Polar lows in the Northern Hemisphere: influence of the large-scale environment, its variability and its changes with climate change
Polar lows dans l'hémisphère Nord : influence de l'environnement de grande échelle, de sa variabilité et de ses modifications avec le changement climatique
Résumé
Polar lows (PLs) are intense meso-cyclones forming in winter at hight latitudes over open water. Despite their low spatial and temporal extension, they are particularly dangerous, being associated with strong winds and heavy snowfall, causing very low visibility and high waves. The purpose of this thesis is to study the impact of climate variability on their outbreak, and in particular to make an assessment of their evolution with climate change. Firsly, large-scale environment leading to development of Pls is determined using all available homogeneous PLs observations. Geopotential height at 500 hPa, the temperature difference between the surface of the ocean and 500 hPa, wind and temperature near the surface, and the potential vorticity (PV) at 300 hPa present significant anomaly patterns over large areas centrerd over PL genesis zones. The focus is done on the Nordic Seas for which there is a wide and homogeneous climatology of Pls, although other regions of the Northern Hemisphere are also studied (Labrador Sea, Gulf of Alaska ...). Pls develop after a certain build-up, the outbreak day been marked by strong wind and PV intensification. Significant disparities between the different formation areas indicate some heterogeneity in the relative influence of formation mechanisms. A second part is devoted to study the influence of climate variability on Pls. Two approaches to this variability are then considered: the teleconnection patterns over the North Pacific and weather regimes over the North Atlantic and Europe. Teleconnection patterns based on the idea that the atmospheric variability can be described by variations in the intensity of specific large-scale, persistent and recurrent patterns. For each North Pacific area, the study of the relationship between these patterns and key variables for Pls formation highlight respective influences of each teleconnection patterns on Pls development. The idea behind the concept of weather regimes is that the atmospheric circulation variability can be described as an alternation between different preferential quasi-stationary circulation states. Regimes have a typical duration of 8-10 days, similar to the existence of a typical environment associated with the development of Pls. They appear particularly discriminating for PL outbreaks: over the Norwegian and Barents seas, 75% Pls observed form in Altantic Ridge or in the negative phase of the North Atlantic Oscillation (NAO), while in the Labrador Sea most observed Pls develop during the positive phase of the NAO. The last part is an exploratory study of PL behavior evolution with climate change. Climate change may affect the distribution and frequency of occurrence of Pls by changing the conditions of large-scale monitoring their genesis. The study focuses primarily on the role of sea ice and its evolution on Pls. Finally, the evolution of key variables in PL formations be studied from the ECHAM5/MPI-OM climate simulation outputs. The results of this study indicate an overall decrease in the activity of Pls with strong regional disparities, as well as changes in the seasons. The results of this thesis reinforce knowledge of PLs and provide new elements to improve their forecasting in the short and longer term.
Les polar lows (PLs) sont d'intenses dépressions maritimes propres aux hautes latitudes. De faible extension spatiale et temporelle, ils n'en sont pas moins dangereux, s'accompagnant de vents violents et de fortes précipitations, provoquant une très faible visibilité et des vagues importantes. Le but de cette thèse est d'étudier l'impact de la variabilité atmosphérique sur leur formation, et notamment d'évaluer leur évolution dans le cadre du changement climatique. Dans un premier temps, l'environnement de grande échelle conduisant au développement de PLs est déterminé. Dans ce but, l'ensemble des observations homogènes de PLs disponibles et des réanalyses atmosphériques (ERA-I pour la période la plus récente, NCEP/NCAR sinon) sont utilisés. On montre que le géopotentiel à 500 hPa, l'écart de température entre la surface de l'océan et 500 hPa, le vent et la température en basses couches, ainsi que le tourbillon potentiel (PV) à 300 hPa présentent des anomalies significatives sur de grandes étendues, centrées sur les zones de formation des Pls. L'accent est mis sur les mers Nordiques pour lesquelles on dispose d'une climatologie de Pls large et homogène, bien que d'autres régions de l'hémisphère Nord soient aussi étudiées (mer du Labrador, golfe d'Alaska...). Les PLs se développent après une phase de mise en place progressive des conditions synoptiques favorable, leur déclenchement étant marqué par une intensification des anomalies de vent et de PV. Des différences existent entre les différentes régions de formation, notamment au niveau du flux de basse couche, indiquant une hétérogénéité dans l'influence relative des différents forçages. Une seconde partie est consacrée à étudier l'influence de la variabilité atmosphérique sur les PLs. Deux approches de cette variabilité sont alors considérées: les structures de téleconnection sur le Pacifique Nord et les régimes de temps sur l'Atlantique Nord et l'Europe. Les structures de téléconnection reposent sur l'idée que la variabilité atmosphérique peut être décrite par des variations dans l'intensité de structures particulières à grande échelle, persistantes et récurrentes. L'étude des liens entre ces structures et les variables clefs pour la formation de PLs permet de mettre en évidence pour chaque région du Pacifique Nord les influences respectives de chacune des structures sur les Pls. L'idée sous-tendant le concept de régimes de temps est que la variabilité atmosphérique pourrait être décrite comme une alternance entre différents états préférentiels quasi-stationnaires. Les quatre régimes déterminés sur l'Atlantique Nord et l'Europe ont une durée typique de 8-10 jours, similaire à l'existence d'un environnement typique associé au développement de PLs. Ils apparaissent particulièrement discriminants pour la formation de PLs: en mers de Norvège et de Barents, 75% des PLs observés se forment en Altantic Ridge ou dans la phase négative de l'Oscillation Nord Atlantique (NAO), alors qu'en mer du Labrador, une grande majorité des PLs observés se développent durant la phase positive de la NAO. La dernière partie est une étude exploratoire de l'évolution du comportement des PLs dans le cadre du changement climatique. Celui-ci est susceptible d'influer sur la répartition et les fréquences d'apparition des PLs en modifiant les conditions de grande échelle contrôlant leur genèse. L'étude porte d'abord sur le rôle de la glace de mer et de son évolution sur les PLs. Finalement, l'évolution de variables clefs dans le développement de PLs est étudié à partir de sorties de la simulation climatique ECHAM5/MPI-OM. Les résultats de cette étude suggèrent une diminution de l'activité des PLs, avec de fortes disparités régionales, ainsi que des changements dans la distribution saisonnière. Les résultats de cette thèse renforcent les connaissances sur les PLs et fournissent de nouveaux éléments pour améliorer leur prévision à court et plus long terme.
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