Regional Climate simulations in Antarctica : atmosphere - ocean - sea ice coupling.
Simulations climatiques régionales couplées atmosphère - océan - glace de mer en Antarctique.
Résumé
In th econtext of global warming, predicting sea level remains chalanging. The surface mass balance of Antarctica may be the only negative contribution. On the other hand, the ice sheet dynamics could exhibit a non-linear behaviour and it could therefore accelerate and thin some glaciers (Meehl et al. 2007). For these 2 reasons, climate of Antarctica needs a lot of onvestigations. Global climate models badly reproduce some important features of antarctic climate : precipitations are over-estimated because of the too smooth topography ; the surface energy balance is badly simulated because physical parametrizations are too poor. That is why the regional modelling is used in this work. It allows a better resolution and more detailed parametrizations.
Sea ice has a key role in the antarctic climate for exemple because its extension modfies available humidity for the atmosphere. The whole ocean also play an important role since the coastal deep water formation increases exchanges netween surface and deep ocean. That is why the aim of the present work is to create and to evaluate a new ocean - sea ice - atmosphere coupled model.
Regarding the atmospheric part, the model MAR (Modèle Atmosphérique Régional, Gallée et al. 2005) is used here. This model has been especially developped for polar regions. It differs from other polar regional models by its ellaborated snow representation, and an interactive representation of blowing snow. Ocean and sea-ice are simulated with NEMO (Nucleus for European Modeling of the Ocean), made of OPA-9 (Océan PArallélisé, Madec 2007) and of LIM-2 (Louvain Ice Model, Fichefet 1997). The ocean model uses an ellaborated representation of turbulent diffusion along isopycnes and of vertical diffusion. The sea ice model uses a 3 layers thermodynamical model, and a viscous-plastic rheology. MAR and NEMO are coupled via OASIS-3 (Valcke et al. 2003). The resulting model is called TANGO, it stands for Triade Atmosphere-Neige, Glace de mer, Océan.
Before analysing TANGO simulations, one has to know the behaviour of each model separately. In a first step, MAR's sensitivity to orographic roughness representation. By simulating a case already analysed in some papers, it is shown that MAR is able to simulate mesocyclones. It is also shown that the role of katabatic winds is small compared to synoptic forcing, as opposed to the conclusions of precedent papers. As coastal katabatic winds strongly depend on the orographic roughness of the Transarctic Mountains, polynias in TANGO could be influenced by this parametrization ; that is why it is tunned with authomatic weather stations. It is eventually shown that the sea ice fraction does not strongly influence the atmospheric circulation.
Estimating the role of coupling appears complicated since part of TANGO behaviour comes from phyyscial feedbacks whereas another part comes from a change in "forcing". MAR actually sees sea ice fraction from SSM/I and NEMO sees atmospheric fields from ERA-40. In TANGO, MAR receives the defaulf from NEMO and reversely. To evaluate the ability of TANGO to simulate feedbacks, a set of experiment is used. MAR is forced by fields from NEMO and reversely. Comparisons of these experiments to TANGO experiments show that physical feedbacks are simulated.
Sea ice has a key role in the antarctic climate for exemple because its extension modfies available humidity for the atmosphere. The whole ocean also play an important role since the coastal deep water formation increases exchanges netween surface and deep ocean. That is why the aim of the present work is to create and to evaluate a new ocean - sea ice - atmosphere coupled model.
Regarding the atmospheric part, the model MAR (Modèle Atmosphérique Régional, Gallée et al. 2005) is used here. This model has been especially developped for polar regions. It differs from other polar regional models by its ellaborated snow representation, and an interactive representation of blowing snow. Ocean and sea-ice are simulated with NEMO (Nucleus for European Modeling of the Ocean), made of OPA-9 (Océan PArallélisé, Madec 2007) and of LIM-2 (Louvain Ice Model, Fichefet 1997). The ocean model uses an ellaborated representation of turbulent diffusion along isopycnes and of vertical diffusion. The sea ice model uses a 3 layers thermodynamical model, and a viscous-plastic rheology. MAR and NEMO are coupled via OASIS-3 (Valcke et al. 2003). The resulting model is called TANGO, it stands for Triade Atmosphere-Neige, Glace de mer, Océan.
Before analysing TANGO simulations, one has to know the behaviour of each model separately. In a first step, MAR's sensitivity to orographic roughness representation. By simulating a case already analysed in some papers, it is shown that MAR is able to simulate mesocyclones. It is also shown that the role of katabatic winds is small compared to synoptic forcing, as opposed to the conclusions of precedent papers. As coastal katabatic winds strongly depend on the orographic roughness of the Transarctic Mountains, polynias in TANGO could be influenced by this parametrization ; that is why it is tunned with authomatic weather stations. It is eventually shown that the sea ice fraction does not strongly influence the atmospheric circulation.
Estimating the role of coupling appears complicated since part of TANGO behaviour comes from phyyscial feedbacks whereas another part comes from a change in "forcing". MAR actually sees sea ice fraction from SSM/I and NEMO sees atmospheric fields from ERA-40. In TANGO, MAR receives the defaulf from NEMO and reversely. To evaluate the ability of TANGO to simulate feedbacks, a set of experiment is used. MAR is forced by fields from NEMO and reversely. Comparisons of these experiments to TANGO experiments show that physical feedbacks are simulated.
Dans le cadre du réchauffement climatique, la prédiction de la hausse du niveau des mers est un défit majeur. La contribution du bilan de masse de surface de l'Antarctique constituerait la seule contribution négative à la hausse du niveau des mers. D'un autre côté, la dynamique de la calotte pourrait réagir de façon non linéaire au changement climatique, et entrainer une accélération et un amincissement de certains glaciers (Meehl et al. 2007). Pour ces deux raisons, il convient de connaître précisément le climat de l'Antarctique. Les Modèles de climat globaux reproduisent mal certain aspects du climat Antarctique : les précipitations sont surestimées à cause de la topographie côtière trop lisse ; le bilan d'énergie en surface est mal représenté car les processus physiques impliquant la neige sont représentés de façon trop grossière. C'est pourquoi nous nous intéressons à la modélisation régionale, qui offre une meilleure résolution et une meilleure représentation des processus physiques.
Le climat de l'Antarctique implique la glace de mer, dont l'extension modifie par exemple l'humidité diponible pour l'atmosphère. Mais l'ensemble de l'océan joue également un rôle, car la formation d'eau dense près des côtes engendre des échanges relativement rapides entre la surface et l'océan profond. C'est pourquoi nous avons choisi de créer un modèle régional couplé atmosphère - glace de mer - océan. Le but de cette thèse est uniquement de développer et d'évaluer un tel modèle.
Pour l'atmosphère, nous utilisons le Modèle Atmosphérique Régional (MAR, Gallee et al. 2005). Ce modèle a été spécialement développé pour les régions polaires. Il se distingue des autres modèles climatiques régionaux par sa représentation élaborée de la neige, et par une représentation interactive de la neige soufflée par le vent. Pour l'océan et la glace de mer, nous utilisons NEMO (Nucleus for European Modeling of the Ocean), constitué de OPA-9 (Océan PArallélisé, Madec 2007) et de LIM-2 (Louvain Ice Model, Fichefet 1997). Le modèle d'océan utilise une paramétrisation élaborée de la diffusion turbulente le long des isopycnes et de la diffusion verticale. Le modèle de glace de mer utilise un modèle thermodynamique à trois couches, des équations dynamiques basées sur la rhéologie visco-plastique. Enfin, MAR et NEMO sont couplés grâce au logiciel OASIS-3 (Valcke et al. 2003). Le modèle résultant est appelé TANGO, pour Triade Atmosphère-Neige, Glace de mer, Océan.
Avant d'analyser des simulations de TANGO, il convient de connaître précisément le comportement de chacun des modèles lorsqu'ils sont forcés par des données. Dans un premier temps, nous testons la sensibilité de MAR à la représentation de la rugosité orographique. En simulant un cas de la littérature, nous montrons que MAR est capable de simuler des cyclones de méso-échelle ; nous montrons ensuite que le rôle des vents catabatiques côtiers dans la cyclogenèse est faible devant le rôle de l'écoulement synoptique, contrairement à ce que conjecturaient les travaux précédents. Comme les vents catabatiques côtiers dépendent fortement de la rugosité orographique des Montagnes Transantarctiques, les polynies de TANGO pourraient en dépendre ; c'est pourquoi nous avons réglé ce paramètre de façon à avoir des vents côtiers en accord avec les relevés des stations météorologiques. Enfin, nous montrons que la fraction de glace de mer a peu d'influence sur la circulation atmosphérique, probablement parce que notre méthode ne modifie pas la position des fronts de glace.
Estimer l'apport du couplage s'avère compliqué, car une partie du comportement de TANGO vient effectivement des rétroactions physiques permises par le couplage, mais une autre partie vient du changement de "forçages". En effet, MAR voit habituellement la glace de mer se SSM/I, et NEMO voit habituellement des champs atmosphériques issus des réanalyses ERA-40 ; dans TANGO, MAR voit donc les défauts de NEMO, et inversement. Pour évaluer la capacité de TANGO à représenter des rétroactions physiques, nous avons donc réalisé un jeu de simulations dans lequel MAR est forcé par les champs de surface de NEMO, et NEMO est forcé par les champs de surface de MAR. Les comparaisons entre ces simulations et les simulations couplées montrent que la couverture de glace de mer de TANGO diffère de celle de NEMO forcé par MAR, ce qui prouve que des rétroactions sont représentées. Dans le détail, nous identifions également une rétroaction impliquant la glace produite dans une polynie à l'automne, et une rétroaction impliquant les précipitations et la température de surface de l'océan.
Finalement, l'ensemble des évaluations de MAR sur l'océan ont permis des améliorations très récentes de MAR : H. Gallée a ainsi amélioré la prise en compte des nuages aux frontières, et les flocons de neige ont été introduits dans le schéma radiatif de façon à mieux simuler les températures de la couche limite sur la calotte. Ceci améliore également le comportement de TANGO. Cette étude souligne également l'importance du couplage, puisque la solution couplée diffère de la solution forcée, toutes paramétrisations étant égales. Nous concluons donc qu'il est nécessaire de poursuivre l'utilisation de TANGO.
Ces travaux ouvrent d'abord des perspectives à court terme, puisqu'il faudra analyser le détail des rétroactions mises en \oe uvre de façon à tenter de mieux comprendre le climat de l'Antarctique. Ensuite, TANGO pourra être utilisé à petite échelle et haute résolution pour l'analyse des polynies et des formations des masses d'eau dense impliquées dans les circulations océaniques profondes. Une autre possibilité sera d'utiliser TANGO à l'échelle de la calotte, de façon à travailler sur la régionalisation du changement climatique en Antarctique. Enfin, à plus long terme, il sera nécessaire de travailler sur le représentation des cavités sous les plate-formes glaciaires dans TANGO.
Le climat de l'Antarctique implique la glace de mer, dont l'extension modifie par exemple l'humidité diponible pour l'atmosphère. Mais l'ensemble de l'océan joue également un rôle, car la formation d'eau dense près des côtes engendre des échanges relativement rapides entre la surface et l'océan profond. C'est pourquoi nous avons choisi de créer un modèle régional couplé atmosphère - glace de mer - océan. Le but de cette thèse est uniquement de développer et d'évaluer un tel modèle.
Pour l'atmosphère, nous utilisons le Modèle Atmosphérique Régional (MAR, Gallee et al. 2005). Ce modèle a été spécialement développé pour les régions polaires. Il se distingue des autres modèles climatiques régionaux par sa représentation élaborée de la neige, et par une représentation interactive de la neige soufflée par le vent. Pour l'océan et la glace de mer, nous utilisons NEMO (Nucleus for European Modeling of the Ocean), constitué de OPA-9 (Océan PArallélisé, Madec 2007) et de LIM-2 (Louvain Ice Model, Fichefet 1997). Le modèle d'océan utilise une paramétrisation élaborée de la diffusion turbulente le long des isopycnes et de la diffusion verticale. Le modèle de glace de mer utilise un modèle thermodynamique à trois couches, des équations dynamiques basées sur la rhéologie visco-plastique. Enfin, MAR et NEMO sont couplés grâce au logiciel OASIS-3 (Valcke et al. 2003). Le modèle résultant est appelé TANGO, pour Triade Atmosphère-Neige, Glace de mer, Océan.
Avant d'analyser des simulations de TANGO, il convient de connaître précisément le comportement de chacun des modèles lorsqu'ils sont forcés par des données. Dans un premier temps, nous testons la sensibilité de MAR à la représentation de la rugosité orographique. En simulant un cas de la littérature, nous montrons que MAR est capable de simuler des cyclones de méso-échelle ; nous montrons ensuite que le rôle des vents catabatiques côtiers dans la cyclogenèse est faible devant le rôle de l'écoulement synoptique, contrairement à ce que conjecturaient les travaux précédents. Comme les vents catabatiques côtiers dépendent fortement de la rugosité orographique des Montagnes Transantarctiques, les polynies de TANGO pourraient en dépendre ; c'est pourquoi nous avons réglé ce paramètre de façon à avoir des vents côtiers en accord avec les relevés des stations météorologiques. Enfin, nous montrons que la fraction de glace de mer a peu d'influence sur la circulation atmosphérique, probablement parce que notre méthode ne modifie pas la position des fronts de glace.
Estimer l'apport du couplage s'avère compliqué, car une partie du comportement de TANGO vient effectivement des rétroactions physiques permises par le couplage, mais une autre partie vient du changement de "forçages". En effet, MAR voit habituellement la glace de mer se SSM/I, et NEMO voit habituellement des champs atmosphériques issus des réanalyses ERA-40 ; dans TANGO, MAR voit donc les défauts de NEMO, et inversement. Pour évaluer la capacité de TANGO à représenter des rétroactions physiques, nous avons donc réalisé un jeu de simulations dans lequel MAR est forcé par les champs de surface de NEMO, et NEMO est forcé par les champs de surface de MAR. Les comparaisons entre ces simulations et les simulations couplées montrent que la couverture de glace de mer de TANGO diffère de celle de NEMO forcé par MAR, ce qui prouve que des rétroactions sont représentées. Dans le détail, nous identifions également une rétroaction impliquant la glace produite dans une polynie à l'automne, et une rétroaction impliquant les précipitations et la température de surface de l'océan.
Finalement, l'ensemble des évaluations de MAR sur l'océan ont permis des améliorations très récentes de MAR : H. Gallée a ainsi amélioré la prise en compte des nuages aux frontières, et les flocons de neige ont été introduits dans le schéma radiatif de façon à mieux simuler les températures de la couche limite sur la calotte. Ceci améliore également le comportement de TANGO. Cette étude souligne également l'importance du couplage, puisque la solution couplée diffère de la solution forcée, toutes paramétrisations étant égales. Nous concluons donc qu'il est nécessaire de poursuivre l'utilisation de TANGO.
Ces travaux ouvrent d'abord des perspectives à court terme, puisqu'il faudra analyser le détail des rétroactions mises en \oe uvre de façon à tenter de mieux comprendre le climat de l'Antarctique. Ensuite, TANGO pourra être utilisé à petite échelle et haute résolution pour l'analyse des polynies et des formations des masses d'eau dense impliquées dans les circulations océaniques profondes. Une autre possibilité sera d'utiliser TANGO à l'échelle de la calotte, de façon à travailler sur la régionalisation du changement climatique en Antarctique. Enfin, à plus long terme, il sera nécessaire de travailler sur le représentation des cavités sous les plate-formes glaciaires dans TANGO.