Etude probabiliste des vagues de chaleur marines aléatoires // probabilistic study of random marine heatwaves

Topic description

Les vagues de chaleur marines (MHW) sont des événements où la température de la mer observée in situ ou par satellite dépasse largement les conditions normales pendant plusieurs jours à plusieurs mois (Juza et al., ). Le réchauffement climatique intensifie depuis les années l'intensité, la durée et la fréquence des MHW, et dégrade les écosystèmes (Hobday et al., ). Les projections climatiques indiquent que leur durée/intensité moyenne actuelle de 25 jours/0,8 °C pourrait tripler ou quadrupler si le réchauffement atteignait 3,5 °C (Frölicher et al., ).

Les simulations océaniques (ex. Pilo et al., ) et les réanalyses (Von Schuckmann et al., ) permettent des études détaillées des MHW, de leur structure 3D, et de leur variabilité forcée par l'atmosphère (VFA). La plupart de ces études négligent pourtant un phénomène révélé par des simulations ensemblistes : l'instabilité des courants génère des fluctuations aléatoires (variabilité intrinsèque chaotique, VIC) de température et de nombreux indices océaniques qui peuvent excéder la VFA, de l'échelle des tourbillons à celle des gyres et de décennies /mr65wwnn ; Héron et al, ).

L'analyse préliminaire d'une simulation ensembliste de la Méditerrannée sur 40 ans a montré que l'évolution des MHW en surface associée à la VFA est rendue notablement aléatoire par la VIC, qui influence le préconditionnement océanique. Nous avons constaté que cet effet, déjà identifié à mésoéchelle (Chapman et al., ), atteint des échelles bien plus grandes : en moyenne sur 1 an et sur km2, la durée (intensité) des MHW peut s'échelonner de 14 à 40 jours (0,7 à 1,1 °C) selon le membre de l'ensemble /nhx6x). Quantifier ces incertitudes et en comprendre l'origine améliorerait la prévision des MHW, et aiderait à évaluer et concevoir des Aires Marines Protégées (AMP) efficaces : selon Arafeh-Dalmau et al., l'évolution des MHW et du climat nuira aux espèces vulnérables en transformant les AMP en « îlots de vulnérabilité » via une réduction de 50% de leur connectivité mutuelle, un chiffre qu'il faudra réévaluer au regard de ces incertitudes.

Ces enjeux plaident pour une étude probabiliste dédiée des MHW en Méditerranée, un bassin particulièrement touché /y4yb8jhe), avec une extension potentielle à l'Atlantique Nord. Par le développement de métriques et d'outils adaptés (comparaison modèle-observation, statistiques climatiques), nous examinerons à différentes échelles comment la VIC, en plus de la VFA et du changement climatique (Simon et al., ), influence les MHWs en 3D (la variabilité océanique étant plus aléatoire en profondeur : Penduff et al., ), leurs tendances à long terme et leur saisonnalité. Nous identifierons les mécanismes par lesquels la VIC transmet son caractère aléatoire au préconditionnement océanique, limitant ainsi la prévisibilité des MHW.

Dirigée par T. Penduff (IGE) et co-encadrée par A. Simon (LOPS), cette thèse impliquera également M. Juza (SOCIB). Elle contribuera aux projets MEDIATION et MAHEWA (PPR Océan & Climat), en exploitant observations in situ/satellitaires et données synthétiques d'ensemble (cartes SST et profils Argo), soutenant ainsi les activités d'OSSE initiées par l'INSU/CNRS et promues à l'IGE.

Arafeh-Dalmau et al. :
Chapman et al :
Close et al :
Frölicher et al :
Hobday et al :
Juza et al :
Penduff et al :
Pilo et al :
Simon et al :
Von Schuckmann et al : Heatwaves (MHWs) are events during which observed sea temperatures, either in situ or via satellite, significantly exceed normal conditions for several days to months (Juza et al., ). Climate change has intensified the intensity, duration, and frequency of MHWs since the s, severely impacting ecosystems (Hobday et al., ). Climate projections indicate that their current average duration/intensity of 25 days/0.8°C could triple or quadruple if warming reaches 3.5°C (Frölicher et al., ).

Ocean simulations (e.g., Pilo et al., ) and reanalyses (Von Schuckmann et al., ) enable detailed studies of MHWs, their 3D structure, and their atmospherically forced variability (AFV). However, most of these studies overlook a phenomenon revealed by ensemble simulations: the instability of ocean currents generates chaotic intrinsic variability (CIV) in temperature and numerous oceanic indices, which can exceed VFA from the scale of eddies to gyres and decades /mr65wwnn; Héron et al, ).

A preliminary analysis of a 40-year ensemble simulation of the Mediterranean Sea has shown that the surface evolution of MHWs associated with AFV is significantly randomized by CIV, which influences ocean preconditioning. We observed that this effect, already identified at mesoscale (Chapman et al., ), extends to much larger scales: averaged over one year and 75, km², the duration (intensity) of MHWs can range from 14 to 40 days (0.7 to 1.1°C) depending on the ensemble member /nhx6x). Quantifying these uncertainties and understanding their origin would improve MHW forecasting, and aid in evaluating and designing effective Marine Protected Areas (MPAs): according to Arafeh-Dalmau et al., the evolution of MHWs and climate will harm vulnerable species by transforming MPAs into 'islands of vulnerability' through a 50% reduction in their mutual connectivity, a figure that will need to be reassessed in light of these uncertainties.

These challenges advocate for a dedicated probabilistic study of MHWs in the Mediterranean Sea, a basin that is particularly affected /y4yb8jhe), with potential extension to the North Atlantic. By developing adapted metrics and tools (model-observation comparison, climate statistics), we will examine at different scales how CIV, in addition to AFV and climate change (Simon et al., ), influences MHWs in 3D (since oceanic variability gets more random at depth: Penduff et al., ), their long-term trends, and seasonality. We will identify the mechanisms by which CIV transmits its random character to ocean preconditioning, thereby limiting MHW predictability.

Supervised by T. Penduff (IGE) and co-supervised by A. Simon (LOPS), this thesis will also involve M. Juza (SOCIB). It will contribute to the MEDIATION and MAHEWA projects (PPR Ocean & Climate), leveraging in situ/satellite observations and ensemble synthetic data (SST maps and Argo profiles), and supporting the OSSE activities initiated by INSU/CNRS and promoted at IGE.

Arafeh-Dalmau et al. :
Chapman et al :
Close et al :
Frölicher et al :
Hobday et al :
Juza et al :
Penduff et al :
Pilo et al :
Simon et al :
Von Schuckmann et al : de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral