Autour des relations température-précipitations dans la région Euro-Méditerranéenne

La Terre est la seule planète connue ayant gardé son eau sous forme liquide en sa surface et ainsi permis le développement de la vie. Cette eau est présente majoritairement dans les océans qui recouvrent 71% de la surface terrestre. L’eau est aussi présente dans l’atmosphère terrestre principalement sous forme de vapeur. Le processus d’évaporation permet le passage de l’eau liquide présente à la surface vers l’atmosphère. Cela initie ce que l’on appelle le cycle de l’eau, c’est-à-dire son parcours à travers les grands réservoirs que sont les océans, l’atmosphère, les glaciers et les étendues d’eau douce. Une partie de l’eau évaporée en surface se recondense en altitude pour former des nuages. L’eau des nuages est redistribuée inégalement à la surface de la Terre sous la forme de précipitations. C’est ainsi que chaque année la Terre fait coexister des régions très humides où il pleut plus de 10000 mm par an et des régions très sèches dont les précipitations annuelles n’excèdent pas le mm. Le bilan annuel cache aussi des variations temporelles très importantes. Alliant sécheresses en été et évènements de précipitations extrêmes pendant l’automne, le pourtour méditerranéen est une région dans laquelle la variabilité des précipitations est exacerbée.

Précipitations et microphysique des nuages

Les nuages se forment par condensation de la vapeur d’eau sur des particules solides en suspension dans l’atmosphère qu’on appelle aérosol . Les gouttes d’eau ainsi formées voient leur taille grossir sous l’effet de la condensation et de la coalescence avec d’autres gouttes d’eau. Lorsqu’une goutte d’eau atteint un diamètre dépassant les 100 µm, les forces d’agitation de l’atmosphère ne peuvent plus la maintenir en suspension et elle tombe sous l’effet de la gravité, on dit qu’il y a précipitation. On notera que la totalité des précipitations n’atteint pas toujours le sol. En effet lorsque celles-ci tombent dans un environnement relativement sec, elles s’évaporent en partie voire totalement (on parle alors de virga).

En altitude, la vapeur d’eau peut également se condenser sous la forme de cristaux de glace lorsqu’elle atteint des températures en-dessous de -5oC. Dans ce cas, la croissance des cristaux se fait d’abord par diffusion de la vapeur d’eau. Celle-ci est généralement plus rapide que pour l’eau liquide car elle se produit souvent dans une atmosphère déjà saturée pour l’eau liquide (présence d’un nuage d’eau liquide), ce qui pour la glace correspond à des conditions de sursaturation (de l’ordre de 20%). Les cristaux de glace peuvent grossir davantage par collision avec des gouttes d’eau liquide. Il se forme alors une couche d’eau surfondue autour du cristal ce qui augmente sa capacité à pouvoir s’agréger avec d’autres cristaux de glace.

Mülmenstädt et al. (2015) ont montré que parmi les nuages continentaux qui précipitent, moins de 5% sont des nuages composés uniquement d’eau liquide, ce qui montre l’importance de la phase solide dans le processus de précipitations. Dans ces nuages mixtes, il peut se produire un effet dit de Bergeron (1928) pour lequel les gouttes d’eau liquides s’évaporent alors que les cristaux de glace continuent à grossir. Cet effet se produit pour des températures inférieures à -10oC et lorsque la vapeur d’eau est saturée pour la glace mais pas pour l’eau liquide. Il s’agit principalement d’une redistribution de la phase liquide vers la phase solide dans le nuage qui n’a peu d’effet sur la quantité de précipitations.

On distingue deux types de précipitations : les précipitations convectives et les précipitations stratiformes. Les précipitations convectives se produisent par l’élévation rapide d’une masse d’air chaude et humide sous l’effet de la poussée d’Archimède. Ces précipitations sont souvent caractérisées par une forte intensité (supérieure à 10 mm.h-1), une durée courte (30 minutes) et une faible étendue spatiale (5 km). Il peut s’agir d’orages ou de simples averses. Les précipitations stratiformes sont formées par le mouvement vertical lent d’une masse d’air humide. Elles sont souvent caractérisées par des intensités faibles à modérées (inférieures à 10 mm.h-1), une répartition spatiale relativement homogène et une durée plus importante. Le terme stratiforme peut aussi désigner les précipitations faibles à modérées à l’arrière de certains systèmes convectifs.  Les précipitations font partie d’un ensemble de variables météorologiques (température, pression, humidité relative, etc.) qui interagissent entre elles via de nombreux processus. Si l’ensemble de ces paramètres ont une grande variabilité temporelle pour un lieu donné, on observe que leur comportement tend à se répéter année après année. Le climat désigne les caractéristiques météorologiques propres à un lieu ou une région donnée. Il se déduit à partir de moyennes faites sur de longues périodes de temps (quelques dizaines d’années).

Climatologie des précipitations sur le pourtour méditerranéen

Le climat méditerranéen

Le climat de la Terre est gouverné au premier ordre par l’intensité et les variations du rayonnement solaire incident. Le mot climat vient d’ailleurs du grec klima qui désigne l’inclinaison de la Terre par rapport au soleil. La première classification du climat en 5 bandes de latitude a été faite pendant l’antiquité par Aristote. Avec le temps, les scientifiques sont arrivés à une description des climats plus précise. Aujourd’hui la communauté s’accorde pour utiliser la classification de Köppen réalisée en 1900 et ayant subi quelques modifications au cours du 20ème siècle. Selon cette classification, le climat méditerranéen est défini comme Csb et Csa c’est-à-dire tempéré avec des étés secs et chauds voire très chauds. cette définition ne s’applique qu’à une partie du pourtour méditerranéen. De forts contrastes existent entre les différentes régions du fait de la morphologie même du bassin méditerranéen. On trouve des climats tempérés non secs en été au nord du bassin, des climats arides au sud, des climats de neige sur les reliefs ou encore des climats de steppe sur la partie orientale. Les régions du nord de la Méditerranée sont sous l’influence de la circulation de moyenne latitude et celles du sud sont influencées par un régime subtropical (Lionello et al., 2006, Alpert et al., 2006, Trigo et al., 2006).

La géographie du bassin méditerranéen avec une ligne de côte complexe, de nombreuses îles et un relief souvent accidenté est l’une des causes de l’hétérogénéité du climat méditerranéen. Elle est notamment à l’origine de vents régionaux tels que le mistral dans la vallée du Rhône ou la bora sur la mer Adriatique. Lorsqu’ils arrivent sur mer, ces vents agissent sur la mer en renforçant l’évaporation. Des différences de température puis de pression se créent entre les zones sous le vent et les zones à l’abri du vent. Il a été montré que le mistral pouvait modifier de cette manière la localisation des précipitations dans le massif des Cévennes (Berthou et al., 2014).

Les précipitations moyennes 

La connaissance de la distribution spatiale des précipitations repose sur les séries temporelles de plusieurs stations météorologiques autour de la Méditerranée. Malheureusement, pour la Méditerranée, la répartition des stations météorologiques ayant de longues séries temporelles n’est pas uniforme : les données sont plus abondantes dans les régions du nord-ouest que dans le reste de la Méditerranée, et les stations de l’Afrique du nord sont très éloignées de la couverture idéale (New et al., 1999, Haylock et al., 2008). Pour établir la caractérisation climatique régionale des précipitations, les séries temporelles doivent être harmonisées de façon à pallier le manque de données dans certaines régions puis être réparties sur une grille régulière afin d’obtenir des données homogènes dans le temps et dans l’espace (New et al., 1999, Haylock et al., 2008).

La climatologie utilisée dans cette thèse pour décrire les précipitations moyennes en Méditerranée est la climatologie « Climatic Research Unit » (CRU, New et al., 1999). Elle a été réalisée à partir d’une combinaison de plusieurs sources de données qui ont été harmonisées sur l’ensemble du globe sur une grille de 0.5° pour la période 1961-1990 (New et al., 1999). Une des spécificités de cette climatologie est que l’interpolation des données des stations de mesure est réalisée selon les trois dimensions (Hutchinson, 1995), ce qui n’est pas le cas pour d’autres climatologies (Legates et Willmott, 1990) et fait que la climatologie CRU est de meilleure qualité sur les régions montagneuses (New et al., 1999).

Les précipitations extrêmes

Les précipitations extrêmes sont un trait important du climat méditerranéen. Toreti et al. (2010) ont montré que les précipitations extrêmes des 20 stations d’étude réparties autour de la mer Méditerranée contribuaient à environ 60% du total des précipitations entre octobre et mars. Le caractère extrême des précipitations est souvent défini selon le dépassement d’un seuil de précipitations. La valeur exacte du quantile seuil des précipitations a été calculée pour chaque station selon un algorithme précis (décrit dans Toreti et al., 2010) qui se base sur la distribution des extrêmes généralisée et la distribution de Pareto généralisée (Coles et al., 2001).

La répartition spatiale des précipitations extrêmes est déduite à partir de séries temporelles de précipitations de 286 stations autour de la mer Méditerranée   de 1950 à 2006. On considère uniquement la période humide du bassin méditerranéen définie entre octobre et mars selon Xoplaki (2002), Xoplaki et al. (2004). L’harmonisation des séries temporelles a été effectuée selon l’algorithme GAHMDI (Genetic Algorithm Hidden Markov Models for Detection of Inhomogeneities, Toreti et al., 2012) et par Caussinus et Mestre (2004). À partir de chaque série temporelle on peut calculer la valeur du cumul journalier des précipitations correspondant à une période de retour à 5 ans et à 50 ans. Une méthode de calcul de ces valeurs est donné par Toreti et al. (2010).

Table des matières

1 Introduction
1.1 Précipitations et microphysique des nuages
1.2 Climatologie des précipitations sur le pourtour méditerranéen
1.2.1 Le climat méditerranéen
1.2.2 Les précipitations moyennes
1.2.3 Les précipitations extrêmes
1.2.4 Le problème de l’eau en Méditerranée
1.3 Variabilité et tendances des précipitations en Méditerranée
1.3.1 Influence des principaux modes de variabilité des moyennes latitudes sur la variabilité des précipitations en Méditerranée
1.3.2 Variabilité tropicale et variabilité des précipitations en Méditerranée
1.3.3 Tendances du climat présent
1.3.4 Tendances futures
1.4 La relation température-précipitations
1.4.1 Les bases physiques
1.4.2 État de l’art
1.4.3 Aérosols et relation température-précipitations en Méditerranée
1.4.4 Plan de la thèse
2 La relation température-précipitations extrêmes dans la région méditerranéenne
2.1 Étude de la relation température-précipitations extrêmes dans le sud-est de la France
2.1.1 Outils et Méthodes
2.1.2 La relation température-précipitations extrêmes
2.1.3 Analyse de processus
2.1.4 Discussion
2.2 Variabilité spatiale de la relation température-précipitations extrêmes sur le bassin méditerranéen
2.2.1 Outils
2.2.2 Analyse des observations
2.2.3 Évaluation et analyse des simulations
2.3 Conclusion
3 Impact des aérosols sur la relation température-précipitations
3.1 Introduction
3.2 Configuration du modèle et des expériences
3.3 Analyse des expériences de sensibilité
3.3.1 Sensibilité de la simulation basse résolution à la concentration en aérosols
3.3.2 Sensibilité de la simulation à haute résolution et impact de la résolution
3.3.3 Discussion
3.4 Impact des aérosols sur la relation température-précipitations
3.4.1 Méthodes
3.4.2 La relation température-précipitations en Europe centrale
3.4.3 Analyse des contributions
3.4.4 Contributions aux changements de la vitesse verticale
3.4.5 Contributions de la température de surface et du gradient vertical de température
3.5 Conclusion
4 Relation température-précipitations extrêmes dans le climat futur
4.1 Évolution de la relation température-précipitations extrêmes dans le futur
4.1.1 Simulations utilisées
4.1.2 Comparaison entre les simulations historiques et ERA-Interim
4.1.3 Projections dans un climat futur
4.2 Les limites des sources d’humidité
4.2.1 Modèles utilisés et configurations
4.2.2 Analyse de l’humidité
4.2.3 Discussion
4.3 Conclusion
5 Conclusion

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