Le rôle des océans dans la variabilité climatique de la mousson africaine, Role of the oceans in the climatic variability of the African monsoon

THÈSEDEDOCTORATDEL’UNIVERSITÉPARIS–EST
École doctorale«ville et environnement»
MathieuJOLY
Rôle des océans
dans la variabilité climatique
de la mousson africaine
ThèsedirigéeparSergeJANICOT,
Jean-FrançoisROYER,etAuroreVOLDOIRE.
Thèse soutenue le 27 novembre 2008,
devant le jury composé de :
Rapporteurs : M.BernardFONTAINE CRC
M.ÉricGUILYARDI IPSL/LOCEAN
Examinateurs : M.ChristopheCASSOU CERFACS
M.PascalTERRAY IPSL/LOCEAN
Co-directeurs : M.SergeJANICOT IPSL/LOCEAN
M.Jean-FrançoisROYER CNRM/GAME
meM AuroreVOLDOIRE CNRM/GAME
CNRM/GAME URA1357 - Me´te´o-France & CNRS
tel-00397206, version 2 - 31 Mar 2010tel-00397206, version 2 - 31 Mar 2010Remerciements
Un grand merci à tous ceux qui m’ont entouré pendant ces trois années!
Merci Aurore, d’avoir été ma principale interlocutrice au fil de ce parcours scientifique.
MerciHervé,dem’avoirfaitconfiancedèsmonstagedefind’études,etdem’avoirtoujours
aidé quand j’en avais besoin.
Merci Jean-François, d’avoir écrit un sujet suffisamment vaste pour que je puisse y trouver
mon chemin...
Merci Serge, d’avoir accepté d’être mon directeur de thèse «à distance». Merci pour tes
réponses toujours très rapides à mes requêtes, qu’elles soient scientifiques ou purement ad-
ministratives!
Merci Éric, d’avoir parfaitement joué ton rôle de «parrain de FCPLR», malgré l’éloigne-
ment géographique pendant un an!
Merci Pascal, de nous avoir prêté STATPACK, logiciel grâce auquel les analyses statistiques
prennent une certaine saveur de modernité. Merci pour tes conseils lors de la rédaction de
mes premiers articles...
Merci à Sophie et à toute l’équipe CTI pour leur soutien informatique!
Un grand merci à Martin, avec qui j’ai partagé le bureau 294 pendant ces trois années
studieuses. Merci pour ta présence, ton enthousiasme, et pour les discussions passionnantes,
souvent tournées vers les montagnes, mais pas seulement!
Merci au trio Hervé–Fabrice–Virginie pour le périple en Casamance, dont je garde d’excel-
lents souvenirs! Merci aussi à tous les compagnons d’aventure lors des conférences : Martin
et Aurélien bien sûr, mais aussi Virginie, et Malik...
Merci à tous les collègues du café matinal, en particulier celles (et ceux?) qui le préparent.
Merci à tous d’animer ce moment convivial!
Merci Marc, pour la relecture de mon deuxième article. Et merci maman, pour l’ultime
«chasse aux coquilles» de ce mémoire...
Merciaujury,d’avoiracceptéd’évaluermontravail,etdes’êtredéplacépourlasoutenance!
Un grand merci, finalement, à tous les copains toulousains : complices de grimpe, de ski,
ou de VTT... mais aussi de musique, que ce soit en duo, trio, ou quatuor!
Merci bien entendu à tous ceux que j’oublie de remercier,
Comme à l’accoutumée, je termine par l’essentiel... Merci Anne, d’avoir été à mes côtés, et
de m’accompagner dans mon cheminement personnel!
tel-00397206, version 2 - 31 Mar 2010tel-00397206, version 2 - 31 Mar 2010Résumé
RÔLEDESOCÉANSDANSLAVARIABILITÉCLIMATIQUE DELAMOUSSONAFRICAINE
Les océans expliquent une part importante de la variabilité des pluies de mousson
en Afrique de l’ouest. Quels sont les mécanismes physiques de ces interactions océan–
atmosphère? Comment sont-elles reproduites par les modèles de climat? Ces deux questions
sont ici abordées, en séparant d’emblée les échelles de temps interannuelles et décennales, et
een confrontant les simulations réalisées pour le 4 rapport du Groupe intergouvernemental
ed’experts sur l’évolution du climat (GIEC) aux données observées du xx siècle.
Àl’échelleinterannuelle,lesanomaliesdetempératureàlasurfaceduPacifiqueéquatorial,
du golfe de Guinée, et de la Méditerranée sont statistiquement liées aux anomalies des pluies
ed’Afrique de l’ouest. La question de la stationnarité de ces liens au cours du xx siècle est
brièvementabordée.Lesmécanismesphysiquessontensuiteappréhendésdanslesréanalyses
atmosphériques et dans les simulations couplées du GIEC. Pour comprendre le comporte-
mentdumodèleduCentrenationalderecherchesmétéorologiques(CNRM),différentesexpé-
riencesdesensibilitésontréaliséesenprescrivantàl’océanunetensiondeventréanalysée,sur
le Pacifique tropical ou sur tout globe. Une simulation atmosphérique avec des températures
de surface prescrites est aussi utilisée pour discuter du rôle du couplage océan–atmosphère.
Étant donné le caractère saisonnier de la mousson africaine, le phasage temporel de la va-
riabilité océanique doit être considéré avec attention. Dans les modèles couplés, les biais de
l’ElNiño–SouthernOscillation(ENSO)etdel’AtlanticNiño conduisenteneffetàdesinterac-
tions océan–mousson différentes de celles observées. À terme, une meilleure compréhension
et simulation de la variabilité océanique et de ses influences pourrait permettre d’améliorer
les scores de prévision saisonnière sur l’Afrique de l’ouest.
Mots-clés:climat–variabilité–interannuel–décennal–mousson–Afrique–Sahel–
téléconnexion – océan – ENSO – Niño – Guinée – Méditerranée – modèle – couplage –
forçage – GIEC – CMIP – AMMA
Travaux effectués au sein du Groupe de météorologie de grande-échelle et climat (GMGEC) du Centre national
de recherches météorologiques (CNRM), qui fait partie du GAME, Unité de recherche associée (URA 1357)
constituée par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et Météo-France.
Météo-France, CNRM/GMGEC
42av. Gaspard Coriolis
31057 TOULOUSE cedex 1
France . mathieu.joly@meteo.fr
tel-00397206, version 2 - 31 Mar 2010tel-00397206, version 2 - 31 Mar 2010Abstract
ROLEOFTHEOCEANSINTHECLIMATICVARIABILITYOFTHEAFRICANMONSOON
TheoceansexplainanimportantpartofthevariabilityofmonsoonrainfalloverWestAfrica.
What are the physical processes of those ocean–atmosphere interactions? How are they sim-
ulated by climate models? Both issues are addressed, by considering the interannual and
decadaltime-scalesseparately,andcomparingthesimulationsperformedfortheIntergovern-
thmental Panel on Climate Change (IPCC) to the 20 Century observation record.
At the interannual time-scale, sea surface temperature anomalies in the equatorial Pacific,
the Gulf of Guinea, and the Mediterranean, are statistically linked to the West African mon-
thsoon rainfall. The stationnarity of those links is assessed over the 20 Century. The physical
processesarethenstudiedintheatmosphericreanalysesandintheIPCCcoupledsimulations.
To understand the behaviour of the Centre national de recherches météorologiques (CNRM)
model, various sensitivity experiments are carried out, with a reanalyzed wind-stress pre-
scribed to the ocean model, over the tropical Pacific or over the global ocean. An atmospheric
simulation with prescribed sea surface temperatures is also used, to discuss the role of the
ocean–atmosphere coupling.
Given the seasonality of the West African monsoon, attention has to be paid to the phase-
locking of the oceanic variability. In the coupled models, the biases of the El Niño–Southern
Oscillation (ENSO) and of the Atlantic Niño lead indeed to ocean–monsoon interactions that
are different from those observed. A better understanding and simulation of the oceanic
variability and its influences could in fine enhance the seasonal forecasting skills over West
Africa.
Keywords: climate–variability–interannual–decadal–monsoon–Africa–Sahel–
teleconnection–ocean–ENSO–Niño–Guinea–Mediterranean–model–coupling–
forcing – IPCC – CMIP – AMMA
This work was completed in the Groupe de météorologie de grande-échelle et climat (GMGEC) of the Centre
national de recherches météorologiques (CNRM), which is part of the GAME, Unité de recherche associée (URA
1357) built up by the Centre national de la recherche scientifique (CNRS) and Météo-France.
Météo-France, CNRM/GMGEC
42av. Gaspard Coriolis
31057 TOULOUSE cedex 1
France . mathieu.joly@meteo.fr
tel-00397206, version 2 - 31 Mar 2010tel-00397206, version 2 - 31 Mar 2010Sommaire
Introduction 3
1 Climat,océans,etmoussonafricaine... 7
2 Données,modèles,etméthodesstatistiques 29
3 Étudestatistiquedesinteractionsocéan–mousson 49
4 Rôledel’ENSO:mécanismesetaspectstemporels 85
5 Rôledesautresbassinsàl’échelleinterannuelle 135
Conclusion 163
Listedesacronymes 171
Listedesfigures 173
Listedestableaux 177
Bibliographie 179
Tabledesmatières 193
1
tel-00397206, version 2 - 31 Mar 2010tel-00397206, version 2 - 31 Mar 2010