MÉDITERRANÉE ET MOUSSON AFRICAINE : MÉCANISMES ET ÉVOLUTION DANS L ACTUEL ET LE FUTUR FONTAINE B. (1), MONERIE P.-A. (1), ROUCOU P. (1), ULLMANN A. (1), GAETANI M. (2), COMMUNAUTÉ AMMA (1) Centre de Recherches de Climatologie, Biogéosciences, UMR6282, 6 bd Gabriel, 21000 Dijon, France [fontaine@u-bourgogne.fr ; pascal.roucou@u-bourgogne.fr ; albin.ullmann@u-bourgogne.fr] (2) European Commission Joint Research Centre, Institute for Environment and Sustainability, Ispra, Italie; CNR, Istituto di Biometeorologia, Roma, Italia [m.gaetani@ibimet.cnr.it] Résumé À partir d observations in situ et analysées, de réanalyses atmosphériques, d expériences numériques forcées par les températures de la Méditerranée, et de sorties CMIP5 issues de seize modèles couplés ayant participé au dernier exercice du GIEC, nous tentons une synthèse des travaux collaboratifs entrepris au CRC ces cinq dernières années et portant sur les interactions tropiques/extra-tropiques au long du fuseau africain et sur leurs liens avec la mousson africaine. Après avoir rappelé le rôle des téléconnexions avec les grands bassins océaniques, de la circulation sur le secteur euro-atlantique et de la mousson indienne via le mécanisme de Rodwell-Hoskins, nous insistons sur le renforcement du rôle de la Méditerranée et particulièrement de son bassin est sur les saisons des pluies soudano-sahéliennes africaines, dans l Actuel et le futur. Mots-clés : variabilité climatique, téléconnexions, changement climatique, Afrique, Méditerranée. Abstract Mediterranean Sea and African monsoon: mechanisms and current and future evolutions. From in situ and analyzed, atmospheric reanalyses, numerical experiments forced by the Mediterranean temperatures and CMIP5 outputs from 16 models coupled, we attempt a synthesis of collaborative work undertaken at CRC over the past 5 years focusing on tropical/extra-tropical intercations throughout the African/Mediterranean longitudes and on their linkagewith the African monsoon. After recalling the role of teleconnections with major ocean basins, of circulation on the Euro-Atlantic area and of the Indian monsoon through the Rodwell-Hoskins mechanism, we focus on the strengthening role of the Mediterranean, and particularly its eastern basin for Sudano-Sahelian rainy seasons in the Present and the future. Keywords: climate variability, climate change, teleconnections, Africa, Mediterranean Sea. Introduction Les résultats empiriques et numériques du programme AMMA ont rappelé que la variabilité interannuelle à décennale de la mousson africaine subit au premier ordre l influence des températures de surface océanique (TSO) des bassins tropicaux via des téléconnexions atmosphériques. Au deuxième ordre interviennent les surfaces continentales via les rétroactions liées à l albédo, l eau du sol et la végétation, et la modification des gradients d énergie en surface. Il y a enfin l influence propre de la variabilité interne de l atmosphère. On sait depuis longtemps que des anomalies chaudes (froides) dans l Atlantique nord (tropical sud) favorisent la pénétration continentale du flux de mousson, alors qu une situation froide dans le Pacifique (épisode Niña) modifie la circulation atmosphérique dans un sens favorable aux précipitations sur le Sahel central et oriental. En revanche, la prise en compte du rôle spécifique de la Méditerranée ne remonte qu à dix ans. À partir de plusieurs travaux réalisés au CRC ces dernières années, cette synthèse traite des relations qui s établissent entre mousson africaine et régions méditerranéennes en été boréal au regard de certaines particularités géographiques et atmosphériques du fuseau euro-africain. Comment en particulier la mousson indienne et la mousson africaine influent-elles sur les circulations atlantiques et méditerranéennes? Pourquoi un réchauffement méditerranéen tend-il à renforcer et à allonger la saison des pluies sur le Sahel central et oriental? Quels sont les mécanismes impliqués, et les conséquences climatiques pour le Présent et le Futur (2030-2070)? 1. Interactions et mécanismes impliqués 1.1. Observations La Méditerranée est une région-clé pour les relations tropiques/extra-tropiques parce que sa position organise les relations entre, d une part, climat et météorologie euro-atlantiques et, 357
d autre part, circulation de mousson africaine. Ainsi, Rowell (2003) a trouvé une corrélation de +0.47 entre TSO méditerranéennes et saisons des pluies sahéliennes sur la période 1947-1996, puis l a expliquée en termes de forçage thermique méditerranéen sur la mousson africaine au travers d expériences numériques (Fig. 1 a, b). Cette corrélation intègre certes une composante basse fréquence liée à la succession d années à pluviométrie excédentaire (années 1950 et 1960) puis déficitaires (années 1970 et 1980) au Sahel, mais elle augmente significativement quand on intègre les dernières années (Joly, 2008). De plus, aux échelles plus courtes, comme montré en figure 1 c-f, les anomalies de TSO de Méditerranée tendent à modifier la fréquence des régimes de temps au Sahel (Polo et al., 2011, 2013). Par ailleurs, l intensité des circulations comme les mécanismes favorisant la migration vers le nord de la ceinture des pluies de mousson dépendent pour partie des contrastes thermiques entre Méditerranée et Sahara. Ceci a été notamment prouvé par Peyrillé et Lafore (2007) au travers d études de cas et de simulations sur un modèle 2-D zonalement symétrique sur la zone 30 S- 40 N : un réchauffement de la Méditerranée humidifie les basses couches sahariennes par advection et tend à réduire le vent d Harmattan (de NE). a c e b d f Figure 1 : Corrélations entre TSO et précipitations sahéliennes : (a) observations 1947-1996 ; (b) modèles. Adapté de Rowell (2003) ; (c, d) Types de temps (WR) juillet-août 1989-2008 et anomalies de pression au niveau de la mer (couleurs), de géopotentiel à 700 hpa (contours par 20 m) et vents en surface (m/s) ; (e, f) anomalies de précipitations et de températures de surface de la mer. Adapté de Polo et al. (2011). À plus large échelle, la faible corrélation positive qui s observe entre les moussons sur l Afrique et l Inde tend à s inverser lorsqu en été boréal le gradient de TSO entre les bassins est et ouest de la Méditerranée est plus fort que la normale ou que les anomalies thermiques sont marquées : en situation chaude (froide), on observe alors un renforcement (affaiblissement) de la circulation de mousson en Afrique, du contenu en humidité et de la convection profonde, alors que c est plutôt l inverse sur l Inde (Fontaine et Pham, 2013). La Méditerranée joue donc aussi sur le différentiel Afrique-Inde. Ainsi, dans les modèles, des anomalies froides imposées à l ensemble de la Méditerranée produisent des déficits sur l Afrique via un affaiblissement des flux de SW, mais davantage de pluies en Inde via un renforcement des flux de SW sur l océan Indien (Fontaine et al., 2011). 358
1.2. Mécanismes impliqués La circulation subtropicale en été boréal interagit avec le forçage thermique induit par la convection tropicale, notamment en régions de mousson via le mécanisme de Rodwell et Hoskins (2001) qui relie l ascendance adiabatique due à la libération de chaleur latente dans la mousson à une descente adiabatique se produisant plus à l ouest sur les subtropiques. Ainsi, une mousson indienne plus intense renforce la subsidence et le ciel clair sur le Moyen Orient et la Méditerranée orientale, où les eaux sont plus chaudes et la pression de surface plus faible qu à l ouest, ce qui intensifie les vents étésiens de secteur nord (Gaetani et al., 2010). Observons par ailleurs que la bordure méridionale du bassin oriental de la Méditerranée est située 4-5 de latitude plus au sud (~ 32 N) que celle du Maghreb et n a pas de relief majeur. Ces contrastes entre bassins est et ouest font que la variabilité thermique de la Méditerranée a des effets dissemblables : à l est, les TSO forcent directement la circulation de mousson sur le Sahel central et oriental par les vents moyens de secteur nord, avec un maximum en fin d été ; à l ouest, les TSO sont plus associées à la convection atmosphérique profonde sur le golfe de Guinée en hiver (Gaetani et Fontaine, 2013). La différence d impact des fuseaux ouest et est apparaît notamment sur les circulations méridiennes observées, comme montré en figure 2. Figure 2 : Coupes méridiennes 20 W-0 et 0-30 E issues des réanalyses NCEP-2 (juillet-septembre 1979-2006) : (a, b) moyennes et (c-f) composites en situations chaudes sur les bassins ouest et est pour le vent et l humidité spécifique. Seules les valeurs significatives à p=0.1 sont reproduites. Fontaine et al. (2010) Figure 3 : Coupes méridiennes 20 W-30 E moyennes issues de vingt simulations Méditerranée chaude sur le modèle de climat du CNRM : (a, c) composantes zonales et (b, d) méridiennes du flux d humidité ; valeurs moyennes (a, b) et anomalies en Méditerranée chaude (c, d). Significativité à p=0.05 en grisé. Fontaine et al. (2010) La figure 3 présente des résultats similaires issus de simulations numériques idéalisées avec des TSO anormalement chaudes et froides sur la Méditerranée expériences de sensibilité de forçage sur modèles atmosphériques globaux. On voit que la mousson africaine répond au forçage thermique méditerranéen en induisant dans l'atmosphère des anomalies de flux d humidité. Ceci explique aussi pourquoi ces expériences répondent plus aux réchauffements qu aux refroidissements. Un réchauffement de la Méditerranée, orientale en particulier, alimente la troposphère basse et moyenne en humidité supplémentaire : l augmentation de l'évaporation et de l'humidité spécifique en basse troposphère augmente l énergie dans le système via le cycle de l eau. Une analyse plus détaillée (non montré) indique que le surplus d humidité est alors transporté par le flux moyen vers le Sahel central à travers le Sahara central-oriental, notamment entre Hoggar et Tibesti. Sur l Égypte, les vents de nord sont plus faibles en raison de l atténuation du gradient mer-continent lié aux eaux chaudes du bassin oriental. Ce transport d humidité renforce d abord aux latitudes sahéliennes 359
la convergence entre flux sud-ouest de mousson (plus accentué) et flux de nord-nord-est (un peu plus faible), puis, cinq à dix jours après, l'activité convective et les ondes d est conduisant à une augmentation des précipitations (Fontaine et al., 2010, 2011). Ces phénomènes s accompagnent d une plus ample remontée vers le nord de la ceinture des pluies, ainsi que d un renforcement de la circulation cellulaire entre région de mousson africaine et Méditerranée, comme montré en figure 3. 2. Prospective climatique pour le futur 2.1. Constat Les modèles couplés utilisés dans les prospectives du GIEC ont malheureusement des biais systématiques. En particulier, ils simulent une pénétration continentale du flux de mousson trop faible en été boréal et ont par ailleurs des difficultés à reproduire les téléconnexions observées avec les grands bassins océaniques et la mer Méditerranée. Malgré ces déficiences, nos travaux et une large partie d études similaires s accordent sur deux aspects futurs : (i) à l échelle globale, on observe un renforcement de la circulation de Hadley et une plus forte remontée de la ZCIT en été boréal (Lee et Wang, 2014) ; (ii) à l échelle du continent, on devrait avoir une mousson moins installée en début de saison des pluies puis un renforcement significatif en fin de saison (Biasutti, 2013 ; Monerie et al., 2014). Toutefois, à l échelle du Sahel africain et en utilisant douze modèles couplés CMIP3 et seize CMIP5 sous scénarios d émission de milieu de gamme (A1B, RCP 4.5), Monerie et al. (2012, 2013) ont montré que les changements attendus en précipitations et dynamique atmosphérique entre les saisons des pluies 1960-1999 et 2031-2070 devaient être analysés à l échelle régionale et selon un calendrier précis. En effet, les modèles ne simulent pas de signal homogène en termes de précipitations, ni sur l ensemble de la bande sahélienne, ni sur l ensemble de la saison des pluies (Fig. 4 et 5). Sur le Sahel ouest, on aurait une diminution des cumuls estivaux (Fig. 4 b), surtout en début de saison, mais une saison des pluies allongée vers l automne (Fig. 5 a). En revanche, sur le Sahel central-oriental, on s attend à une mousson mieux installée et à un renforcement des pluies très net et significatif de juillet à octobre (Fig. 4 b et 5 b). Figure 4 : Différences [2031-2070] - [1979-1999] avec huit CMIP5 sous RCP 4.5 : (a) températures de surface (Celsius), (b) précipitations en mm/j en juillet-septembre. Monerie et al. (2013) Figure 5 : Précipitations mensuelles (mm/j) au Sahel [10 N-20 N] sur (a) la région ouest [15 W-0 ] et (b) centre-est [0-25 E)]. La significativité (x) à p=0.1 est indiquée. Monerie et al. (2014) 360
2.2. Mécanismes impliqués Le renforcement attendu de la circulation de mousson africaine s explique par un réchauffement plus marqué des régions méditerranéennes et sahariennes par rapport à celui des régions atlantiques environnantes, guinéennes et équatoriales (Fig. 4 a) : ceci augmente le différentiel thermique entre continent et océan qui est en fait le moteur de la circulation de mousson (Paeth et Hense, 2004). Le renforcement pluviométrique sur, notamment, le Sahel central et oriental observé en figure 4 b en est une conséquence, mais il procède aussi de l augmentation des flux de vapeur d eau depuis la Méditerranée et du plus fort différentiel thermique entre hémisphères nord et sud qui devrait s observer dans le futur (Fig. 6 a) : ceci favorise la convergence des flux d humidité sur le Sahel et une plus forte remontée de la ZCIT en été boréal. La diminution des cumuls pluviométriques sur l ouest sahélien (Fig. 4 b) est, elle, une conséquence directe du renforcement plus marqué à l ouest de la subsidence dans toute la troposphère (Fig. 6 b, d) et d une augmentation de la divergence d humidité dans les couches moyennes due à un Jet Africain plus fort (Monerie, 2013, 2014). Le décalage des saisons des pluies futures par rapport au calendrier moyen actuel (Fig. 5) s explique d abord par la succession de deux effets cumulatifs, bien détaillés par Giannini (2010) : (1) le réchauffement futur de l ensemble de la troposphère augmente en hiver et au printemps la stabilité verticale entre les tropiques ; ceci réduit l évaporation, le cycle hydrologique et les précipitations en début de saison des pluies ; (2) puis, en milieu et fin de saison des pluies, lorsque l humidité de surface devient suffisante, l évaporation, l instabilité verticale et la convergence d humidité augmentent, et donc les précipitations. Toutefois, les cartes 6 b-d ajoutent plusieurs éléments d ordre dynamique : contrairement à ce qui se passe en juin-août (JJA), les fins de saisons des pluies (SON) seraient marquées dans le futur par de plus fortes subsidences dans toute la troposphère au dessus de la Méditerranée (Fig. 6 b), particulièrement sur la Méditerranée orientale (Fig. 6 d), ainsi que par de plus fortes pressions sur l Atlantique nord et la Méditerranée (Fig. 6 c) ; on voit, par ailleurs, que les ascendances en zone de mousson seraient favorisées (Fig. 6 d). L ensemble de ces éléments devraient ainsi contribuer à retarder les fins de saisons des pluies dans le futur, notamment sur le Sahel central (Fig. 6 d). a a c d b Figure 6 : (a) Différences de température de l air à 2 m, entre aires de mousson (120 W-120 E) nord (20 N- 60 N) et sud (40 S-0 ) dans les modèles CMIP5 sous scénario RCP 4.5, par rapport à la climatologie 1980-2005). Adapté de Lee et Wang (2014) ; Différences [2031-2070] - [1979-1999] : (b) omega dans le plan méridien [5 E-25 E], subsidences en rouge ; (c) pression au niveau de la mer, valeurs positives en rouge ; (d) omega à 400 hpa, juin-août (JJA) et septembre-novembre (SON). Monerie et al. (2014), en soumission 361
Conclusion L analyse des données d observation et la modélisation indiquent l existence d interactions entre les latitudes subtropicales du fuseau euro-africain et les moussons indienne et africaine. Des simulations climatiques issues d expériences forcées et couplées montrent que les régions méditerranéennes y jouent un rôle fondamental. En particulier, des TSO méditerranéennes plus chaudes que la normale, notamment sur le bassin oriental, augmentent l'humidité spécifique en basse troposphère, humidité qui est ensuite transportée vers le sud par le flux moyen à travers le Sahara central et oriental. Ce flux accroît la convergence d'humidité sur le Sahel résultant de la circulation de mousson depuis l Atlantique, ce qui favorise l'activité convective sur les marges nord de la zone de mousson et donc les précipitations. Par rapport à l Actuel, les travaux de prospective climatique pour le milieu de ce siècle prévoient des précipitations plus abondantes sur le Sahel central et oriental et légèrement déficitaires plus à l ouest, ainsi qu une fin de saison des pluies plus tardive sur l ensemble du Sahel. Références bibliographiques Biasutti M., 2013: Forced Sahel rainfall trends in the CMIP5 archive. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 118(4), 1 613-1 623. Fontaine B., Garcia-Serrano J., Roucou P., Rodriguez-Fonseca B., Losada T., Chauvin F., Gervois S., Sivarajan S., Ruti P., Janicot S., 2010: Impacts of warm and cold situations in the Mediterranean basins on the West African monsoon: observed connection patterns (1979-2006) and climate simulations. Clim. Dyn., 35, 95-114. Fontaine B., Monerie P.-A., Gaetani M., Roucou P., 2011: Climate adjustments over the African-Indian monsoon regions accompanying Mediterranean Sea thermal variability. J. Geophys. Res., 116, D23122. Fontaine B., Pham X.T., 2012: Modulation of the African-Indian rainfall relationship by the thermal variability over the Mediterranean Sea in northern summer. Int. J. Climatol., 33(12), 2 744-2 757, doi:10.1002/joc.3623. Gaetani M., Fontaine B., Roucou P., Baldi M., 2010: Influence of the Mediterranean Sea on the West African monsoon: intraseasonal variability in numerical simulations. J. Geophys. Res., 115, D24115. Gaetani M., Fontaine B., 2013: Interaction between the West African monsoon and the summer Mediterranean climate: an overview. Fisica de la Tierra, 25, 41-55. Giannini A., 2010: Mechanisms of climate change in the semiarid African Sahel: The local view. Journal of Climate, 23 (3), 743-756, URL http://dx.doi.org/10.1175%2f2009jcli3123.1. Joly M., 2008 : Le rôle des océans dans la variabilité climatique de la mousson africaine. Thèse de doctorat, Université Paris-Est, soutenue à Toulouse, 200 p. Lee J.-Y., Wang B., 2014: Future change of global monsoon in the CMIP5. Climate Dynamics, 42, 101-119, DOI 10.1007/s00382-012-1564-0. Monerie P.-A., Roucou P., Fontaine B., 2013: Mid-century effects of Climate Change on African monsoon dynamics using the A1B emission scenario. Int. J. Climatol., 33, 881-896, doi: 10.1002/joc.3476. Monerie P.-A., Roucou P., Fontaine B., 2012: Expected future changes in the African monsoon between 2030 and 2070 using few CMIP3 and CMIP5 models under a medium-low RCP scenario. Journal of Geophysical Research, Atmosphere, 117, Issue D16, 27, doi:10.1029/2012jd017510. Paeth H., Hense A., 2004: SST versus climate change signals in West African rainfall: 20th-century variations and future projections. Climatic Change, 65, 179-208. Peyrillé P., Lafore J.-P., 2007: An idealized two-dimensional framework to study the West African monsoon. Part II: Large-scale advection and the diurnal cycle. J. Atmos. Sci., 64, 2 783-2 803. Polo I., Ullmann A., Roucou P., Fontaine B., 2011: Weather regimes in the Euro-Atlantic and Mediterranean sector and relationship with West African rainfall over the period 1989 2008 from a self-organizing maps approach. J. Climate, 24, 3 423-3 432. Polo I., Ullmann A., Roucou P., Fontaine B., 2013: Changes in the frequency of the Weather Regimes over the Euro-Atlantic and Mediterranean sector and their relation to the anomalous temperatures over the Mediterranean Sea. Fisica de la Tierra, 25, 103-121. Rowell D.P., 2003: The impact of Mediterranean SSTs on the Sahelian rainfall season. J. Climate, 16, 849-862. 362