Nonstationnary teleconnexions of Atlantic low-frequency oscillations and the regional climates of NW Europe (1700-2010) and West African Sahel (1900-2010)
Etude par analyses spectrales de l'instabilité spatio-temporelle des téléconnexions basse-fréquences entre les fluctuations globales du secteur Atlantique et les climats de l'Europe du NW (1700-2010) et du Sahel ouest-africain (1900-2010)
Résumé
Since the industrial revolution, an anthropogenic forcing occurs over all time-scales of natural variability. This change resulted in significant variations of climate on the regional scale. Therefore, based on spectral analysis, this dissertation revisits the question of the spatiotemporal non-stationnarity of teleconnections between the global climatic variability in the Atlantic and the regional climates of NW Europe and West-Africa. The study of long-term climatic records back to the pre-industrial period reveals similar trends in temperatures of England and Northern France, contrary to trends of rainfalls. Multi- and interdecadal variabilities display several periods of enhanced amplitude for both temperature and rainfall that may be related to large-scale climate control. On these scales, the relationship between the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) and temperatures is marked by phase changes over the 19th century. For rainfall, coherence with AMO is observed for scales at around 30-60-year, whereas coherence with the North Atlantic Oscillation (NAO) is detected on 50-80-year and interdecadal 16-23-year scales. However, NAO/rainfall teleconnections are highly unstable due to spatial fluctuations of NAO patterns. After the Little Ice Age, the NAO pattern seems shifted south-westwards in winter and spring. Moreover, the results of an analysis of North Atlantic sea-level pressure (SLPs) at these co-oscillation time scales highlight not only NAO regimes, but also other patterns explaining a non-negligible amount of variance. Over West-Africa, zonal contrasts are identified through a study of time-evolutions of Sahel rainfall variability. These patterns are more pronounced at quasi-decadal scale. The teleconnections with Atlantic sea-surface temperatures (SSTs), which depend on time-scales, also show east-west contrasts. During the 20th century, a synchronous Sahel rainfall teleconnection with North Atlantic and Tropical South Atlantic SSTs is rarely observed. In-phase relationship with North Atlantic SSTs only occurs in wet periods (e.g. 1950s) and across multi- and quasi-decadal scales. This teleconnection display a NW-SE pattern suggesting non-uniform modulations of meridional displacements of the ZCIT. The Tropical South Atlantic SSTs variability is often related to a dipole-type configuration between the in-phase rainfall along Gulf of Guinea and the phase opposition in the Sahel. Nevertheless, this teleconnection depends on the time-period, the time-scale, and the mean state of Pacific SSTs. The involved quasi-decadal anomalies of such zonal contrasts vary over time. In the 1950/60s, the western flank of West-Africa displays fluctuations of Harmattan flux, rising motions over sahelian region and of the subtropical sinking motions. In the 1970/80s, variations of the cross-equatorial Atlantic SST and pressure gradient can be related to modulations of monsoon fluxes, and more generally northward-southward shift of the ZCIT.
L'étude des impacts du changement climatique actuel est soumise à plusieurs contraintes. Premièrement, si avant la révolution industrielle la variabilité du climat est uniquement conduite sur une large gamme d'échelle par des forçages naturels, cela n'est pas le cas au XXe siècle. Deuxièmement, les effets de ce changement montrent des variations significatives à l'échelle régionale. Ainsi, sur la base d'analyses spectrales, ces travaux réexaminent l'instabilité spatio-temporelle des téléconnexions entre la variabilité climatique globale du secteur Atlantique et les climats régionaux du NW Europe et de l'Afrique de l'Ouest. L'examen des longues séries climatiques de l'Angleterre et du Nord de la France révèle des tendances similaires pour les températures, mais désappariée pour les précipitations. Différente phase de renforcement des échelles de variabilité multi- et inter-décennale ont été détectée, ce qui suggère des " fluctuations " du control climatique global. Sur ces échelles, la relation statistique entre les températures et l'Oscillation Multi-décennale Atlantique (AMO) est marquée par un changement de phase au XIXe siècle. Les précipitations semblent cohérentes avec l'indice AMO à l'échelle 30-60 ans et avec l'Oscillation Nord Atlantique (NAO) aux échelles 50-80 et 16-23 ans. Toutefois, la relation NAO/pluie présente une grande instabilité en raison des fluctuations spatiales des régimes NAO. Après le Petit Age Glaciaire, les deux pôles semblent glisser vers le SW en hiver et printemps. De plus, une fraction de la variance du champ Nord-Atlantique de pression au niveau de la mer (SLPs), capturée par l'indice NAO, pourrait être associée à d'autres régimes atmosphériques. En Afrique de l'Ouest, l'étude des fluctuations temporelles de la variabilité des précipitations sahéliennes révèle une organisation zonale, plus particulièrement exacerbée à l'échelle quasi-décennale. Les téléconnexions avec les températures de surface (SSTs) de l'Atlantique, qui s'organise différemment suivant l'échelle de variabilité, présentent également des modifications d'Est en Ouest. Au cours du XXe siècle, les précipitations au Sahel semblent rarement s'établir simultanément avec les SSTs Atlantique Nord et Tropical Sud. Une relation en phase avec les SSTs de l'Atlantique Nord s'effectue uniquement lors des périodes humides (e.g. années 1950) aux échelles multi- ou quasi-décennale. Ces téléconnexions sont orientées selon un plan NW-SE, ce qui suggère des modulations non-uniformes du balancement de la ZCIT. Les téléconnexions avec les SSTs de l'Atlantique Tropical Sud sont associées à une structure dipolaire opposant les régions guinéenne et sahélienne. Cela s'accorde donc avec des modulations de la position latitudinales de la ZCIT. Néanmoins, celle-ci dépendrait de l'échelle, de la période étudiée et de l'état des SSTs du Pacifique. Les anomalies quasi-décennales impliquées dans ces contrastes zonaux varient au cours du temps. Dans les années 1950/60, le flanc occidental de l'Afrique de l'Ouest montre des variations du flux d'Harmattan, des mouvements ascendant sur la région sahélienne et des mouvements subsidents subtropicaux. Dans les années 1970/80, des fluctuations du gradient interhémisphérique de pression et température pourrait conduire des variations du flux de mousson, et plus généralement des décalages nord/sud de la ZCIT.