Search

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., Depuis 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.

In the first part of this thesis, we study the influence of the Southern Annular Mode (SAM) onto the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) in a control simulation with the IPSLCM4 model. We show that a positive phase of the SAM, corresponding to an intensification of the Westerlies south of 45 ̊S, leads to an acceleration of the AMOC after 8 years, via an atmospheric teleconnection, which is likely to be model-dependent. We also find a link between the SAM and the AMOC at a multidecadal time scale. Positive salt anomalies, created by a positive SAM, enter the South Atlantic from the Drake Passage and, more importantly, via the Aghulas leakage; they propagate northward, eventually reaching the northern North Atlantic where they decrease the vertical stratification and thus increase the AMOC. In the second part of this thesis, we study to what extent the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) reflects the AMOC fluctuations, and what are the other signals that influence it in natural climate variability conditions and with the external forcings of the 20th century. We use a dynamical filter, based on linear inverse modeling (LIM), to decompose the North Atlantic sea surface temperature (SST) field into a global trend, an El Nino Southern Oscillation-related part (ENSO), a part associated with Pacific decadal variability and a residual. In the historical simulation with the IPSLCM5 climate model, removing the global trend from the AMO with LIM yields to better correlations with the AMOC than removing a linear trend or the global mean SST. We also find that removing the ENSO-related part from the AMO with LIM leads to small changes, and even better correlations with the AMOC. Additionaly removing the signal associated to Pacific decadal variability leads to considerable changes in the AMO, which becomes much less correlated to the AMOC. The robustness of these results is demonstrated by performing the LIM decomposition in control simulations with five different climate models. Besides, the LIM filter is applied to SST observations. Finally, we briefly study the impact of the volcanic forcing onto the links between the AMO and the AMOC in a simulation of the last millenium with the IPSLCM4 climate model.; Nous étudions d'abord l'influence du mode annulaire Sud (SAM) sur la circulation méridienne de retournement Atlantique (AMOC) dans une simulation de contrôle avec IPSLCM4. Une phase positive du SAM, correspondant à une intensification des vents d'Ouest soufflant au Sud de 45° S, entraîne après 8 ans une accélération de l'AMOC, via une téléconnection atmosphérique peu réaliste. Une accélération de l'AMOC suit de 70 ans une phase positive du SAM, due à la propagation d'anomalies de sel du Sud vers le Nord de l'Atlantique. Ensuite, nous étudions dans quelle mesure l'Oscillation Multidécennale Atlantique (AMO) reflète les fluctuations de l'AMOC. Nous utilisons un filtre basé sur un modèle linéaire inverse (LIM) pour décomposer la température de surface de l'océan (SST) Atlantique Nord en une partie liée à la dérive globale, une à El Nino (ENSO), une à la variabilité de basse fréquence du Pacifique, et un résidu. Dans la simulation historique de IPSLCM5, enlever la dérive globale de l'AMO avec LIM induit de meilleures corrélations avec l'AMOC que lorsque ce signal est soustrait par une dérive linéaire. Enlever l'influence de ENSO de l'AMO améliore très légérement ses corrélations avec l'AMOC, tandis qu'enlever la variabilité de basse fréquence du Pacifique les dégrade. La robustesse de ces résultats est vérifiée dans des simulations de contrôle avec 5 modèles. Cette déconstruction de l'AMO est aussi effectuée dans les observations. Enfin, l'impact du forçage volcanique sur les liens AMO-AMOC est étudié dans une simulation du dernier millénaire avec IPSLCM4.

In the first part of this thesis, we study the influence of the Southern Annular Mode (SAM) onto the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) in a control simulation with the IPSLCM4 model. We show that a positive phase of the SAM, corresponding to an intensification of the Westerlies south of 45 ̊S, leads to an acceleration of the AMOC after 8 years, via an atmospheric teleconnection, which is likely to be model-dependent. We also find a link between the SAM and the AMOC at a multidecadal time scale. Positive salt anomalies, created by a positive SAM, enter the South Atlantic from the Drake Passage and, more importantly, via the Aghulas leakage; they propagate northward, eventually reaching the northern North Atlantic where they decrease the vertical stratification and thus increase the AMOC. In the second part of this thesis, we study to what extent the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) reflects the AMOC fluctuations, and what are the other signals that influence it in natural climate variability conditions and with the external forcings of the 20th century. We use a dynamical filter, based on linear inverse modeling (LIM), to decompose the North Atlantic sea surface temperature (SST) field into a global trend, an El Nino Southern Oscillation-related part (ENSO), a part associated with Pacific decadal variability and a residual. In the historical simulation with the IPSLCM5 climate model, removing the global trend from the AMO with LIM yields to better correlations with the AMOC than removing a linear trend or the global mean SST. We also find that removing the ENSO-related part from the AMO with LIM leads to small changes, and even better correlations with the AMOC. Additionaly removing the signal associated to Pacific decadal variability leads to considerable changes in the AMO, which becomes much less correlated to the AMOC. The robustness of these results is demonstrated by performing the LIM decomposition in control simulations with five different climate models. Besides, the LIM filter is applied to SST observations. Finally, we briefly study the impact of the volcanic forcing onto the links between the AMO and the AMOC in a simulation of the last millenium with the IPSLCM4 climate model.; Nous étudions d'abord l'influence du mode annulaire Sud (SAM) sur la circulation méridienne de retournement Atlantique (AMOC) dans une simulation de contrôle avec IPSLCM4. Une phase positive du SAM, correspondant à une intensification des vents d'Ouest soufflant au Sud de 45° S, entraîne après 8 ans une accélération de l'AMOC, via une téléconnection atmosphérique peu réaliste. Une accélération de l'AMOC suit de 70 ans une phase positive du SAM, due à la propagation d'anomalies de sel du Sud vers le Nord de l'Atlantique. Ensuite, nous étudions dans quelle mesure l'Oscillation Multidécennale Atlantique (AMO) reflète les fluctuations de l'AMOC. Nous utilisons un filtre basé sur un modèle linéaire inverse (LIM) pour décomposer la température de surface de l'océan (SST) Atlantique Nord en une partie liée à la dérive globale, une à El Nino (ENSO), une à la variabilité de basse fréquence du Pacifique, et un résidu. Dans la simulation historique de IPSLCM5, enlever la dérive globale de l'AMO avec LIM induit de meilleures corrélations avec l'AMOC que lorsque ce signal est soustrait par une dérive linéaire. Enlever l'influence de ENSO de l'AMO améliore très légérement ses corrélations avec l'AMOC, tandis qu'enlever la variabilité de basse fréquence du Pacifique les dégrade. La robustesse de ces résultats est vérifiée dans des simulations de contrôle avec 5 modèles. Cette déconstruction de l'AMO est aussi effectuée dans les observations. Enfin, l'impact du forçage volcanique sur les liens AMO-AMOC est étudié dans une simulation du dernier millénaire avec IPSLCM4.

The stratospheric processes play an important role in the climate system and addressing the issue of the impact of the stratosphere on climate is of fundamental importance to the scientific community. Observed long term changes in the stratosphere include increase of GHG (greenhouse gases), of lower stratospheric water vapour, decrease of stratospheric ozone and a systematic cooling of the stratosphere during the last two decades (1980-2000). This research was dedicated to the estimation of thermal and dynamical long term changes of the stratosphere and to the attribution of the causes, in particular the role of the ozone in the observed changes. The work was designed to cover the recent past (1980 to 2000), for which good data coverage exists; data analysis has then been coupled with GCM transient simulations to identify the role of the ozone decrease on the observed changes. Three datasets based on monthly-mean satellite and radio sounding product analysis have been considered: the TOVS/3I dataset gives a high resolution picture of the lower stratosphere on a short timescale, the FUB one has a lower resolution but is available for a longer period for the northern hemisphere; finally, the SSU/MSU dataset provides the entire vertical thermal structure of the stratosphere with a coarse vertical resolution (SSU/MSU). Stratospheric temperature trends for the period 1980-2000 have been determined using a multiple linear regression model (AMOUNTS) to separate the effect of the major sources of atmospheric temperature variability from a long-term linear trend. First, a detailed analysis of the impact of the factors of temperature variability is given: the stratospheric Quasi-Biennial Oscillation (QBO), the troposphere pattern of variability described by the El Nino Southern Oscillation (ENSO), the external solar variability and the low-frequency extra tropical mode of variability defined as the Arctic Oscillation. It has been found that the amplitude of the response of temperature to some of these forcing are of the same order of magnitude as the calculated trends. Temperature trends are then described as a function of altitude, latitude and season, showing an unambiguous general cooling of the stratosphere, with a maximum global-mean annual-mean cooling observed in the higher stratosphere northern hemisphere (of the order of 3 K/decade) which decreases in the middle stratosphere and increases again in the lower stratosphere (reaching 1 K/decade in global mean but strongly latitude-dependent). The analysis of temperatures permits also an indirect estimation of a weakening of the stratospheric mean circulation. To investigate the role of ozone change on stratospheric temperature and dynamical fields, two ensemble of GCM transient simulations have been considered (Unified Model, Met office and University of Reading); the first one, representing conditions prior to ozone depletion and the second one, including zonal and monthly mean ozone trends as input of the simulations (ozone run). They have been compared with observed trends. Results confirm the role of the ozone decreases in contributing to the temperature trends in the upper stratosphere (up to 60%) and lower stratosphere (up to 30%). While a general good agreement between observations and ozone run is found in the middle and upper stratosphere, in the lower stratosphere trends are however still underestimated by the ozone run very likely due to the effect of water vapour changes, not taken into account in the simulations. The spring Arctic cooling in the lower stratosphere is captured by the ozone run, but not entirely reproduced. Changes in the wave activity entering the lower stratosphere, estimated through the vertical component of the EP-flux, are also observed in the simulations., On sait aujourd'hui que les processus stratosphériques jouent un rôle important dans le système climatique et leur étude est donc de grande importance pour la communauté scientifique. Les changements à long terme observés dans la stratosphère comprennent l'augmentation des gaz à effet de serre, de la vapeur d'eau, la diminution de l'ozone et un refroidissement systématique de cette région de l'atmosphère pendant les deux dernières décennies (1980-2000). Cette recherche est dédiée à la quantification des changements à long terme de la structure thermique et dynamique de la stratosphère et à l'attribution des causes des changements observés, et en particulier l'effet de la diminution de l'ozone stratosphérique. Le travail a été mené pour les vingt dernières années, où des mesures globales de la stratosphère existent; les analyses effectuées ont été ensuite couplées avec des simulations GCM pour quantifier le rôle de la diminution de l'ozone sur les changements à long terme observés. Trois bases de données (températures mensuelles) résultant d'analyses de données satellitaires et/ou de radiosondages ont été considérées : la base TOVS/3I fournit une description de la basse stratosphère à haute résolution spatiale pour une période de 8 ans; la base FUB a une résolution spatiale moins bonne mais est disponible pour une période plus longue; enfin, la base SSU/MSU couvre les vingt dernières années et surtout la totalité de la stratosphère, mais avec une résolution verticale plus faible. Un modèle de régression linéaire multiparamétrique, qui permet de séparer l'effet de la variabilité naturelle de la tendance à long terme, a été utilisé. Dans un premier temps, une analyse détaillée de l'impact des différents facteurs de variabilité de la température stratosphérique été réalisée. Les forçages considérés sont: l'Oscillation Quasi-Biennale (QBO), l'ENSO, la variabilité de 11 ans associée au cycle solaire, et le mode de variabilité extratropicale connu sous le nom d'Oscillation Arctique (AO). Nous montrons tout d'abord que l'amplitude de la réponse de la température à ces forçages peut être du même ordre de grandeur que les tendances calculées. Ensuite, les tendances de la température sont décrites en fonction de l'altitude, de la latitude et de la saison; elles montrent un refroidissement général de la stratosphère, avec une amplitude maximale en moyenne globale dans la haute stratosphère de l'hémisphère nord (de l'ordre de 3 K/décennie); le refroidissement se réduit dans la moyenne stratosphère pour atteindre 1 K/décennie en moyenne globale dans la basse stratosphère (mais avec une structure fortement dépendante de la latitude). L'analyse des températures nous permet aussi de mettre en évidence, de façon indirecte, un affaiblissement de la circulation moyenne de la stratosphère. Pour étudier le rôle de la diminution d'ozone stratosphérique sur les champs dynamiques et thermiques, nous avons enfin considéré deux ensembles de simulations GCM de type « transitoire »; en entrée des simulations, le premier ensemble considère les conditions prévalant avant la diminution de l'ozone, alors que le deuxième inclut les tendances d'ozone observées en moyenne zonale et mensuelle (dite « simulation ozone »). Les tendances de température simulées ont été comparées entre elles. Les résultats indiquent que la diminution de l'ozone stratosphérique est responsable du refroidissement observé à hauteur de 60% dans la haute stratosphère et de 30% dans la basse stratosphère. Si le refroidissement de la haute et moyenne stratosphère est bien reproduit par les simulations ozone, dans la basse stratosphère il est sous-estimé, très probablement à cause de l'effet des tendances de vapeur d'eau, qui n'ont pas été prises en compte dans les simulations. Le refroidissement pendant le printemps Arctique dans la basse stratosphère est observé, mais non complètement reproduit. Enfin, les simulations ozone indiquent une modification dans l'activité des ondes qui se propagent dans la basse stratosphère, observée à travers l'étude de la composante verticale du flux d'Eliassen-Palm.

Le bassin versant de la rivière Saint-François, situé sur la rive sud (rive droite) du fleuve Saint-Laurent (Québec, Canada), couvre une superficie d’environ 10 000 km2. Dans le but de déceler les facteurs climatiques qui influencent les précipitations dans ce bassin versant, nous avons analysé la succession des périodes pluviométriques sèches et humides par la technique des moyennes glissantes sur cinq ans, d’une part, et la relation entre quatre indices climatiques (oscillation arctique, oscillation australe, oscillation nord-atlantique et la température des eaux océaniques de surface) et ces périodes pluviométriques au moyen de l’analyse des corrélations canoniques, d’autre part. Nous avons analysé les données pluviométriques mesurées à trois stations représentatives des régimes pluviométriques du bassin versant : Sherbrooke, Disraeli et Drummondville. Ces données couvrent une période de 76 ans (1914-1990).En ce qui concerne la variabilité interannuelle des précipitations, nous avons détecté deux types de changement. Le premier type de changement, survenu autour de 1950, concerne la répartition des précipitations à l’échelle du bassin versant (changement spatial). Avant 1950, la succession des périodes sèches et humides des précipitations n’était pas synchrone (opposition des périodes) mais elle l’est devenue après 1950. Le second type de changement a été observé autour des années 1935 et 1970. Il correspond à un changement des totaux pluviométriques au niveau des stations (changement quantitatif). Avant et après 1935 et 1970, on passe ainsi des périodes sèches aux périodes humides ou vice versa selon les stations. En tenant compte de ces trois dates, nous avons observé la succession des périodes sèches et humides suivantes : 1) Avant 1950, entre 1914 et 1935, nous avons observé une période sèche aux stations de Disraeli et de Sherbrooke mais une période humide à la station de Drummondville. Entre 1936-1950, ces périodes se sont inversées : humide à Disraeli et Sherbrooke mais sèche à Drummondville; 2) Après 1950, entre 1951 et 1970, les précipitations étaient déficitaires aux trois stations. En revanche, elles sont devenues excédentaires après 1970.L’analyse des corrélations canoniques entre les précipitations et les indices climatiques a révélé les faits significatifs suivants : 1) Avant et après 1950, les précipitations sont positivement corrélées à l’oscillation arctique (OA), mais cette corrélation est plus faible après qu’avant 1950. Ainsi, l’augmentation des valeurs de OA entraînerait une hausse de fréquence des masses d’air en provenant du sud dans le bassin versant; 2) Lorsqu’on considère les périodes sèches et humides, OA est toujours positivement corrélée aux périodes sèches à la station de Sherbrooke., The Saint-François River watershed, located on the south shore of the St. Lawrence River (Québec, Canada), covers an area of about 10,000 km2. To detect the climatic factors that influence precipitation in this watershed, we analyzed the succession of dry and wet pluviometric periods by a method of simple moving averages computed over five years. In addition, the relationship between four climatic indices (Arctic Oscillation, Southern Oscillation, North Atlantic Oscillation and Sea Surface Temperature) and these pluviometric periods was analyzed by means of canonical correlation analysis. We analyzed the pluviometric data measured over a 76-year period (1914-1990) at three stations representative of the watershed’s pluviometric regimes: Sherbrooke, Disraeli and Drummondville.Two types of change in the inter-annual variability of precipitation were detected. The first type of change, occuring circa 1950, concernend the distribution of precipitation throughout the watershed, i.e. spatial change. Before 1950, the succession of dry and wet precipitation periods was asynchronous (opposition of periods), but became synchronous after 1950. The second type of change, corresponding to a change in the pluviometric totals at the stations, i.e. quantitative change, was observed circa 1935 and 1970. There was, therefore, a shift from dry to wet periods or vice versa, prior to and following 1935 and 1970, depending on the station. By accounting for these three dates, we observed the succession of the following dry periods and wet periods. First, before 1950 and between 1914 and 1935, we observed a dry period at the Disraeli and Sherbrooke stations and a wet period at the Drummondville station. Between 1936 and 1950, these periods were reversed: wet periods at Disraeli and Sherbrooke but a dry period at Drummondville. Second, after 1950 and between 1951 and 1970, there was a precipitation deficit at all three stations, which, however, moved into a surplus phase after 1970.The canonical correlation analysis of precipitation levels and the climate indices revealed the following significant facts: 1) prior to and following 1950, precipitation was positively correlated to the Arctic Oscillation (AO) indices, but this correlation was weaker after 1950 than before; and 2) with respect to the wet and dry periods, the AO index is still positively correlated with the dry periods at the Sherbrooke station.