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Point d’étape sur le bouleversement en cours et la forme qu’il revêt..

Biodiversité, rendements agricoles, élevage, pêche… Rien n’est épargné par le changement climatique. Zoom sur deux effets en passe de devenir tristement familiers.

International audience; La modélisation atmosphérique à très fine échelle permet d’analyser la dynamique de l’îlot dechaleur urbain en contexte de topographie complexe. Deux simulations (Urbaine et Non-Urbaine) mettenten évidence les effets associés à l'urbanisation. La taille des agglomérations, dans le cas de Lyon etGrenoble, n'influence pas la différence de température entre les deux simulations. Les conditions destabilité influencent fortement ces différences. L'ICU peut être intensifié par l'affaiblissement du vent oul’effet de piégeage et/ou le développement d’une couche d’inversion.

Le réseau MUSTARDijon offre la possibilité de procéder à une cartographie fine des températureshoraires sur Dijon Métropole. La méthode proposée ici repose sur des régressions linéaires multiplesmobilisant deux familles de prédicteurs : des descripteurs du relief et des descripteurs de l’occupation dusol. L’application porte sur la canicule de l’été 2020 (6-9 août). Deux configurations sont comparées. L’une,en mode recherche, laisse la possibilité aux descripteurs de varier dynamiquement en fonction de leurpertinence statistique, l’autre, en mode opérationnel, impose les 5 mêmes descripteurs en entrée. Entermes de performance statistique ou de structure spatiale, l’impact de la méthode n’est pas négligeable.

International audience; The aim of this study was to classify the most frequently observed atmospheric circula- tion anomaly patterns in eastern Africa and the adjacent Indian Ocean. As an example of the useful- ness of such a classification, the second objective was to test whether these patterns account for intraseasonal rainfall anomalies in the region. A partitioning algorithm, known as dynamical cluster analysis, was therefore applied to the zonal (U)and meridional (V)components of the wind anom- alies, obtained from the NCEP-NCAR Reanalysis R-2 at the pentad (5 d) timescale. The 3 geopoten- tial levels 850, 700 and 200 hPa were combined. Focus is on the transition seasons (March to May and October to December), which correspond to the 2 East African rainy seasons. The classification domain is large enough (40°latitude ×40°longitude) to describe large-scale anomaly patterns, but it focuses on equatorial and subequatorial atmospheric dynamics. The results consist of 7 major wind anomaly clusters, for which associated atmospheric fields (geopotential height anomalies, precipita- tion anomalies) and the seasonal distribution were explored. Among them, 2 clusters strongly resem- ble the anomaly patterns associated with the Madden–Julian Oscillation. The other major configura- tions show similarities with recurrent previously observed patterns involved in wet or dry spells over East or Southern Africa. Statistical tests reveal that this partition is able to significantly discriminate rainfall anomalies over the eastern part of the African continent; 4 of the 7 clusters correspond to abnormally wet or dry events over Equatorial East Africa.

Cette étude examine les capacités du modèle Advanced Weather Research Forecast (WRF) à simuler les champs saisonniers de précipitations et la dynamique atmosphérique associée en Afrique australe pendant le cœur de la saison des pluies d'été sud-africaines, de décembre 1993 à février 1994. Sa sensibilité à la paramétrisation physique est aussi analysée en termes de quantités précipitées et de types de pluie. WRF simule convenablement les principales structures pluviométriques saisonnières, notamment les Zones de Convergence Inter-Tropicale et Sud Indienne, bien que les pluies y soient sous-estimées, et le gradient ouest-est observé de la région tropicale en Afrique du Sud. Les régions où le modèle simule le plus de pluies, en particulier sur les reliefs, sont celles où la convergence d'humidité et la vitesse verticale moyenne couche sont les plus fortes. Les quantités précipitées et le type de convection sont davantage dépendants de la paramétrisation de la convection que de celles de la couche limite et de la microphysique. Parmi les tests effectués, le schéma de convection Grell s'avère être le plus performant, simulant à la fois des quantités précipitées comparables aux observations en Afrique du Sud et des systèmes pluviogènes convectifs cohérents avec la saison simulée.

Ce travail analyse les capacités du modèle climatique régional ARW/WRF à reproduire les principaux traits du climat (températures de surface et précipitations) du Centre Est de la France à des résolutions spatiales fines, et pour les années 1991 et 2003. La simulation utilise pour la désagrégation du signal une descente d'échelle basée sur trois domaines emboîtés de maille variable de 120 km, 30 km et 7,5 km. Les conditions latérales sont imposées toutes les 6 heures par les ré- analyses ERA-Interim. Les températures et les précipitations observées par le réseau de mesures de Météo-France Bourgogne sont utilisées pour l'évaluation. Les simulations reproduisent bien la température (R²~0,95 et pente~0,97) avec une biais froid moyen de -0,73°C. La corrélation entre les précipitations mensuelles simulées et observées est faible avec de très fort biais humides pour le printemps et l'été 2003. Des expériences numériques montrent la forte sensibilité des précipitations à l'occupation du sol et à la physique et microphysique des nuages et des cumulus.

30 simulations numériques ne différant que par les conditions initiales de l'atmosphère permettent de documenter la reproductibilité du climat simulé en Afrique australe par un modèle climatique régional. Les simulations portent sur une saison pluvieuse (Décembre-Février 1993-94) proche de la moyenne en termes de pluies. A l'échelle synoptique, les régimes de circulation détectés sont clairement reproductibles d'une expérience à une autre. A des échelles plus fines, le modèle simule correctement les principaux pics pluviométriques et l'alternance entre phases humides et phases sèches. Certains épisodes peu reproductibles sont néanmoins clairement identifiables et correspondent à un contrôle plus faible des situations de large échelle.

Le modèle de circulation générale ARPEGE-Climat du CNRM présente des biais secs relativement marqués en Afrique de l'Ouest pendant la mousson, même lorsqu'il est forcé par des termpératures de surface marine observées. Les précipitations sahéliennes restent très inférieures aux observations, en lien avec un flux de mousson de basse troposphère trop faible sur la bande guinéenne et l'océan Atlantique équatorial. On propose ici de guider le modèle ARPEGE-Climat vers les réanalyses ERA-40 en dehors d'une fenêtre comprenant l'Afrique de l'Ouest et le proche Atlantique (technique dite de nudging en point de grille). Ce protocole nous permet de: (i) analyser l'origine régionale ou de large échelle des biais du modèle sur l'Afrique; (ii) séparer l'influence des paramètres locaux et de large échelle dans la variabilité spatio-temporelle du système de mousson, à la fois à des pas de temps interannuels et intrasaisonniers; (iii) réaliser des expériences de sensibilité aux conditions de surface (humidité du sol, températures de surface marine) pour quantifier l'importance des forçages continentaux et océaniques régionaux sur la variabilité de la mousson.

Interactions entre le cycle intrasaisonnier (MJO) et le cycle diurne de la convection atmosphérique. Comment ces deux cycles sont-ils imbriqués ? Quels sont les effets de la MJO sur le déroulement du cycle diurne (durée, intensité, extension spatiale des évènements convectifs) ?

Rain-causing mechanisms over Southern Africa (south of 15˚S) involve both tropical and temperate dynamics. Most studies focused on the synoptical timescale, while the intraseasonal (20-120 days) variability has more been neglected to date. This study aims at determining whether the dominant mode of intraseasonal variability in the Tropics, namely the Madden-Julian Oscillation (MJO), has a significant impact on Southern African rainfall and associated atmospheric dynamics. The examination of outgoing longwave radiation (OLR) over Southern Africa shows indeed significant intraseasonal fluctuations at the 30-60 day timescale, i.e. in the pe- riods that are typically reminiscent of the MJO. In order to confirm the implication of the latter, composite analyses are computed, based on the real-time MJO indices defined in Wheeler and Hendon (2004). Strong intraseasonal convective signals are particularly recorded over the region dur- ing its rainy season (November through March). Large-scale organized convective perturbations are seen to propagate eastwards, mainly between 10˚S and 20˚S, and then northwards, over the Rift Valley and the African Great Lakes. They finally reach the MJO-associated equatorial clusters over Tanzania, which complete their circuit towards the East over the Indian Ocean. The corresponding response of the rainfall field, obtained through the analysis of daily rain-gauge records in 7665 stations over Southern Africa, presents the alternation, over the intraseasonal cycle, of a dry and a humid phase, which are both significant. The influence of the MJO on the rainfall field is however not homogeneous spatially. While the southern part of the domain (Western Cape Province and surrounding countries) is very partially influenced, and more closely relates to the mid-latitude dynam- ics, the tropical parts of the domain (Northern Province of South Africa, Namibia, Botswana and Zimbabwe) logically show stronger dependency to the MJO forcing. Rainfall records exhibit there sharp periodicities in the 30-60 day timescale. Moisture flux anomalies, derived from the NCEP-DOE II reanalyses, reveal an in- traseasonal modulation of the mid-tropospheric easterly flow over the Congo basin at 700hPa; these fluctuations are coupled to northerly anomalies that extend from the tropical to the subtropical austral latitudes. They are hypothesized to convey mois- ture from the tropical air masses, and hence to favour wet conditions over the region. During the dry phase, southerly anomalies tend on the contrary to prevail, and are hypothesized to convey dryness from the mid-latitude air masses.

The Intraseasonal Oscillation (ISO; 20-120 day) is an important component of the variability of the Tropical convection that strongly perturbs the Asian and the Aus- tralian monsoons. Our knowledge of the physical origin of the ISO however remains largely incomplete, partially because of the large variability of its characteristics from one event to another. The aim is to determine how the patterns of the different ISO events may be objectively regrouped in a few types, related for example to season, ENSO or other large scale forcing. Patterns of the different ISO events are extracted using a Local Mode Analysis (LMA, Goulet and Duvel 2000). The LMA is based on complex empirical orthogonal functions computed for successive positions of a moving temporal window. When a maximum of variance percentage is detected, the pattern of the corresponding ISO event is extracted. For the present study, the ISO events are detected by an LMA applied on the 20-120-day band pass filtered OLR field for a large tropical region (0˚-200˚E; 30˚N-30˚S) and for the 1979-2005 period. The 144 events extracted are then objectively clustered into homogeneous types us- ing a Hierarchical Ascending Classification. Our classification in 8 types synthetically describes 50% of the overall diversity of the ISO events. The 8 types depict primarily the seasonality in the ISO modes, with the known north- ward (eastward) propagations over the Indian and Western Pacific basins during the northern summer (winter) seasons. While some similarities are noted from one type to another, important differences confirm however that the ISO may be classified in more than two types (i.e. the summer and winter types). In particular, some modes are very specific to particular months (bogus onset in May over the Bay of Bengal, for example). Also, different types are obtained for each season in relation to interannual variability of the sea surface temperature field related primarily to ENSO. This study also shows different equatorial propagation characteristics (i.e. Madden Julian Oscil- lation) for each type confirming that the MJO is not a phenomenon distinct from the ISO.

Composite maps of outgoing longwave radiation (OLR) anomalies over the Madden–Julian oscillation (MJO) cycle show marked intraseasonal fluctuations over southern Africa (south of 15°S). Large-scale convective clusters are seen to propagate eastward and then northward over the continent, mainly between 10° and 20°S. The corresponding response of the rainfall field presents the alternation, over the cycle, of dry and humid phases, which are both significant. Moisture flux anomalies indicate an intraseasonal modulation of the midtropospheric easterly flow over the Congo basin at 700 hPa; these fluctuations are coupled to meridional flux anomalies that extend from the tropical to the subtropical austral latitudes, and favor occurrences of wet or dry conditions over the domain. Though statistically significant, the influence of the MJO on southern Africa is however not homogeneous spatially, and only the tropical areas exhibit sharp periodicities in the 30–60-day period range.

La simulation numérique du climat par le modèle couplé de circulation générale ARPEGE-OPA est utilisée ici pour prédire les effets d'un doublement du CO2 atmosphérique en l'an 2100 sur le climat du bassin de l'Océan Indien. Les températures de surface de la mer, les précipitations et les champs moyens de vents à 850 et 200 hPa sont étudiés au pas de temps trimestriel, sur les deux normales climatiques 1968-1997 et 2070-2099. Pour la fin du XX° siècle, le modèle a tendance à surestimer légèrement les TSM et plus fortement les précipitations, résultat d'un cycle hydrologique simulé trop développé. L'extraction d'indices pluviométriques calculés sur des régions homogènes montre que les téléconnexions entre ces deux paramètres sont également trop fortes. Pour la fin du XXI° siècle, un réchauffement de l'océan superficiel d'environ 2°C est prédit, tandis que les précipitations évoluent de manière contrastée selon la région considérée. Certaines évolutions non négligeables affectent aussi les téléconnexions concernant l'Afrique de l'Est durant le trimestre octobre-décembre ; une modification à long terme de la circulation zonale sur l'Océan Indien peut être évoquée afin d'expliquer ces changements.

Our understanding of the East African long rains (March-May) variability remains relatively poor. Interannual variations are quite small compared to intraseasonal vari- ations. An analysis of pentad rainfall and OLR data shows organised variations in the range of 20-75 days, though quite irregular from year to year. However, rainfall and OLR variations are strongly consistent over the highland region only. For this region, NCEP-DOE II reanalysis data are used to detect atmospheric patterns associated to wet events. Significant zonal wind anomalies, of opposite sign at 850 and 200 hPa, are found locally over East Africa. Anomalous low-level westerlies (upper-level easter- lies) are observed during wet events. Years of weakened or enhanced correlations be- tween rainfall and zonal wind tend to occur simultaneously at 850 and 200 hPa. Zonal cross-sections show that these anomalies are neither isolated in time nor in space : the wind anomalies often tend to propagate eastward, especially over the Indian Ocean. They are suggested to be associated with Madden-Julian Oscillations (MJO). To confirm this hypothesis, a MJO signal is extracted based on an EOF analysis of pentad velocity potential anomalies along the tropics, for the MAM season. The first two principal components depict MJO activity over the Indian Ocean and the Pacific Ocean, respectively, and are in quadrature. Based on Wheeler and Hendon (2004), eight different phases of the MJO signal are identified and their association with at- mospheric dynamics over the East African region is investigated. It is found that sig- nificant zonal wind anomalies occur over East Africa in conjunction with the eastward propagation of a MJO over the global tropics. These anomalies display an opposite signal in the upper and lower levels, a pattern reminiscent of that associated to wet events over the East African Highlands. However, the maximum wind, ascent and rainfall anomalies over this region occur when the MJO-induced convective activity has already settled over the central Indian Ocean. It is also found that rainfall and circulation anomalies near the East African coastal area do not follow this pattern. In particular, anomalous ascending motion occurs well before the development of deep convection over the highlands, and is restricted to the mid-troposphere. The resulting rainfall is considered to be of stratiform origin, hence the absence of a clear OLR signal for wet events along the coast.

Les incidences de l'Oscillation de Madden-Julian, mode de variabilité atmosphérique intrasaisonnier dominant dans la bande tropicale, sur la répartition des pluies d'Afrique de l'Est durant le trimestre Mars-Avril-Mai, sont étudiées sur la période 1979-2002. L'analyse révèle une modulation significative des précipitations. Cependant, de fortes hétérogénéités existent du point de vue des pluies entre les Hautes terres et la côte kenyane, couplées à des mécanismes pluviogènes de nature différente.

La variabilité climatique dans la vallée du Niari, au sud du Congo, est étudiée à partir des précipitations et des températures, auxquelles est associée l'étude des principaux processus du bilan hydrique. À partir d'une classification automatique hiérarchique ascendante, trois domaines climatiques, correspondant à différentes topographies, sont mis en évidence, permettant ainsi de mieux caractériser la climatologie de la vallée du Niari. Une influence déterminante du relief sur les conditions climatiques d'échelle locale et notamment sur l'organisation spatiale des précipitations est montrée. Cette climatologie permet de préciser une forte linéarité entre les cumuls pluviométriques, les températures et le forçage topographique au pas de temps annuel. Cette thèse étudie aussi la modélisation des principaux termes du bilan hydrique. Ils mettent en évidence une complexité du domaine d'étude, précisant le caractère déficitaire de l'humidité atmosphérique et des réservoirs-sol sur une période variant, selon les domaines, de quatre à six mois. La sécheresse édaphique est montrée principalement par le processus du déstockage et de la déficience hydrique des réservoirs-sol. La caractérisation hydrique est aussi mise en évidence à partir de la réserve et de l'évapotranspiration réelle qui ont permis de déterminer et de préciser le noyau de faible pluviosité, notamment dans les « Basses terres ». Une étude de la synergie entre les mécanismes de la végétation, des paramètres climatique et ceux du bilan de l'eau, est réalisée. Les données de végétations sont issues des relevés d'inventaires des espèces herbacées et arbustives constituées à partir de la bibliographie d'une part, et d'autre part des observations satellitaires provenant des capteurs AVHRR-NOAA. Si le premier jeu de données établit quelques corrélations significatives entre les associations végétales caractérisées par les espèces dominantes, les spectres biologiques et la pluviométrie, le NDVI, quant à lui, permet du suivi du cycle phénologique de la végétation. L'intégration de l'indice de végétation du NDVU montre ainsi la dynamique des biomes savanicoles et forestiers et une variabilité mensuelle spatiotemporelle liée fortement aux données climatiques et aux processus du bilan hydrique. L'évolution temporelle des paramètres climatiques, du bilan hydrique et du signal spectral de la végétation met en évidence une relation synchrone, le maximum de variance étant obtenu après un mois de décalage. Toutefois, le couplage à partir du modèle de corrélation de Pearson, entre la réflectance de la végétation, la réserve hydrique et l'indice de déstockage des réservoirs-sol, ne permet pas d'estimer la productivité végétative des biomasses savanicoles de certaines régions des « Basses et moyennes terres ». L'étude de l'évolution annuelle et saisonnière des corrélations entre les paramètres climatiques et quelques indicateurs océano-atmosphériques a permis de déterminer le forçage qu'exercent les paramètres d'échelles régionale et globale sur la vallée du Niari. Les corrélations significatives montrent que la climatologie de la vallée du Niari reste sensible aux températures de surface de la mer de l'Atlantique sud, aux composantes thermiques et barométriques de l'ENSO et au vent troposphérique liée à l'OQB. Les liens significatifs n'apparaissent plus et sont altérés au pas de temps mensuel. Cependant, les indicateurs océano-atmophériques montrent de bonnes capacités à générer des anomalies climatiques significatives dans la vallée du Niari. Les origines paléoenvironnementales des savanes arbustives étant connues, l'objectif, à terme, est d'essayer de prévoir les réactions spontanées et cultivées aux modifications futures d'origines anthropique et climatique. En outre, l'objectif est de suggérer des approches scientifiques qui permettent une meilleure gestion des écosystèmes et des espaces agricoles en vue d'un développement durable de la vallée du Niari.

The Agulhas Current is an energetic current driven by the wind field over the Indian Ocean. It has a profound effect on the climate and the coastal ecosystem of South Africa and plays a key role in the global ocean circulation. The current carries warm and salty water from the tropics polewards and controls the exchange of heat and salt between the Indian and Atlantic Oceans. Since the 1980s, the sea surface temperature of the Agulhas Current system has increased significantly. This is due to an increase of its transport in response to an augmentation in wind stress curl in the South Indian Ocean. This causes an intensification of the Agulhas Current system and leads to an increased flux of salt and heat into the Atlantic Ocean. There is also an augmentation in the transfer of energy from the Agulhas Current to the atmosphere due to increased evaporation. These observed changes could have far-reaching consequences over and above their potential regional impacts on ecosystems and climate.

The role of the Madden-Julian Oscillation ("MJO") on rainfall variability in Sub-Saharan Africa is examined, based on daily rain-gauge records and the NCEP-DOE AMIP-II reanalyses. The convective and dynamical signal associated with the MJO is extracted using two differing methodologies, the BMRC daily indices (Wheeler & Hendon 2004) on the one hand, and a Local Mode Analysis ("LMA", Goulet & Duvel 2000) on the other hand. The temporal variability of the MJO (in terms of period, amplitude, seasonality and location of the convective anomalies) is first analysed. Though the overall amplitude of the signal is not related to El Niño, the oscillations occurring under El Niño (La Niña) conditions tend to be shorter (longer). Surface conditions such as sea surface temperature and the seasonal cycle in the Tropics are two features that play a predominant role on the location of the associated convective clusters. The response of the African rainfall to the MJO is then examined for 3 distinct regional indices. The rainy season(s) is (are) in each case significantly triggered. In Equatorial East Africa Kenya and northern Tanzania) the Highlands show the succession of a dry and a humid phase over the MJO cycle. The associated rain-causing mechanisms mainly involve deep convection. In the eastern plains and on the coast, the peak of rainfall is out-of-phase and results from a strengthening of the trade winds over the Indian basin. A significant influence of the MJO is also detected over Southern Africa (south of 15°S) and depends on an intraseasonal modulation of the SW Indian Ocean heights. Anticyclonic circulations over Tropical Africa favour northerly anomalies that advect moisture over the region from the tropical Indian Ocean. Over West Africa, the MJO is responsible of recurrent dry conditions, alternating with a weak wet phase. The latter does not seem to result from deep convection only. The case of the East African Long Rains (March through May) is finally considered to investigate scale interactions depending on the MJO. At the "shorter" timescales, the diurnal cycle of convection is modified, from one phase of the MJO to another. The onset of the rains and the extremely wet events are also strongly locked on the intraseasonal cycle. At the "longer" timescales, a significant fraction of the interannual variability of the Long Rains is statistically related to the MJO seasonal amplitude during the corresponding trimester. The MJO therefore "adds" rainfall over East Africa, rather than simply enhancing the differences between the humid and the wet phases of the Long Rains., Le rôle de l'Oscillation de Madden-Julian ("MJO") sur la variabilité pluviométrique de l'Afrique Subsaharienne est ici examiné, à l'aide de relevés pluviométriques quotidiens et des réanalyses NCEP-DOE AMIP-II. Le signal convectif et dynamique associé à la MJO est extrait à l'aide de deux méthodes statistiques, les indices journaliers du BMRC (Wheeler & Hendon 2004) et une analyse en modes locaux ("LMA", Goulet & Duvel 2000). Dans un premier temps, la variabilité temporelle de l'oscillation est abordée à l'échelle de la ceinture tropicale (période, amplitude, saisonnalité, localisation des anomalies convectives). Si l'amplitude globale du signal n'apparaît pas reliée à El Niño, les oscillations se produisant lors des années El Niño (La Niña) tendent à être plus courtes (longues). Les conditions de surface (dont les température de surface marine) et le cycle annuel sont également des paramètres influant fortement sur la localisation des anomalies convectives les plus marquées associées à la MJO. Dans un second temps, la réponse de la pluviométrie à la MJO est examinée dans 3 ensembles régionaux de l'Afrique Subsaharienne. Dans les 3 cas examinés, la (les) saison(s) des pluies est (sont) significativement affectée(s). Sur l'Afrique de l'Est Equatoriale (Kenya, nord de la Tanzanie), les Hautes Terres d'Afrique montrent l'alternance d'une phase humide et d'une phase sèche au cours du cycle de la MJO. Les mécanismes pluviogènes font intervenir essentiellement la convection atmosphérique profonde. Sur les Basses Terres de l'est en revanche, et sur les plaines littorales, le pic de pluie est enregistré en opposition de phase par rapport aux Hautes Terres, et est relié à un renforcement des alizés depuis l'océan Indien. Une influence significative est également trouvée en Afrique Australe (sud de 15°S), et résulte d'un renforcement de l'anticyclone des Mascareignes, qui favorise via une circulation anticyclonique sur l'Afrique, un apport d'humidité sur la région depuis l'océan Indien tropical. Sur l'Afrique de l'Ouest enfin, la MJO est avant tout impliquée dans une baisse récurrente de la pluviométrie, et très secondairement seulement dans une amplification des cumuls journaliers. Cette dernière ne semble pas résulter uniquement de processus convectifs. L'exemple des Long Rains d'Afrique de l'Est (mars à mai) est ensuite utilisé pour explorer les interactions d'échelle dont la MJO est à l'origine. Aux pas de temps "courts", le cycle diurne de la convection est sensiblement modifié d'une phase de la MJO à l'autre ; les dates de démarrage de la saison des pluies et les évènements pluviométriques exceptionnels montrent également un calage très bon sur la phase de la MJO. Aux pas de temps "longs", une partie significative de la variabilité interannuelle des Long Rains est statistiquement corrélée à l'amplitude saisonnière moyenne de la MJO, qui semble dont rajouter régulièrement de la pluie sur la région plutôt que d'amplifier seulement les écarts entre les phases les plus humides et les plus sèches.