Les changements de la circulation atmosphérique tropicale et

THÈSE de DOCTORAT de L’UNIVERSITÉ PARIS 6
spécialité : SCIENCES DE L’ATMOSPHÈRE
présentée par
Guillaume Gastineau
pour obtenir le grade de Docteur de l’UNIVERSITÉ de PARIS 6
Les changements de la circulation atmosphérique tropicale
et conséquences lors du changement climatique
Thèse soutenue le 21 janvier 2008 devant le jury composé de :
Présidente : Mme Katia Laval
Rapporteurs : M. Philippe Bougeault
M. Serge Planton
Examinateurs : M. Mark Rodwell
M. Jean Louis Dufresne
M. Hervé le Treut
Laboratoire de Météorologie Dynamique du CNRS, Institut Pierre Simon Laplace
Université Pierre et Marie Curie
Paris, France

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Remerciement
Je remercie tout d’abord Hervé Le Treut, qui, avec Laurent Li, qui ont su me conseiller effica-
cement, tout en me laissant travailler très librement. Je les remercie pour la confiance qu’ils m’ont
accordée lors de mon travail de thèse. Je tiens à remercier particulièrement Laurent Li, qui m’a
initié à l’utilisation de modèles de climat, et qui a souvent été présent pour m’assister.
J’ai trouvé dans l’équipe de modélisation du climat du Laboratoire de météorologie dynamique
une ambiance particulièrement favorable pour mener à bien ce travail. Je remercie Jean Louis
Dufresne qui anime les réunions hebdomadaires de l’équipe, qui sont très utiles pour les doctorants
du laboratoire. Jean Louis Dufresne a en outre accepté d’être examinateur de cette thèse. Merci
tout particulièrement à Sandrine Bony, Jean Yves Granpeix, Rémy Roca et Francis Codron pour
les nombreuses discussions que nous avons eues ensemble.
Je remercie Philippe Bougeault et Serge Planton d’avoir accepté d’être rapporteurs, et Mark
Rodwell et Katia Laval de me faire l’honneur de participer au jury.
Je tiens aussi à remercier Laurent Fairhead, Sébastien Denvil, Véronique Fabart et Robert
Franchisseur pour les conseils et l’assistance technique qu’ils m’ont apportés.
Merci à mes proches, et en particulier Marion, pour leurs soutiens quotidiens lors de la rédac-
tion du manuscrit.
Enfin, je tiens à remercier tout les gens du LMD, notamment Catherine, Katerina, Mathieu,
Tristan, Sébastien, Aymeric, pour tout les bons moments passés en leur compagnie.
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Résumé
Les variations de la circulation tropicale de grande échelle lors du changement climatique
peuvent avoir d’importantes conséquences en terme d’impact sur les activités humaines. Dans un
premier temps nous étudions la circulation atmosphérique tropicale méridienne, dans les différents
modèles climatiques couplés. Lors du réchauffement climatique, nous trouvons que la circulation
méridienne moyenne et les jets subtropicaux sont significativement déplacés vers les pˆ rôles, et
que l’intensité de ces circulations diminue faiblement lors du changement climatique. L’affai-
blissement de la circulation tropicale est alors décrite comme une conséquence des changements
de stabilité statique affectant la troposphère. Dans une seconde partie, des simulations idéalisées
ont été mises en place pour expliquer les changements de circulation tropicale. Tout d’abord, des
simulations d’ensemble utilisant le GCM LMDZ4, et mimant les résultats du modèle couplé IPSL-
CM4, ont été réalisées. On montre alors que l’intensité et le déplacement des cellules de Hadley
sont reliés au changement uniforme de température de mer mais aussi au changement des gra-
dients méridionaux de température. Ensuite, nous utilisons des simulations du modèle LMDZ4 en
configuration aqua-planète. Les variations de la circulation de Hadley sont alors expliquées dans
un cadre simplifié par la nécessité du transport énergétique de l’équateur vers les pôles. Enfin,
nous étudions brièvement la vapeur d’eau et sa rétroaction lors du changement climatique. On
montre que les changements de circulation de Hadley peuvent avoir un impact significatif sur la
rétroaction de la vapeur d’eau.
Summary
The changes of the tropical large scale circulation during climate change can have large im-
pacts on human activities. In a first part, the meridional atmospheric tropical circulation was stu-
died in the different coupled models. During climate change, we find that the Hadley meridional
circulation and the subtropical jet are significantly shifted poleward, while the intensity of the tro-
pical circulation weakens. The slow down of the atmospheric circulation results from the dry static
stability changes affecting the tropical troposphere. Secondly, idealized simulations are used to ex-
plain the tropical circulation changes. Ensemble simulation using the model LMDZ4 are set up to
mimic the results from the coupled model IPSL-CM4. The weakening of the large scale tropical
circulation and the poleward shift of the Hadley cela are explained by both the uniform change
and the merdional gradient change of the sea surface temperature. Then, we used the atmospheric
model LMDZ4 in an aquaplanet configuration. The Hadley circulation changes are explained in a
simple framework by the required poleward energy transport. In a last part, we focus on the water
vapor distribution in the climate models. The Hadley circulation changes were shown to have a
significant impact on the water vapour feedback during climate change.