Réponse atmosphérique à l'océan Nord Atlantique aux échelles de temps saisonnières à décennales Guillaume Gastineau1, Fabio d'andrea2, Claude Frankignoul1 1 LOCEAN/IPSL, Université Pierre et Marie Curie, Paris, France 2 LMD/IPSL, CNRS, Paris, France Gastineau, G., F. D'Andrea, C. Frankignoul, Atmospheric response to the North Atlantic Ocean variability on seasonal to decadal time scales, submitted to Climate Dynamics special issue IPSL and CNRM ESM.
Échelles de temps saisonnière et interannuelle - NAO (North Atlantic Oscillation) -> tripôle de SST. - SST en forme de fer à cheval (NAH North Atlantic Horseshoe) -> NAO 6 mois plus tard => rétroaction positive due au couplage oce-atm 1er mode covariabilité Z500-SST (MCA) NCEP 1958-1997 SST (DJF) in K, Z500 (NDJ) in m NCEP 1958-1997 SST (JAS) in K, Z500 (NDJ) in m by 6 mth Atm leads by 1 mth Atm Atm Oce Oce 100 W 50 W 0 E 100 W 50 W 0 E CI = 5 m Czaja and Frankignoul, 2002
Échelle de temps décennale Observation North Atl. SST Deser et al., 2010 Trenberth et al., 2007 AMO : Atlantic Multidecadal Oscillation AMO est un mode de variabilité supposé important pour comprendre la variabilité et la prévisibilité potentielle de : climat d'été au niveau de l'europe (Sutton and Hodson, 2005) NAO d'été (Folland et al., 2009) pluies, cyclones, dans l'atl. Tropicales. Deser, 2009
La circulation de retournement Atlantique (AMOC) Modèles : l'amo est liée à l'amoc Peu d'observation longues fiables de l'amoc (en comparaison aux obs. SST et SLP). Liens AMOC - NAO en hiver dans des modèles couplés (Gastineau and Frankignoul, 2011). Questions : Est-ce que IPSL-CM5 a une bonne représentation de ces modes de variabilité? Lien entre modes de variabilité saisonnier et décennaux? A partir de Quadfasel, 2005
Modèle et données Observations 1901-2005 : Z500 : hauteur du géopotentiel à 500-hPa de NCEP 20th century SST : HadISST-LIM (Marini and Frankignoul, 2011), HadISST où la structure liée au réchauffement global a été enlevée par modélisation linéaire inverse. Modèle IPSL-CM5-A-LR : 500-yr simulation contrôle préindustrielle (Dufresnes et al., 2011) basse résolution (LR) de 3.75 x2.5, 39 niveaux dans l'atmosphère, physique AR4 ''ancienne''.
Méthode : MCA entre SST et Z500 SST et le Z500 sélectionnés sur la région Nord Atlantique. Les régions couvertes de glace de mer exclues. Moyennes glissantes sur 3 mois des SST et Z500. On enlève un trend quadratique. On caractérise ENSO (El Niño Southern Oscillation) avec les 2 premières PCs de la SST du Pacifique Équatorial. On enlève la variabilité ENSO par des régressions linéaires. Les modes de covariabilité entre la SST et le Z500 sont calculés avec une MCA (Maximum Covariance Analysis) avec décalage de phase. CSST/Z500 = SST(t-τ). Z500(t) CSST/Z500 = 1/n U AT(t) B(t-τ) V Right singular vector Left singular vector Left time series Right time series Le degré de signification des modes de la MCA est donné par des permutations aléatoires (Monte Carlo).
Degré de signification 1er mode de la MCA Covariance au carré, en 106 m2 K2 (contours) et degré de signification (grisé) du 1er mode de la MCA Modèle : forte significativité, significatif lorsque l'atmosphère précède, significatif en hivers (et en été) si l'océan précède. Observations : similaire aux études précédentes, modes seulement significatifs en début d'hivers si l'océan précède.
NCEP-HadISST-LIM MCA SST (K) / Z500 (m) en NDJ, mode 1 Atm leads by 1 mth by 6 mth Atm Atm Oce Oce
IPSL-CM5 MCA SST (K) / Z500 (m) en JFM, mode 1 Atm leads by 1 mth by 6 mth Atm Atm Oce Oce
Bilan: Le modèle IPSL-CM5 a une bonne représentation des interactions airmer lors du cycle saisonnier. L'influence de l'océan est plus significative dans le modèle par rapport aux observations signal-to-noise ratio plus fort. Origine du NAH? Hypothèses : atmosphère ou AMOC? On peut utiliser IPSL-CM5 pour estimer l'effet de l'amoc sur le NAH.
Réponse de l'océan à l'atmosphère en fin de printemps début d'été 1er mode MCA SST (K) et Z500(m) in summer, atmosphere leads by 1 month IPSL-CM5 NCEP-HadISST-LIM Dans observation et modèle, une NAO en été ou printemps (Portis et al. 2001) précède le NAH.
La circulation de retournement Atlantique (AMOC) et l'amo dans IPSL-CM5 (Sv) (K) (Sv) (K)
Liens AMOC et NAH SST (in K) regression onto normalized AMOC-PC1, in JAS, IPSL-CM5 In phase AMOC leads by 3 yr AMOC-PC1 est liée à l'amo (r=0.8), avec un lag de 9 ans. La structure du NAH ressemble fortement aux SST dues à l'amo ou AMOC-PC1 (r 0.8). AMOC leads by 9 yr AMOC leads by 6 yr Existe-t-il un lien entre NAH et AMOC?
Réponse de l'atmosphère à l'amoc dans IPSL-CM5 Atmospheric winter (JFM) response to AMOC-PC1, AMOC leads by 9 yr SST (K) 850-hPa Eady Growth rate, σbi (day-1 ) Heat Flux (W m-2) Storm Track (z500'2)1/2 (m)
Discussion sur l'origine du NAH Corrélation séries temporelle AMOC/AMO/NAO avec NAH AMOC-PC1 AMO ATM lag -1 variabilité basse fréquence (périodes > 2ans) du NAH liée à l'amo (et donc surement à l'amoc), L'atmosphère explique plutôt la variabilité du NAH à 1 an.
Conclusions : Analyse de la variabilité interannuelle et saisonnière due aux interactions airmer dans IPSL-CM5 => relations entre océan et atmosphère similaires aux observations. => intensité trop faible, trop peu de variabilité dans l'atl. subtropicale. Dans IPSL-CM5 et les observations, le NAH et donc la NAO sont liés en partie avec l'amo. Dans IPSL-CM5, la variabilité à 20 ans de l'amoc semble avoir un effet sur la NAO. Intensification de l'amoc AMO (9 ans plus tard) phase nég. NAO Les changements du NAH et donc de la NAO pourraient être liés à l'amoc comme dans IPSL-CM5? Importance pour la prévisibilité décennale.
Conclusions : Analyse de la variabilité interannuelle et saisonnière due aux interactions airmer dans IPSL-CM5 => relations entre océan et atmosphère similaires aux observations. => intensité trop faible, trop peu de variabilité dans l'atl. subtropicale. Dans IPSL-CM5 et les observations, le NAH et donc la NAO sont liés en partie avec l'amo. Dans IPSL-CM5, la variabilité à 20 ans de l'amoc semble avoir un effet sur la NAO. Intensification de l'amoc AMO (9 ans plus tard) phase nég. NAO Les changements du NAH et donc de la NAO pourraient être liés à l'amoc comme dans IPSL-CM5? Importance pour la prévisibilité décennale. Fin
Variabilité décennale AMOC dans IPSL-CM5 99% 20 ans Spectre AMOC 95% 90%
Liens NAO AMO dans observations Keenlyside, THOR presentation, 2011
Téléconnections ENSO SST (K) regression onto ENSO IPSL-CM5 HadISST-LIM Z500 (m) regression onto ENSO
Liens AMOC et NAH Au bout de 9 ans, correlation spatiale de AMOC-PC1 avec NAH maximum.
NAO IPSL-CM5 - observations IPSL-CM5 HadISST-LIM
Réanalyse NCEP 20th century 500-hPa Geop. Height NCEP vs Obs Compo et al. 2011, Stickler et al. 2009
Obs : 1er mode de la MCA entre SST (K) et Z500 (m) en NDJ Atm leads by 1 mth In phase by 1 mth by 2 mth by 3 mth by 4 mth by 5 mth by 6 mth by 7 mth
IPSL-CM5 : 1er mode de la MCA entre SST (K) et Z500 (m) en JFM Atm leads by 1 mth In phase by 1 mth by 2 mth by 3 mth by 4 mth by 5 mth by 6 mth by 7 mth