rapport en format pdf : 872 Ko - Master Interaction Climat

Master Sciences de l’Environnement
Spécialité Interaction Climat-Environnement
L
La a c ci ir rc cu ul la at ti io on n t th he er rm mo oh ha al li in ne e
g
gl la ac ci ia ai ir re e e et t s so on n l li ie en n a av ve ec c l le e
c
cl li im ma at t d de es s l la at ti it tu ud de es s
e
ex xt tr ra at tr ro op pi ic ca al le es s
P
Pa ar r L La au ur re en n G GR RE EG GO OI IR RE E
Stage réalisé au LSCE du 2 Février au 29 Juin 2007,
sous la direction d’Olivier Marti et Masa Kageyama.
Jury : M. Roy-Barman
L. Labeyrie
D. Paillard
P. Bousquet
R. Smets
G. Meyer
M. Chiriaco
Date de soutenance : 22 juin 2007
Laboratoire des Sciences du Climat et
de l’Environnement
CEA Saclay - Orme des Merisiers, bat.
701
91191 GIF-SUR-YVETTE CEDEX
Université de Versailles Saint-Quentin-
en-Yvelines
UFR des Sciences
45 avenue des Etats-Unis
78035 Versailles - France

L A CIRCULATION THERMOHALINE GLACIAIRE ET SON LIEN AVEC LE CLIMAT DES LATITUDES EXTRATROPICALES
2 / 33

L A CIRCULATION THERMOHALINE GLACIAIRE ET SON LIEN AVEC LE CLIMAT DES LATITUDES EXTRATROPICALES
3 / 33
R EMERCIEMENTS
Je remercie en premier lieu Masa Kageyama et Olivier Marti de m’avoir accueillie en
stage au LSCE. J’ai beaucoup apprécié leurs enseignements et leur disponibilité. Je remercie
également Pacale Braconnot pour ses conseils.
Merci à Didier Paillard, Gilles Ramstein, ainsi qu’à toute l’équipe Clim de m’avoir
accueillie parmi eux dans une ambiance très sympathique.
Un grand merci à Ramdane Alkama et Didier Swingedouw pour leur disponibilité et la
précieuse aide qu’ils m’ont apportés tout au long de ce stage.
Enfin je remercie les personnes que j’ai rencontrées durant se stage pour les bons
moments de détente passés en leur compagnie. Merci à Christian, Céline, Florence, Eloi,
Vincent, Virginie et tous les autres.

L A CIRCULATION THERMOHALINE GLACIAIRE ET SON LIEN AVEC LE CLIMAT DES LATITUDES EXTRATROPICALES
4 / 33
R ESUME
La circulation thermohaline a connu des modifications importantes dans le passé,
associées à des changements climatiques. Durant le dernier maximum glaciaire (LGM), il y
a 21 000 ans, le climat était plus froid et plus sec qu’aujourd’hui, les concentrations des gaz à
effet de serre étaient beaucoup plus faibles et d’importantes calottes de glace recouvraient le
nord de l’Europe et de l’Amérique, modifiant sensiblement le bilan radiatif et hydrologique
de ces régions. Afin d’étudier le lien entre la circulation thermohaline et le climat, nous
avons analysé deux simulations du LGM du modèle couplé océan-atmosphère-glace de mer
IPSL_CM4, simulations dans lesquelles les calottes imposées au modèle sont différentes.
Le climat du LGM est 3.5°C plus froid que le climat pré-industriel. La circulation
thermohaline est plus intense dans les deux simulations par rapport à la simulation pré-
industrielle, la glace de mer est plus étendue en mers de GIN et les sites de convections sont
déplacés au sud de l’Islande. Dans une des deux simulations la circulation atteint 22 Sv et
s’étend jusqu’au fond de l’Atlantique. De la convection profonde apparaît en Arctique.
Une simulation avec les gaz à effet de serre glaciaires indique que le climat des basses
latitudes dépend principalement de ces gaz, tandis que les hautes latitudes sont
principalement influencées par la présence des calottes de glace.
Dans ce travail, nous analysons d’une part les différences de climat associées aux
différentes conditions aux limites et aux différences de circulation thermohaline, et d’autre
part le rôle des flux et transports de sel et de chaleur sur la convection profonde et la
formation des eaux.
A
BSTRACT
The thermohaline circulation has undergone major modifications in the past, linked to
climate changes. 21,000 years ago, the Last Glacial Maximum (LGM) climate was colder
and drier than today. Greenhouse gases concentrations were lower and huge ice sheets
covered northern Europe and Canada, modifying hydrological and radiative budgets in these
regions. In order to study the link between the thermohaline circulation and climate, we
analysed two LGM simulations of the IPSL_CM4 ocean-atmosphere-sea ice coupled model,
with different ice sheets.
The globally averaged temperature cools by 3.5°C at the LGM compared to the pre-
industrial simulation. The thermohaline circulation intensifies in both simulations, sea ice
cover increases in the GIN seas and the convection sites shift to the south of Iceland. In one
of the simulations, the maximum of the Atlantic meridional overturning circulation exceeds
22 Sv and reaches the bottom of the ocean. Deep convection develops in the Arctic Ocean.
A glacial greenhouse gases simulation shows that low latitudes climate is mostly
influenced by greenhouse gases concentration, while high latitudes climate is more
influenced by the ice sheets.
In this work, we analyse the climate differences associated with the different boundary
conditions and the different states of the thermohaline circulation on the one hand, and the
role of salt and heat fluxes and transport on deep convection on the other.

L A CIRCULATION THERMOHALINE GLACIAIRE ET SON LIEN AVEC LE CLIMAT DES LATITUDES EXTRATROPICALES
5 / 33
T ABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS.......................................................................................................................................................... 3
RESUME............................................................................................................................................................................. 4
TABLE DES MATIERES.................................................................................................................................................. 5
1 INTRODUCTION....................................................................................................................................................... 6
2 CIRCULATION THERMOHALINE ET CLIMAT : EVOLUTIONS ET LIENS.............................................. 7
2.1 L A CIRCULATION THERMOHALINE DANS LE SYSTEME T ERRE ............................................................................... 7
2.1.1 Le moteur de la THC............................................................................................................................7
2.1.2 Formation d’eau profonde par le mécanisme de convection profonde................................................ 8
2.1.3 Lien entre la THC et le climat.............................................................................................................. 8
2.2 L A CIRCULATION THERMOHALINE EN CLIMAT G LACIAIRE .................................................................................... 8
2.2.1 Le climat du dernier maximum glaciaire............................................................................................. 8
2.2.2 Données sur la circulation THC en période glaciaire......................................................................... 9
2.3 E TUDE DE LA THC A TRAVERS LES MODELES COUPLES ...................................................................................... 10
2.3.1 Principe des modèles couplés............................................................................................................ 10
2.3.2 Etude de la circulation océanique méridienne dans les modèles....................................................... 10
2.3.3 Résultats de simulations LGM ........................................................................................................... 11
3 METHODE ............................................................................................................................................................... 12
3.1 D ESCRIPTION DU MODELE CLIMATIQUE UTILISE ................................................................................................. 12
3.1.1 Les composantes du modèle............................................................................................................... 12
3.1.2 Biais connus du modèle ..................................................................................................................... 12
3.2 L ES SIMULATIONS ETUDIEES ............................................................................................................................. 13
3.2.1 Conditions aux limites........................................................................................................................13
3.2.2 Durées d’intégration et moyennes utilisées........................................................................................ 14
3.2.3 Diagnostics........................................................................................................................................ 14
4 THC ET CLIMAT DE SURFACE AU LGM......................................................................................................... 15
4.1 D ESCRIPTION DU CLIMAT DU LGM................................................................................................................... 15
4.1.1 La circulation océanique glaciaire.................................................................................................... 15
4.1.2 Les conditions climatiques de surface................................................................................................ 16
4.2 C OMPARAISON AVEC LGM_C : EFFET DE LA CALOTTE DE GLACE ET DE LA CIRCULATION THERMOHALINE ......... 18
4.2.1 Une circulation thermohaline plus faible...........................................................................................18
4.2.2 Les différences climatiques................................................................................................................ 18
4.2.3 Transports par l’océan et l’atmosphère............................................................................................. 20
4.3 L’ EFFET DES GAZ A EFFET DE SERRE .................................................................................................................. 23
4.3.1 La THC.............................................................................................................................................. 23
4.3.2 Le Climat ........................................................................................................................................... 24
5 INVESTIGATION SUR LES CAUSES DES DIFFERENCES DE CIRCULATION THERMOHALINE...... 26
5.1 D ENSITE DES EAUX ET FLUX DE DENSITE ........................................................................................................... 26
5.2 L ES CAUSES DE LA CONVECTION EN A RCTIQUE ................................................................................................. 26
5.3 F ORMATION D ’ EAU PROFONDE EN A TLANTIQUE N ORD ...................................................................................... 27
6 CONCLUSION ......................................................................................................................................................... 29
BIBLIOGRAPHIE............................................................................................................................................................ 30
GLOSSAIRE..................................................................................................................................................................... 32
ANNEXE I: ....................................................................................................................................................................... 33