Bilan thermique, tendance et variabilité de la température...

Journée Dynécouverte “Golfe de Gascogne”, 8 janvier 200 9 1/26

Bilan thermique, tendance et variabilité

de la température durant 40 ans

à partir d'observations et d'un modèle global

Sylvain Michel et Frédéric Vandermeirsch (DYNECO/PHYSED)

avec la collaboration de :Francis Gohin, Bertrand Saulquin (DYNECO/PELAGOS),

Anne-Marie Treguier (CNRS, LPO)

1. Motivations de l’étudechangement climatique, température du Golfe de Gascogne et impact sur les écosystèmes halieutiques

2. Données utiliséesobservations in situ, satellitaires et simulation globale

3. Tendances décennalesévolution lente de la température du Golfe de Gascogne

4. Variabilité interannuellefluctuations plus rapides de la température

5. Bilan thermiqueprocessus physiques responsables des variations de température

6. Résultats principaux

Plan1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion


� Michel, S., Treguier, A.M., F. Vandermeirsch, F. (2 009) : “Temperature variability in the Bay of Biscay during the past 40 years, from an in situ analysis and a 3D global simulation”

Continental Shelf Research, special issue on the XI International Symposium on Oceanography of the Bay of Biscay, accepted

� Variabilité interannuelle à décennale

� Bilan dans la couche 0-800 m

� Données in situ basse résolution et simulation numérique

� Michel, S., F. Vandermeirsch, F. (2009 ?) : “Seasonal to inter-decadal variability of upper layer temperature in the Bay of

Biscay”Aquatic Living Resources, special issue on the colloquium “Ecosystem Approach to

Fisheries”, submitted

� Variabilité inter-saisonnière à décennale

� Bilan dans la couche 0-200 m

� Données in situ et satellitaires haute-résolution, simulation numérique

� Rapport final de post-doctorat, compte-rendu PHYSED décembre 2008

“Variabilité de la température du Golfe de Gascogne au cours des 40 dernièresannées, à partir d’observations et de simulations numériques”

Références1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion


Evolution de la température océanique durant la 2nde moitié du XXème siècle

Tendance linéaire ducontenu thermique

dans la couche 0-700m de 1955 à 2003

intervalle = 0.25 W.m-2

bleu : < -0.25, rouge : > +0.25

1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion

d’après Levitus et al., 2005

Tendance linéaire de la températuremoyennée zonalement dans l’Atlantique

de 1955 à 2003

intervalle = 0.05 °C/décenniebleu : < -0.025,

rouge : > +0.025

?

?

Plateau Celtique : 2 cycles de refroidissement-réchauffement durant le XXème siècle

Evolution de la température dans le Golfe de Gascogne

Côte Basque : forte corrélation entre les anomalies de SST et de température de l’air(d’après Fontan et al., 2007)


10º W 9º W 8º W 7º W 6º W 5º W 4º W 3º W 2º W 1º W 0º W42º N

43º N

44º N

45º N

46º N

47º N

48º N

49º N

Armorican shelf

BAY OF BISCAY

Cantabrian shelf Aqu

itani

an s

helf

San SebastiánSPAIN

FRANCE

1000m

200m

100m

Courant Navidad : fort réchauffement depuisles années 1970(d’après Garcia-Soto et al., 2002)

Manche et Sud de la Mer du NordSST satellitaire de 1986 à 2006 +0.4 à +0.8°C/décennie(d’après Saulquin and Gohin, 2008)

Evolution de la température dans les mers côtières européenn es

Mer du Nord et Mer BaltiqueSST in situ du Hadley Centre+1.0 à +1.5°C en 130 ans(d’après MacKenzie and Schiedek, 2007)


D’autres mers côtières se réchauffentencore plus vite que le Golfe de Gascogne.

Limitations des études précédentes :

- Domaine trop restreint- Séries temporelles trop courtes- Température de surface uniquement- Processus physiques non représentés


Questions centrales

Q1 : Le golfe suit-il le changement climatique global ?

Q2 : Le golfe a-t-il un mode propre ?

Q3 : Comment le golfe est-il piloté par l’atmosphère ou/et l’océan ?


43º N

44º N

45º N

46º N

47º N

48º N

49º N

Armorican shelf

BAY OF BISCAY


itani

an s

helf

San SebastiánSPAIN

FRANCE

1000m

200m

100m

Jeux de données exploités

Simulation

(modèle OPA)

Satellitaire

(AVHRR)

In situ (WOD +

XBTs du SHOM)

In situType de données

1958-20041986-20061950-20061955-2003Durée

5 jours1 jour3 mois1 an (5 ans)Échantillonnnage

temporel

6 à 200 mNA5 à 100 m10 à 200 mRésolution

Verticale

0.25°x 0.25°0.04°x 0.04°0.1°x 0.1°1°X 1°Résolution

Horizontale

Global,

0 à 5000 m

Zone IBIROOS,

surface

Golfe de Gascogne,

0 à 3000 m

Global,

0 à 700 m (1500 m)

Domaine

Géographique

ORCAECOOPBoByClimWorld Ocean

Database

Jeu de données


Températures annuelles,

moyennées sur le domaine43-50°N / 15-1°W

in situ ( WOD, BoByClim ),

satellitaires (ECOOP)

et simulées (ORCA)

50 m

0-5 m

200 m


Tendances des températures observées et simuléesTendance

1965-2003 :+0.24°C/dec.

1986-2003 :+0.30°C/dec.+0.36°C/dec.

1965-2003 :+0.28°C/dec.

1965-2003 :+0.15°C/dec.

Décomposition d’une série de température mensuelle :T(t) = Tmean + L*t + T'interannual(year) + T'seasonal(month) + T’'inter-seasonal(year,month)

Echelle temporelle décroissante,fréquence croissante


Surface: analyse satellitaire ECOOPmoyenne = +0.35°C/décennie

100 m :analyse in situ BoByClim

moyenne = +0.31°C/décennie

Tendance décennale :T(t) = Tmean + L*t + T'interannual(year) + T'seasonal(month) + T’'inter-seasonal(year,month)


Analyse satellitaire ECOOP (1986-2005)

Tendances saisonnières


Hiver +0.23°C/dec. Printemps +0.42°C/dec.

Été +0.47°C/dec. Automne +0.32°C/dec.

Tendances (droites pointillées)et anomalies saisonnières

(traits continus)moyennées sur le domaine

Tendances saisonnières1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion

Hiver +0.28°C/dec. Printemps +0.34°C/dec.

Été +0.38°C/dec. Automne +0.23°C/dec.

Analyse in situ BoByClim (1986-2005) à 100 mètres

Tendances moyennées sur le domaine, en fonction de la profondeur et de la saison


Dev. std. = 0.23°C

Surface: analyse satellitaire ECOOPDev. std. = 0.40°C

Variabilité interannuelle :T(t) = Tmean + L*t + T'interannual(year) + T'seasonal(month) + T’'inter-seasonal(year,month)


Analyse in situ BoByClim (1986-2005)

Variabilité inter-saisonnière


Déviations standard moyennées sur le domaine, en fonction de la profondeur et de la saison

Structure verticale des anomalies : analyse BoByClimT(t) = Tmean + L*t + T'interannual(year) + T'seasonal(month) + T’'inter-seasonal(year,month)


Température totale moyennées sur le domaine

Anomalies saisonnières moyennées sur le domaine

Modes de variabilité interannuellle (1986-2005)

T à 100 m : variance expliquée EOF1 = 44% EOF2 = 11%


Séries temporelles de la 1ère PCet indice NAO en décembre

Corrélation avec la NAO ~ -50%

SST : variance expliquée EOF1 = 82% EOF2 = 6%

+0.3 TW(±3.0)

+21.6 TW(±11.0)

-13.8 TW(±9.1)

-4.0 TW(±7.7)

-4.0 TW(±4.0)

-0.1 TW(±0.7)

Flux air-mer

TransportOuest

TransportSud

TransportNord

Transport vertical

Diffusion

Simulation ORCA, moyennes 1965-2004 (et déviations standards)

Bilan de chaleur dans la couche supérieure (0-200 m)

En moyenne sur ces 40 années, les échanges de chaleur sont dûs principalement

aux courants océaniques (import par l’Ouest, exports par le Sud et le Nord),

l‘apport par l'atmosphère est secondaire et l’effet de la diffusion est négligeable.


Bilan de chaleur dans la couche supérieure (0-200 m)

Flux air-merTransport

Nord


Diffusion

TransportOuest

TransportSud

Transport vertical

• Variabilité du flux air-mer (dev std ~3 TW)

2 fois plus forte que celle du transport total

• Fluctuations plus rapides pour le flux air-

mer (~1 an) que pour le transport (~5 ans)

• Flux air-mer corrélé avec le changement

de contenu thermique (dev std ~2 TW)

Variations interannuellesdu bilan de chaleur :

• Apport par l’Ouest réparti

entre le Sud , le Nord et la

base à 200 m

• Fortes variations de tous les

transports (dev std ~10 TW)

L'atmosphère est une source de chaleur dansle secteur Sud-Ouest et un puits de chaleurailleurs, surtout sur le plateau Armoricain.

Les variations du flux sont généralement plus fortes au-dessus du plateau et du talus, saufle long des côtes à l'Est.

Moyenne 1965-2004 (W/m²)


Contribution de l’atmosphère au bilan de chaleur

Variabilité interannuelle (W/m²)

Déviations standard (en TW)

0-200 m1) flux air-mer 3.02) transport total 1.63) diffusion 0.7

contenu 2.9

Evolution du bilan de chaleur en profondeur1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion

0-800 m1a) flux air-mer 3.01b) transport total 1.93) diffusion 0.6

contenu 3.1

0-5000 m1) transport total 6.32) flux air-mer 4.13) diffusion 1.4

contenu 7.6

Contributions atmosphériques et océaniquesReprésentation synthétique

du bilan de chaleurexemple : couche 0-200 m, 1965-2004


0-200 m

0-800 m 0-5000 m

Contribution des processus atmosphériques et océaniques


Principaux résultatsTendances décennales :• fort réchauffement à toutes les profondeurs entre la surface et 200 m (ou plus)• approximativement 2 fois plus rapide que dans l’ensemble de l’Atlantique Nord• intensifié en subsurface (~50 m) et sur le plateau Armoricain

Anomalies interannuelles :• généralement plus intenses en surface• durée typique de 2-3 ans, profondeur de pénétration ~100 m (parfois > 200 m)• similarités entre la NAO et la 1ère EOF de T de 0 à 100 m

Variabilité inter-saisonnière :• dépendance saisonnière marquée dans la couche 0-100 m• tendance plus forte en été qu’en hiver (d’un facteur ~2 en surface) => augmentation du contraste entre hiver et été

Bilan de chaleur :• contributions similaires des flux atmosphériques et des transports océaniques pour les anomalies interannuelles dansles premières centaines de mètres• processus océaniques prédominant par rapport aux échangesair-mer si l’on intègre les couches plus profondes


Q1 : Le golfe suit-il le changement climatique global ?• Comme tout l'Atlantique Nord, le golfe de Gascogne a subi un refroidissement jusqu'aux années 1970, suivi d'un réchauffement depuis 30 ans.• Sur la période 1985-2005, ce réchauffement estapproximativement 2 fois plus rapide que dansl’Atlantique Nord (+0.3°C/dec. dans la couche 0-50 m).

Q2 : Le golfe a-t-il un mode propre ?• Les variations interannuelles de température jusqu'à100 m sont liées à l'Oscillation Nord-Atlantique, ce lien étant plus fort à l'échelle d’un golfe élargi.• Les variations inter-saisonnières sont aussi marquées, leur intensité variant suivant la saison et la région.

Q3 : Comment le golfe est-il piloté par l’atmosphèreou/et l’océan ?• Les processus atmosphériques (flux air-mer) et océaniques (transports et mélange) sont fortementcouplés.• Conséquence : dans la majeure partie du golfe, la température est controlée par l'atmosphère et l'océan(transport et mélange) en proportions égales.

Réponses aux questions centrales1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion

Perspectives

� Extension de l’étude à la Manche(Défi Manche lancé début 2009)

� Développement d’applications pour l’halieutique (indicateurs, cartes synthétiques)

(thèse encadrée par P. Lorance, EMH/Ifremer-Nantes)

� Exploitation de la configuration AMEN (zoom AGRIF au 1/12°)

� Réalisation d’une simulation multi-décennale avec MARS-3D (forcée par ORCA/AMEN aux frontièresouvertes)

� Études de scénarii climatiques


Merci de votre attention !

Contenus thermiques de l’Océan Global et de l’Atlantiq ue Nord(d’après Levitus et al., 2005)

De 1955 à 1998, dans la couche 0-3000 m :

Océan Global: +14.5x1022 J Atlantique Nord = +4.8x1022 J-> flux air-mer +0.30 W/m² -> flux air-mer +0.66 W/m²

Evolution du contenu thermique de l’océan

L’Atlantique Nord a absorbé un tiers de l’excédent global de chaleur provenant de l’atmosphère.


Océan global1955-2003

0-300 m+0.171°C

0-700 m+0.118°C

0-3000 m+0.037°C

Atl. Nord1955-2003

0-300 m+0.354°C

0-700 m+0.274°C

0-3000 m+0.095°C

Evolution du contenu thermique de l’océan

Contenus thermiques de l’Atlantique Nord, de l’Atlanti que et de l’Océan Global(d’après Levitus et al., 2005)

La couche supérieure de l’Atlantique Nord s’est réchauffée3 fois plus vite que sa couche 0-3000 m et 10 fois plus vite que l’Océan Global.


1.b. Connections entre l’Atlantique Nord et le Golfe de Ga scogneLes courants oceaniques

Mode dominant : l’Oscillation Nord-Atlantique

impacts des phases +/-

1.b. Connections entre l’Atlantique Nord et le Golfe de Ga scogneLes modes couplés océan-atmosphère


43º N

44º N

45º N

46º N

47º N

48º N

49º N

Armorican shelf

BAY OF BISCAY


itani

an s

helf

San SebastiánSPAIN

FRANCE

1000m

200m

100m

Golfe de Gascogne : 2 cycles de refroidissement-réchauffement :1870-1945 (minimum en 1910)1945-aujourd’hui (minimum en 1974) (d’après DeCastro et al., 2009)

Evolution de la température dans le Golfe de Gascogne

Côte Basque : 2 phases pour la SST1947-1977 : refroidissement (-0.23°C/dec.)1977-2007 : réchauffement (+0.26°C/dec.) (d’après Goikoetxea et al., 2009)


y = -0.0229x + 16.572

15.0

15.5

16.0

16.5

17.0

17.5

19

471

950

19

531

956

19

591

962

19

651

968

19

711

974

19

77

SS

T (

ºC)

y = 0.0255x + 15.682

19

771

980

19

831

986

19

891

992

19

951

998

20

012

004

20

07

Apparition d’espèces de poissonstropicaux dans les eaux du plateau continental d’Europe l’Ouest(d’après Quéro et al., 1998)

Impact du réchauffement climatique sur l’halieutique

Augmentation de l’abondance du poissontropical Capros aper dans le Golfe de Gascogne(d’après Blanchard et Vandermeirsch, 2005)


Analyse in situ globale : World Ocean Database

World Ocean Database 2005 (WOD)7 900 000 données sur l'océanglobal

Analyse du contenu thermiquepar Levitus et al. (2004)

� Résolution : 1°x1°, 10 à 200 m� Durée : 1955-2003� Fréquence :champs annuels entre 0 et 700 m,tous les 5 ans jusqu'à 3000 m

Température en surface, moyenne climatologique (en °C)

Erreur standard associée (en °C)

1. Introduction 2. Données 3. Bilan de chaleur 4. Tendances 5. Variabilité 6. Conclusion

Analyse in situ régionale : BoByClim

Nombre de mesures de température à 10 m par 0.25°x0.25°

Nombre de mesures de température par an et par instrument

Mesures in situ : base de donnéeshydrologique� 100 000 profils T/S qualifiés� du XIXème siècle jusqu'à nos jours� couverture plus complète que la référence mondiale WOD : collaboration avec le SHOM

Analyses retrospectives : reconstitution de séries temporelles de température et de salinité à partir d’Interpolation optimale� De 1950 à 2006, annuelle et saisonnière� Échelles adaptées au plateau et à la plaine� Résolution : 1/10°, 5 à 100 m

Limitation de la base de données :• Couverture spatiale et temporelleincomplète• Profils effectués jusqu’à des profondeurs variables


Analyse satellitaire régionale : ECOOPInterpolation optimale des données PathFinder, basée sur un modèle empirique :

SST(t) = P0 + P1*t - P2*cos[2π/365(t-P3)] - P4*cos[2π/182.5(t-P5)]

P1taux de

réchauffementP0

moyennede 1986

P2amplitude du

cycle saisonnier

P3jour le plus froid

du cycle saisonnier


Projet DRAKKAR : modélisation océanique multi-échelleObjectif : étude de la variabilité de l'Atlantique subpolaire et de l'Océan Austral� Configuration ORCA025 : modèle global basé sur le code OPA/NEMO

� Résolution : ~0.25°(20 km), grille curviligne tripolaire, 46 niv eaux en coord. Z

� Période de simulation : 1958-2004

Simulation océanique globale : ORCA


Variance of the satellite data (1986-2006) explained by the model

The ECOOP satellite SST analysis

2nd step: optimal interpolation of the satellite data by kriging the daily anomalies with respect to the empirical model (radius = 150 km, ∆t=0 to 9 days)

ftp://www.ifremer.fr/pub/ifremer/cersat/products/gridded/sst-l4hr-AVHRR-fnd/

RMS interanuel

surface :0.44°C

50 mètres :+0.28°C/décennie

200 mètres :0.23°C

Tendancesurface :

+0.24°C/décennie

50 mètres :0.40°C

200 mètres :+0.15°C/décennie

1986-2003 :0.47°C0.41°C

1986-2003 :+0.30°C/décennie+0.36°C/décennie

3. Tendances de température observé et simulée1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion

Juin+0.61°C/dec.

Décembre+0.14°C/dec.

Tendances mensuelles issues de l’analyse ECOOP :T(t) = Tseasonal(month) + L(month)*t + T’'inter-seasonal(year,month)


3.b. Tendances saisonnières en surface

analyse satellitaire ECOOP

analyse in situ BoByClim à 5 m

Cycle saisonnier:T(t) = Tmean + L*t + T'interannual(year) + T'seasonal(month) + T’'inter-seasonal(year,month)

Surface: analyse satellitaire ECOOPRMS = 2.69°C


Modes of interannual variabilitySatellite SST in winter (January-March)

Explained variance: EOF1 = 69% EOF2 = 12%

Time-series of SST, EOF1, EOF2 and winter NAO index

correlation EOF1/NAO

= 41%(significance

= 93%)

� Fortes variations des

transports (RMS ~10 TW),

apport par l’Ouest réparti entre

le Sud , le Nord et la limite à

200m.

� Variations du flux air-mer

(RMS ~3 TW) 2 fois plus fortes

que le transport total ,

corrélées avec le changement

de contenu thermique (RMS

~2 TW).

Température moyennée

de 0 à 200 m :

� refroidissement en 1965-75

� réchauffement en 1975-85 et

1995-2005

Bilan de chaleur dans la couche supérieure

Contributions atmosphériques et océaniquesMoyenne 1965-2004

Flux atmosphérique Transport océanique (0-800m)

L'atmosphère est une source de chaleurdans le secteur Sud-Ouest et un puits de chaleur ailleurs, surtout sur le plateau Armoricain.

Les courants sont une source de chaleur sur la majeure partie du plateau et au Sud du talus Celtique, et un puits de chaleur sur la partie Ouestde la plaine et au sommet du talus Cantabrique.

Problème : autres processus (diffusion, E-P-R, …), moyenne pas représentative de l’évolution du bilan -> Comment décrire synthétiquement le bilan thermique ?

Analyse satellitaire ECOOP


Analyse in situ BoByClim à 100 m


Analyse in situ BoByClim à 5 m

Contributions atmosphériques et océaniques

Bilan dans la couche 0-800 m

Contributions atmosphériques et océaniquesBilan dans la couche 0-200 m

Bilan de chaleursaisonnier

Bilan dans la couche 0-800 m

Bilan thermique, tendance et variabilité de la température...

Documents

Transcript of Bilan thermique, tendance et variabilité de la température...