Search

L’objectif de cette thèse est d’utiliser une approche de bilan énergétique de l’atmosphère pour comprendre le régime de précipitations et les systèmes météorologiques associés en Afrique de l’Ouest, à l’aide de la version 6 du Modèle Régional Canadien de Climat (MRCC6). Le modèle est piloté aux frontières par la 5ème génération des réanalyses (ERA5) du Centre Européen pour les Prévisions Météorologiques à Moyen Terme. Le bilan d’énergie est un ensemble d’équations garantissant la conservation de la masse, de l’énergie et du moment angulaire. De plus, chaque terme du bilan d’énergie représente un processus physique, ce qui permet de quantifier la contribution relative de chacun de ces derniers et de savoir quel est le processus responsable de la génération / l’amplification / l’amortissement d’un phénomène météorologique ou climatique. Les calculs du bilan d’énergie ne sont en effet qu’une quantification sur une période et un domaine donné de tous les termes en présence. L’enjeu principal dans cette étude étant la formulation d’un bilan d’énergie régional complet qui comprend à fois des termes moyennés dans le temps (pour l’étude du climat) et des termes non moyennés disponibles à chaque pas de temps (pour l’étude de la météo), nous avons développé un ensemble complet d’équations répondant à ces deux problématiques. Suivra l’application de ce bilan sur le domaine de l’Afrique de l’Ouest qui connait des saisons de moussons africaines contrastées en terme pluviométrie; la pluie étant un enjeu majeur pour ces populations vivant en grande partie de l’agriculture. Le premier chapitre développe le cadre théorique de notre étude. Dans ce chapitre, nous partons des équations primitives atmosphériques pour établir les termes / processus responsables de variation de l’énergie, de la masse et de la quantité de mouvement dans notre domaine d’étude. La validation théorique de ces différentes équations est faite en sommant toutes les différentes contributions et en retombant sur les équations de départ. Ceci est la preuve qu’aucune pièce d’information n’a été oubliée et que les différentes lois de conservations initiales demeurent. Dans la suite de ce chapitre, on passe de la théorie à la pratique en appliquant les équations moyennées temporellement pour étudier le climat de l’Afrique de l’Ouest. Depuis le début des années 80, on note une grande variabilité dans la pluviométrie dans cette région du monde. Pour comprendre les raisons physiques de cette variabilité, nous avons tout d’abord à l’aide des réanalyses ERA5 classifiés les étés 1980 à 2010 en fonction de leur pluviométrie moyenne. Ensuite, nous avons appliqué notre bilan d’énergie de climat à l’année la moins pluvieuse, la plus pluvieuse et celle la plus proche de la climatologie sur les 30 années. Les résultats suggèrent que les conversions d’énergies barotropes et baroclines qui constituent les processus de génération des ondes africaines sont plus importantes durant les années humides que les années sèches. Nous suggérons donc au terme de ce premier chapitre, le suivi de ces deux conversions d’énergie pour prévoir le climat en Afrique de l’Ouest. Le dernier chapitre de cette thèse s’inscrit dans la continuité du premier et s’intéresse au bilan d’énergie d’un épisode important de tempête, qui a duré 5 jours et a été détecté durant une des années contrastantes. Afin de trouver l’épisode le plus important, nous avons développé notre propre méthode d’identification de tous les épisodes durant chacune de ses années. Cette méthode consiste à utiliser le diagramme de Hovmöller d’un de nos réservoirs d’énergie du bilan d’énergie des tempêtes. Ce nouveau diagramme possède à la fois les avantages des diagrammes de Hovmöller des vents méridiens et de tourbillon relatif jusqu’ici utilisés dans la littérature pour détecter les Ondes d’Est Africaines. Cette méthode nous a permis de choisir un épisode intense entre le 5 et le 10 septembre 2006. De plus, cet épisode coïncide avec une onde trouvée dans la littérature comme un cyclone tropical associé avec la genèse de l’ouragan Alberto. Une fois l’épisode choisi, nous avons appliqué une partie du bilan d’énergie de la météo sur cette même période pour étudier l’évolution des différents processus. Les résultats montrent que les conversions baroclines sont largement dominantes par rapport aux conversions barotropes lors des épisodes importants et constituent la principale source de génération des Ondes d’Est Africaines. Cette thèse a permis de présenter une approche détaillée et complète permettant l’étude des bilans d’énergie pour le climat et les tempêtes sur des domaines régionaux. Par rapport aux bilans d’énergie du climat que l’on retrouve dans la littérature, nous avons innové en rajoutant des noeuds entre les réservoirs d’enthalpie disponible et d’énergie cinétique. Ces noeuds on l’avantage d’expliquer pourquoi toute l’enthalpie disponible à l’échelle régionale n’est pas complètement convertible en énergie cinétique comme c’est le cas à l’échelle globale. L’application du bilan d’énergie du climat sur le domaine Afrique de l’ouest confirme que le mécanisme d’instabilité mixte barotrope barocline est à l’origine des ondes d’Est africaines, que les gradients de température et d’humidité sont des sources d’instabilités baroclines, et met en évidence que les réservoirs d’énergie de variabilité temporelle sont plus importants les années pluvieuses. Nous recommandons d’ailleurs fortement l’analyse de ces deux derniers réservoirs d’énergie pour les études sur le climat de l’Afrique de l’Ouest. De plus, l’application du bilan d’énergie des perturbations transitoires sur le même domaine nous a permis de ressortir une variable plus adaptée pour la détection des ondes d’Est africaines, et de montrer la prééminence de l’instabilité barocline sur la composante barotrope pour le développement d’intenses ondes d’Est africaines. _____________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : modèle régional de climat, bilan d’énergie, Afrique de l’Ouest, climat, météo, ondes d’Est Africaines.

La précipitation verglaçante peut avoir des impacts néfastes sur la société, tels que causer des pannes de courant majeures, ainsi que produire de sérieux problèmes dans les réseaux de transport. Malgré les conséquences catastrophiques associées à ce type de précipitation, elle est encore peu étudiée dans un contexte de changement climatique. Pour représenter ce type de précipitation dans les modèles du climat, il est important de correctement simuler les écoulements atmosphériques près de la surface. Les simulations climatiques à haute résolution sont, donc, nécessaires pour représenter adéquatement la topographie, mais ces dernières exigent des ressources informatiques considérables, surtout lorsqu'on utilise des modèles de circulation générale. Or, les modèles régionaux du climat (MRC) sont des modèles à aire limitée qui permettent la simulation du climat à fine échelle à un moindre coût de calcul. Ces derniers utilisent les solutions des modèles de circulation générale à leurs frontières pour développer leurs propres solutions. Cependant, lorsqu'ils sont utilisés à très haute résolution, le nombre de calculs requis peut être hors de la portée des ressources informatiques disponibles. L'utilisation en cascade d'un modèle régional du climat pourrait être une alternative pratique pour garder le coût de calcul raisonnable. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier et optimiser l'utilisation de la réduction d'échelle dynamique multiple comme une approche appropriée pour réaliser une étude du climat de la précipitation verglaçante à faible coût de calcul. Cette thèse est divisée en trois sections. La première partie étudie l'approche de la cascade pour réaliser des simulations climatiques à haute résolution. Dans cette étude, des résultats de simulations obtenues avec une approche de réduction d'échelle simple et double sont comparés selon le protocole expérimental "idéalisé" du grand frère. Une première simulation, nommée la simulation du grand frère, est réalisée sur un grand domaine à la résolution désirée. Cette simulation sert de référence. La solution du grand frère est ensuite traitée par un filtre passe-bas permettant de garder seulement les grandes échelles qui serviront de conditions aux frontières (CF) à des simulations tests appelées les simulations du petit frère. Pour la réduction d'échelle simple, les simulations tests sont directement pilotées par la solution de la simulation de référence filtrée, alors que pour la réduction d'échelle double un substitut d'une simulation de résolution intermédiaire est utilisé. L'étude de la composante stationnaire montre très peu de différences entre les deux approches, alors que la composante de la variabilité transitoire montre de grandes différences. L'approche de la réduction d'échelle double dégrade légèrement les grandes échelles, mais permet une importante réduction de la grandeur de domaine requise pour développer adéquatement les caractéristiques de fines échelles. Ceci a un impact considérable sur le coût de calcul. La seconde partie porte sur la distance nécessaire à partir de la frontière latérale pour que circulation entrante développe ses caractéristiques de fine échelle permises par la résolution plus fine du MRC. Pour étudier cette question, les solutions de simulations réalisées par un MRC piloté par des CF de différentes résolutions sont étudiées selon le protocole du grand frère. Plusieurs expériences ont été réalisées pour évaluer la largeur de la région du "spin-up" requise pour un développement adéquat des fines échelles en fonction de la résolution du MRC, des conditions aux frontières ainsi que du saut de résolution. Cette distance se trouve à être seulement fonction de la résolution des conditions aux frontières, indépendamment de la résolution du MRC. Lorsque la résolution du MRC varie pour un même saut de résolution, la distance "spin-up" peut être convertie, selon la résolution du MRC, en nombre de points de grille. Ces résultats peuvent être utilisés pour choisir le domaine et la configuration du MRC pour un développement optimal des fines échelles permises par la résolution. La troisième partie de cette thèse est une application des deux précédentes études pour étudier l'impact des changements climatiques sur la précipitation verglaçante au sud du Québec avec un MRC utilisé en cascade pour atteindre un maillage de 0.11° selon le scénario d'émission RCP 8.5. La précipitation verglaçante est diagnostiquée selon cinq méthodes empiriques (Cantin & Bachand, Bourgouin, Ramer, Czys et, Baldwin). Les précipitations diagnostiquées sont étudiées pour le passé récent (1980-2009) et comparées avec le scénario climatique futur (2070-2099). En premier lieu, la climatologie passée se compare aux observations. Les projections futures suggère une diminution des occurrences de précipitation verglaçantes pour le sud du Québec d'octobre à avril, principalement due à une diminution des évènements de longues durées (>6h). Les résultats montrent une plus grande diminution de décembre à février. En général, cette étude contribue à une meilleure compréhension de la distribution de la précipitation verglaçante sous un climat plus chaud et permet de mettre en lumière l'importance des conditions atmosphériques pour ce type de précipitation. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Simulation climatique à haute résolution, L'expérience du grand frère, Réduction d'échelle dynamique multiple, Développement des petites échelles, Modélisation régionale du climat, Saut de résolution, Changement climatique, Diagnostique du type de précipitation, Pluie verglaçante, Grésil