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MEMBRESDUJURY:
Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace (SDU2E)
Influence de la stratosphère sur la variabilité
et la prévisibilité climatique
mercredi 28 novembre 2012
Gaëlle Ouzeau
Océan, Atmosphère et Surfaces continentales
Hervé Le Treut
François Lott
Hervé Douville
David Saint-Martin
CNRM - GAME (URA1357)
Sylvain Coquillat
Christophe Cassou
Chiara Cagnazzo

Remerciements
Cette thèse s'est déroulée au sein du Centre National de Recherches
Météorologiques, dans le Groupe de Météorologie de Grande Échelle et Climat. Ces
quelques paragraphes sont dédiés aux remerciements des personnes qui ont contribué, de
près ou de loin, à faire de ces trois années une belle expérience.
Mes premiers remerciements vont bien sûr à Hervé, pour m'avoir permis de faire
cette thèse, et qui m'a suivie tout au long de ces trois ans. Je remercie également David, qui
m'a accompagnée durant cette thèse, et qui a toujours su trouver les mots pour me rassurer,
m'encourager, voire me remotiver. Travailler à leurs côtés fut un plaisir.
Je tiens également à exprimer ma profonde gratitude à Hervé Le Treut, François
Lott, Christophe Cassou et Chiara Cagnazzo pour avoir accepté d'évaluer mon travail et
pour leur participation au jury de soutenance. Merci à Sylvain Coquillat d'avoir présidé ce
jury. Je remercie également Gwendal Rivière pour m'avoir conseillée, notamment dans le
cadre du comité de thèse. Merci à la fondation AXA, qui m'a permis de faire ce doctorat, et
en particulier à Isabelle Delaporte et Michela Mori qui ont montré un vif intérêt pour mon
travail.
Un grand merci à toute l'équipe du second étage du CNRM, du loft, et autres
participants à la traditionnelle pause café. Merci à Sophie, Aurore et Michel pour leur
soutien concernant la partie informatique et modélisation. Je remercie Martine pour son
aide pour les missions, pour avoir contribué au bon déroulement de la soutenance, et bien
plus encore ! Merci aux collègues de bureau Julien et John Py, avec lesquels j'ai partagé les
joies du sauna au travail, et à ceux du bureau d'à côté, Yannick et Bertrand. Ce fut un réel
plaisir de travailler aux côtés de Lauriane et Matthieu, de découvrir le petit dragon grâce à
Milou. Boutheina et Gwendoline, je n'oublierai pas notre folle nuit dans l'aéroport de
Munich en compagnie de monsieur Poster. On se refait un choco cookie quand vous voulez !
Je tiens à remercier toutes les personnes côtoyées durant cette thèse : Agathe, Pierre,
Marania, Ramdane, Jeanne, Clotilde, Samuel, Eric, Gilles, Aurélien, Fabrice... et à ceux que
j'oublie, pour tous les bons moments passés avec eux.
Une pensée à tous les amis toulousains, pictaviens ou saintais, que j'aurais aimé voir
plus souvent. Merci aux chers ludiens pour tous ces moments improvisés ! Ils ont été une
vraie soupape, j'ai aimé jouer avec eux ou décompresser à l'Évasion en leur compagnie.
Pour finir, j'adresse un grand merci à ma famille, à mes parents et mon frère, qui ont
toujours cru en moi et m'ont soutenue, en particulier pendant ces trois années.

Résumé
Les moyennes et hautes latitudes de l'hémisphère nord sont caractérisées par une
forte variabilité climatique en hiver, incluant l'occurrence d'évènements extrêmes tels que
les vagues de froid ou les tempêtes, et présentent une faible prévisibilité aux échéances
mensuelle à saisonnière dans les systèmes opérationnels. Un nombre croissant d'études
montre qu'au-delà du couplage océan-atmosphère, le couplage troposphère-stratosphère
contribue également à la variabilité climatique à ces échelles de temps. Cette thèse vise à
mieux comprendre l'influence de la stratosphère sur la variabilité climatique hivernale à nos
latitudes, et à quantifier sa contribution potentielle à la prévisibilité climatique saisonnière
en comparaison de la contribution océanique.
Dans un premier temps, un état des lieux des connaissances sur le couplage
troposphère-stratosphère est dressé et la variabilité inter-annuelle du vortex stratosphérique
polaire est revisitée par le biais d'analyses composites sur la base des réanalyses
atmosphériques du CEPMMT. Ensuite, les principaux outils de cette thèse sont présentés et
validés, à savoir le modèle ARPEGE-Climat et la technique de « nudging » permettant de
relaxer (guider) le modèle vers les réanalyses. Comme beaucoup de modèles, les versions 4
et 5 d'ARPEGE-Climat en configuration T63L31 simulent un vortex stratosphérique polaire
nettement décalé vers le sud, ce qui peut avoir des conséquences négatives sur la variabilité
simulée via la modification des interactions ondes-écoulement moyen. Si la faible résolution
verticale dans la stratosphère est souvent mise en avant pour expliquer le manque de
prévisibilité dans les modèles, nos travaux sur la version 5 d'ARPEGE-Climat montrent que
l'augmentation de la résolution verticale et l'élévation du toit du modèle à 0.1 hPa ne
suffisent pas pour obtenir un climat plus réaliste, que ce soit en termes d'état moyen, de
variabilité ou de prévisibilité à l'échelle saisonnière.
C'est pourquoi, tout au long de cette thèse, la technique de la relaxation de la
stratosphère vers les réanalyses issues du CEPMMT a été exploitée afin de montrer, de
manière idéalisée, sa forte influence sur la variabilité climatique hivernale aux extra-
tropiques de l'hémisphère nord, par rapport au seul forçage par les températures de surface
de la mer observées. L'étude des hivers 1976-1977 et 2009-2010 via la réalisation de
simulations d'ensemble avec et sans nudging a permis de confirmer la contribution de la
stratosphère à la phase négative de la NAO et aux fortes anomalies négatives de
température observées sur l'Europe du nord. La généralisation des ensembles à la période
1958-2007 (avec initialisation au 1er Novembre) confirme l'impact positif du nudging extra-
tropical mais montre un effet très limité du nudging équatorial qu'il conviendrait d'évaluer
de manière plus précise en augmentant la taille des ensembles.
Ainsi, si elle confirme l'importance de la stratosphère pour la prévision saisonnière
hivernale à nos latitudes, cette thèse ouvre de nombreuses perspectives concernant les
mécanismes qui sous-tendent le couplage troposphère-stratosphère et l'intérêt d'une
prévision statistico-dynamique consistant à relaxer le modèle ARPEGE-Climat vers une
stratosphère prévue de manière statistique.

Abstract
In the Northern Extratropics, winter climate shows a large inter-annual variability
compared to other regions and seasons, with the occurrence of extreme weather events
such as cold spells, heavy snowfall and wind storms. Unfortunately, current dynamical
seasonal forecasting systems still show low predictability in the northern mid-latitudes.
Besides ocean-atmosphere coupling, there is growing observational and numerical evidence
that troposphere-stratosphere coupling also contributes to climate variability on a wide
range of scales. The aim of this thesis is to evaluate this additional forcing by focusing on
the stratospheric polar vortex influence on the wintertime climate variability in the
northern mid-latitudes at inter-annual and intra-seasonal timescales.
We first make a synthesis of the knowledge about troposphere-stratosphere coupling.
The inter-annual variability of the stratospheric polar vortex is assessed using composite
analysis of atmospheric ECMWF reanalysis. Then, the main tools used during this thesis are
described, namely the ARPEGE-Climat model and the nudging of the stratosphere towards
the ECMWF reanalysis. Like many other models, ARPEGE-Climat has a polar jet which is
too weak and displaced southward compared to reanalysis data, regardless his version,
which could have negative consequences on the wintertime variability. Although the poorly
resolved stratosphere is often suggested to explain the lack of previsibility in the models,
our results show that, in the ARPEGE-Climat V5 model, the improved vertical resolution is
not sufficient to simulate a more realistic climate variability and predictability.
For these reasons, throughout this thesis, the stratospheric relaxation towards the
reanalysis data from the ECMWF is used in order to compare his relative contribution to the
tropospheric extra-tropical climate variability, compared to the sea surface temperature
forcing. Case studies have been carried out for the 1976-1977 and 2009-2010 winters
though ensemble simulations with free or nudged stratosphere. Results confirm the relative
contribution of the stratosphere to the negative phase of the NAO and the temperature
anomalies over the northern Europe. Similar initialized ensemble simulations over the
1958-2007 period confirm the positive impact of the extra-tropical nudging, but show a
limited influence of the equatorial nudging, that needs to be analyzed more precisely with a
larger ensemble.
In conclusion, this thesis shows the importance of a realistic stratosphere in the
extra-tropical seasonal forecast in winter, but a lot of questions remains opened, like
mechanisms related to the troposphere-stratosphere coupling, and the interest of a
statistico-dynamical forecast including a relaxation towards a statistical stratosphere.

Table des matières
Chapitre 1 - Introduction 1
Chapitre 2 - Couplage troposphère-stratosphère et variabilité climatique
hivernale 7
1 Quelques rappels de climatologie....................................................................................8
1.1 La circulation générale atmosphérique....................................................................8
1.2 Les spécificités des moyennes latitudes....................................................................9
1.3 Les principaux modes de variabilité à l'échelle globale..........................................10
2 Quelques éléments de climatologie et de variabilité stratosphérique...........................15
2.1 La circulation en moyenne zonale........................................................................15
2.2 QBO et ondes équatoriales.....................................................................................16
2.3 RSS et ondes planétaires ......................................................................................17
2.4 Influence de la stratosphère polaire sur la troposphère.........................................18
3 Variabilité inter-annuelle du vortex stratosphérique polaire........................................20
3.1 Influence de la QBO et du cycle solaire.................................................................20
3.2 Influence de l’ENSO et non-linéarités des effets ENSO-QBO.................................22
3.3 Forçage volcanique.................................................................................................25
3.4 Influence de l’enneigement sibérien......................................................................26
4 Influence sur la variabilité climatique hivernale..........................................................29
4.1 Variabilité climatique aux moyennes latitudes de l’hémisphère Nord....................29
4.2 Signatures intra-saisonnières : impact troposphérique des RSS............................33
4.3 Signatures inter-annuelles : vortex fort versus faible.............................................34
5 Prévisibilité à longue échéance de la stratosphère........................................................35
5.1 Motivations, état de l’art et méthodes....................................................................35
5.2 Travaux préliminaires sur la prévision de la QBO et du vortex polaire..................36
6 En résumé.....................................................................................................................37
Chapitre 3 - Méthodologie et validation du modèle ARPEGE-Climat 41
1 Observations et réanalyses...........................................................................................41
1.1 Les réanalyses ECMWF..........................................................................................41
1.2 Autres jeux de données..........................................................................................42
2 Méthodes statistiques et diagnostiques.........................................................................42
2.1 Techniques linéaires...............................................................................................42
2.2 Techniques non linéaires........................................................................................43
2.3 Autres diagnostics..................................................................................................44
3 Le modèle ARPEGE-Climat............................................................................................46
3.1 Description du modèle...........................................................................................46
3.2 Éléments de validation...........................................................................................48