan-atmosphère-continents-cryosphère, la physico-chimie atmosphérique et météorologie urbaine, sur l’assimilation et la modélisation pour la prévision numérique du temps, les développements instrumentaux et la micro-structure du manteau neigeux.