Mediterranean marine heatwaves : detection, past variability and future evolution
Canicules océaniques en Méditerranée : détection, variabilité passée et évolution future
Résumé
The Mediterranean Sea is considered a "Hot Spot" region for future climate change and depending on the greenhouse emission scenario, the annual mean basin sea surface temperature (SST) is expected to increase from +1.5 °°C to +3 °°C at the end of the 21st century relative to present-day. This significant SST rise is likely to intensify episodes of extreme warm ocean temperatures in the basin, named as Marine heatwaves (MHWs), that are known to exert substantial pressure on marine ecosystems and related fisheries around the world. In this context, the main aim of this PhD work is to study the past variability and future evolution of MHWs in the Mediterranean Sea. We propose a detection method for long lasting and large-scale summer MHWs, using a local, climatological 99th percentile threshold, based on present-climate daily SST. MHW probability of occurrence and characteristics in terms of spatial variability and temporal evolution are then investigated, using additional integrated indicators (e.g. duration, intensity, spatial extension, severity) to describe past and future events. Within the PhD and depending on the applications, the detection method is applied to various datasets : In-situ observation at buoys, high-resolution satellite product, various high- resolution and fully-coupled Regional Climate System Models including the recently developed CNRM-RCSM6 and the multi-model (5), multi-scenario (3) Med-CORDEX ensemble. The detection method is first tested on the 2003 MHW in order to assess its sensitivity to various tuning parameters. We conclude that its characterization is partly sensitive to the algorithm setting. Hindcast and historical mode simulations show that models are able to capture well observed MHW characteristics. We then assess past surface MHW variability (1982-2017) and their underlying driving mechanisms using the CNRM-RCSM6 model. We examine their characteristics from surface to 55m depth, where most thermal stress-related mass mortalities of Mediterranean ecosystems have been observed in the past. The analysis indicates an increase in duration and intensity of surface events with time, while MHWs of 2003, 2012 and 2015 are identified as the most severe events of the period. In particular, an anomalous increase in shortwave radiation and a lower-than-normal vertical diffusion and latent heat loss appeared to be responsible for the development of the MHW 2003, with wind playing a key role in the intensity of temperature anomalies at the sea surface. Differences on the dominant forcing, however, are sometimes evident in the different subbasin.We finally use the Med-CORDEX RCSM ensemble to assess the future MHW evolution in the basin over 1976-2100. Our results suggest longer and more severe events with higher global-warming rates. By 2100 and under RCP8.5, simulations project at least one long- lasting MHW every year, up to 3 months longer, about 4 times more intense and 42 times more severe than present-day events. Their occurrence is expected between June-October affecting at peak the entire basin. Their evolution is found to mainly occur due to an increase in the mean SST but an increase in daily SST variability plays also a noticeable role. Up to mid-21st century MHW characteristics rise independently of the choice of the emission scenario, whose influence becomes more evident by the end of the period.
L'objectif principal de ce travail de thèse est d'étudier la variabilité passée et l'évolution future des épisodes de températures océaniques anormalement chaudes en Méditerranée. Ces évènements, appelés canicules océaniques ou Marine Heatwaves en anglais (MHW), sont connues pour exercer une pression considérable sur les écosystèmes marins et les pêcheries associées un peu partout dans le monde. Nous proposons une nouvelle méthode de détection automatique des MHWs d'été basée sur le 99ème centile de la température quotidienne de la surface de la mer (TSM) en climat présent et tenant compte de la diversité géographique de la zone. La probabilité d'occurrence des MHWs et leurs caractéristiques spatio-temporelles sont ensuite étudiées. D'autres indicateurs intégrés tels que la durée, l'intensité, l'extension spatiale maximale ou la sévérité permettent de compléter la description des MHWs. Au cours de cette thèse et en fonction des applications, la méthode de détection est appliquée à différents types de données : observations in-situ aux bouées, produit satellitaire et différents modèles haute résolution et couplés haute fréquence du système climatique régional (RCSMs pour Regional Climate System Model en anglais) y compris le nouveau modèle CNRM-RCSM6 et l'ensemble Med-CORDEX multi-modèle (5) et multi-scénarios (3). L'algorithme de détection est d'abord testé sur la MHW de 2003 afin de montrer qu'il est peu sensible aux différents paramètres de réglage. L'évaluation des simulations rétrospectives et historiques montrent que les RCSMs sont capables dans l'ensemble de bien reproduire l'occurrence et les caractéristiques des MHWs observées par satellite. Nous étudions ensuite la variabilité passée des MHWs de surface (1982-2017) ainsi que leurs facteurs explicatifs en utilisant le modèle CNRM-RCSM6. Nous examinons, leurs caractéristiques entre 20-55 m de profondeur, là où la plupart des mortalités de masse liées au stress thermique des écosystèmes méditerranéens ont été observées dans le passé. L'analyse indique une augmentation de la durée et de l'intensité des évènements de surface au fil du temps, tandis que les MHWs de 2003, 2012 et 2015 sont détectées comme les évènements les plus sévères de la période. Par ailleurs, pour la canicule 2003 des différences importantes dans la contribution des échanges air-mer et de la diffusion vertical de chaleur sont mis en évidence pour les différents sous-bassins méditerranéens. Nous montrons également que la tension de vent joue un rôle clé sur l'intensité des anomalies de température en surface ainsi que leur propagation verticale. Enfin, nous utilisons l'ensemble Med-CORDEX de RCSMs pour évaluer l'évolution future des MHWs dans la région sur la période 1976-2100. Nos résultats suggèrent des évènements plus longs et plus sévères au fur et à mesure que le réchauffement climatique s'intensifie. D'ici à 2100 et dans le cadre du scénario le plus pessimiste (RCP8.5), les simulations projettent au moins une MHW de longue durée chaque année, jusqu'à 3 mois plus longue, environ 4 fois plus intense et 40 fois plus sévère que les évènements actuels. On s'attend à ce qu'elles se produisent entre juin et octobre, affectant au plus fort de leur extension l'ensemble du bassin. Cette évolution s'explique principalement par une augmentation de la TSM moyenne, mais l'augmentation de la variabilité quotidienne de la TSM joue également un rôle notable. Jusqu'au milieu du 21ème siècle, les caractéristiques des MHWs augmentent indépendamment du choix du scénario d'émission, dont l'influence devient plus évidente à la fin de la période. Enfin, l'analyse individuelle des modèles révèle différentes familles de réponses au changement climatique. Ces différences s'expliquent plus probablement par le choix du modèle global forçant, plutôt que par les biais individuels des modèles régionaux.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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