Composition du jury

Vladimir Zeitlin (président)
Laurent Terray de Toulouse (rapporteur),
Pablo Zurita-Gotor de Madrid (rapporteur)
Nili Harnik de Tel Aviv (Examinatrice)
Gwendal Rivière & Francis Codron co-directeurs

Résumé

Cette étude a pour objectif d’analyser le rôle joué par les ondes de Rossby dans la variabilité des courants-jets troposphériques des moyennes latitudes à l’aide d’un modèle numérique idéalisé. Elle s’intéresse en particulier aux mécanismes dynamiques responsables de la persistance des principaux modes de variabilité, à savoir le mode de déplacement méridien (Modes Annulaires, Oscillation Nord Atlantique) et de pulsation d’amplitude (lié à la téléconnection Pacifique Nord Américaine). Le mode de déplacement est souvent le principal mode de variabilité des jets du fait de sa persistance plus grande que celle du mode de pulsation.
Cette persistance accrue du mode de déplacement est causée par une rétroaction positive des ondes de Rossby, bien documentée dans de nombreux modèles et observations, qui est bien présente dans ce modèle. Parmi les différentes sortes de mécanismes proposées dans la littérature, cette rétroaction est caractérisée comme étant d’origine barocline, c’est à dire causée par une modification de la source d’onde, et non barotrope, c’est à dire liée à un changement de propagation des ondes. De plus, deux nouveaux types de rétroactions ont été mis en évidence à une échelle de temps plus courte que cette rétroaction classique. Ce sont toutes deux des rétroactions qui diminuent la persistance, mais dont le mécanisme dépend de la nature des ondes impliquées. Les ondes planétaires, caractérisées par un faible nombre d’onde zonal, tendent à se réfléchir sur les flancs du jet, ce qui produit une rétroaction négative pour les deux modes de variabilité. A contrario, les ondes synoptiques de plus grand nombre d’onde n’influent que sur la persistance du mode de pulsation, creusant ainsi l’écart de persistance avec le mode de déplacement. Ces différents mécanismes, identifiés grâce au modèle idéalisé, sont aussi retrouvés et ainsi validés dans le contexte plus réaliste des données de réanalyse, plus particulièrement dans l’\HS\ en été dont les caractéristiques de variabilité du courant-jet sont les plus proches de celles du modèle.
Enfin, une réflexion sur les conséquences du changement climatique est proposée via l’étude de sensibilité menée sur certains paramètres clés du modèle. La variation du gradient méridien de température, résultat robuste observé dans de nombreux scénarios, est identifiée comme un paramètre affectant nettement la persistance du mode de déplacement, conduisant à un mode plus persistant dans le futur. La position moyenne du jet présente aussi un effet sur cette persistance, conduisant à un mode de déplacement moins persistant pour des jets plus proche du pôle. Ce résultat en accord avec la littérature même si son interprétation est différente. L’effet d’une variation de la friction dans les basses couches de l’atmosphère est aussi étudiée, car ce paramètre plutôt difficile à évaluer présente une disparité suivant les modèles, et influence nettement l’intensité de la rétroaction positive des ondes.
Cette thèse a donc permis de mettre en évidence deux nouveaux mécanismes de rétroaction des ondes sur les courants-jets et développé des diagnostics théoriques qui pourront être plus amplement testés et appliqués dans d’autres contextes, particulièrement des réanalyses et des simulations de climat réalistes.

This study investigate the impact of Rossby waves on the tropospheric midlatitude eddy-driven jets using an idealized numerical model. It focuses on the dynamical mechanisms driving the persistence of the main modes of variability, namely a shifting mode (Annular Modes, North Atlantic Oscillation) and a pulsing mode (related to the Pacific North American teleconnection pattern). The shifting mode is often found to be the leading mode of variability due to an enhanced persistence compared to the pulsing one.
This increase persistence is caused by a positive feedbacks of Rossby waves, well established in many models and observations, which is present in the idealized model. Among the different kind of mechanisms proposed in the literature, this feedback is caused by a baroclinic mechanism, i.e. based on changes in the wave source, and not by a barotropic one, i.e. caused by a change in wave propagation. Moreover, two new kinds of feedback have been found for a shorter timescale than the more classical feedback. They both tend to reduce persistence, but their underlying dynamical mechanism depends on wave properties. The planetary wave, i.e. with small zonal wavenumber, do reflect on both flanks of the jet, leading to a negative feedback on both the shifting and pulsing modes. However, the synoptic waves, i.e. with a larger zonal wavenumber, only impact the pulsing mode, increasing the discrepancy in persistence between the two modes. These new mechanisms, identified using the idealized model, have been also found in the more realistic set up of reanalysis by studying Southern hemisphere eddy-driven jet summer variability which resemble the most the simulated variability of the model.
Finally, the impact of climate change is assessed using the sensitivity analysis of the model to key parameters. Changes in meridional gradient of temperature, which are a robust feature of many climate change simulations, is found to clearly impact the persistence of the shifting mode, leading to longer lasting phases of such modes in the future. Jet position is also found to have an effect on shifting mode persistence, which leads to less persistent shifting mode for poleward shifted jets. This result is consistent with other studies but a different explanation is given. The impact of friction is also investigated, because it is a parameter difficult to tune in numerical models, and is found to change the strength of the positive eddy feedback.
In conclusion, two new feedback mechanisms acting on eddy-driven jets variability have been found and theoretical diagnostics have been developed and could be used to probe more realistic set up such as future climate simulations and reanalysis.