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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
Journée Dynécouverte “Golfe de Gascogne”, 8 janvier 200 9 2/26
� 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
Journée Dynécouverte “Golfe de Gascogne”, 8 janvier 200 9 3/26
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)
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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)
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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 ?
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
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
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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)
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
Analyse satellitaire ECOOP (1986-2005)
Tendances saisonnières
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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
100 m :analyse in situ BoByClim
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)
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
Analyse in situ BoByClim (1986-2005)
Variabilité inter-saisonnière
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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)
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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%
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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.
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
Bilan de chaleur dans la couche supérieure (0-200 m)
Flux air-merTransport
Nord
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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)
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
0-200 m
0-800 m 0-5000 m
Contribution des processus atmosphériques et océaniques
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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.
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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
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
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)
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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)
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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)
1. Introduction 2. Données 3. Tendances 4. Variabilité 5. Bilan de chaleur 6. Conclusion
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
100 m :analyse in situ BoByClim
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 ?