Etude de la modulation saisonnière d’ENSO et des vagues sur les tempêtes tropicales et extra-tropicales dans le Pacifique Est

Date de début: 01 Octobre 2021

Date limite de candidature : La date limite de candidature à l’école doctorale est le 8 juin 2021 à minuit, mais les candidats sont encouragés à contacter le directeur de thèse dès que possible.

Directeur de thèse: Lionel Renault

Codirection de thèse : Julien Boucharel

Financement : Concours pour un contrat doctoral

Résumé

L’élévation du niveau de la mer représente l’une des conséquences les plus dramatiques et tangibles du réchauffement climatique et affectera de plus en plus une population mondiale à dominante maritime (Nicholls et al., 2011 ; 2014). À l’échelle du siècle et sans aucun effort d’atténuation, cela pourrait entraîner le déplacement de jusqu’à 200 millions de personnes (Nicholls et al., 2011). Néanmoins, ces chiffres pourraient se situer dans la partie inférieure des projections les plus pessimistes, car la plupart des études mondiales et régionales n’intègrent pas toutes les composantes des niveaux d’inondation liées au niveau de la mer, notamment les vagues (Nicholls et al., 2014 ; Menéndez et Woolworth, 2010). Pourtant, en transférant des quantités considérables d’énergie vers la côte, il a été démontré que les vagues contribuent de manière significative aux épisodes extrêmes de niveau de la mer, parfois en ajoutant des mètres lors des tempêtes les plus sévères, et aux risques côtiers associés (Serafin et al., 2017 ; Rueda et al., 2017 ; Vitousek et al., 2017 ; Voudouskas et al., 2021a, 2018 ; Kirezci et al., 2020). Cela souligne l’importance de mieux comprendre les connexions entre la dynamique côtière et les modes de variabilité climatique.

En particulier, le bassin Pacifique est le siège du « El Niño Southern Oscillation » (ENSO), la plus forte fluctuation climatique interannuelle, qui a des effets étendus sur le temps, le climat et les sociétés (McPhaden et al., 2006). Récemment, la communauté morphodynamique a commencé à identifier le rôle de l’ENSO en tant que moteur de la vulnérabilité côtière autour du Pacifique (Barnard et al., 2015, 2017). L’une des influences les plus significatives d’ENSO est sa modulation de l’activité des cyclones tropicaux (TC), l’un des risques naturels les plus graves, qui menacent 1 à 2 milliards de personnes chaque année et font des dégâts considérables dans le monde entier (Peduzzi et al., 2012). Étant donné que l’environnement air-mer à grande échelle est le principal moteur de ces tempêtes, l’activité des TC et les risques côtiers connexes sont considérablement modifiés par les téléconnexions climatiques l’ENSO (Lin et al., 2020). De plus, ENSO affecte aussi fortement les tempêtes extratropicales et l’activité des vagues à la côte (Eichler et Higgins, 2006). Le couplage air-mer local peut également avoir une grande influence sur la circulation océanique et atmosphérique (voir par exemple Renault et al., 2019). En particulier, la rugosité induite par les vagues de surface peut conduire à une modulation des flux air-mer (Renault et al., 2012) et donc de l’intensité des TCs.

Le Pacifique oriental est le deuxième bassin de TCs le plus actif au monde, menaçant les populations côtières du Mexique, du sud-ouest des États-Unis et d’Hawaï. De plus, ces zones sont sous l’influence de certaines des plus grandes houles générées à des latitudes plus élevées, notamment par les systèmes dépressionnaires des Aléoutiennes. Une étude récente (Boucharel et al., 2021, en révision) a mis en évidence l’augmentation des impacts côtiers des tempêtes tropicales et extra-tropicales dans le Pacifique oriental qui émergent de l’interaction déterministe non linéaire entre la fréquence d’El Niño et le cycle annuel. Boucharel et al. (2021) ont formulé un modèle pour la modulation de l’activité de l’énergie des vagues (basé sur le modèle mathématique dérivé dans Boucharel et Jin, 2020). Outre la simplicité relative du modèle, ses solutions analytiques présentent des corrélations remarquables avec les données mensuelles de réanalyse (0,55 en moyenne dans le Pacifique) et permettent de rendre compte explicitement de l’influence saisonnière d’ENSO sur les TC d’été et les ETC d’hiver et donc des effets en cascade par lesquels l’altération par ENSO des conditions climatiques de fond entraîne une activité houlomotrice saisonnière prévisible dans le Pacifique. Ce modèle conceptuel offre un nouveau cadre mathématique robuste pour comprendre l’activité des vagues côtières induite par ENSO et pour guider les études de processus basées sur des modèles plus complexes.

Cette thèse peut être divisée en deux parties :

1/ Sur la base d’une configuration vagues-océan-atmosphère (WW3-CROCO-WRF) existante de la région du Pacifique Est, le doctorant effectuera d’abord une simulation qui considère le couplage complet entre l’océan, l’atmosphère et les vagues sur une période de 20 ans. L’utilisation synergique des données CFOSAT et des futures données SWOT (vagues, stress de surface, SSH) avec d’autres données satellitaires existantes (SSH, SST, tension de surface et vagues), des données in situ (bouées à vagues) et des produits de réanalyse de l’océan et des vagues permettra d’évaluer la représentation des TCs, des vagues et de la circulation océanique dans la simulation. Pour évaluer l’effet de la rugosité de la surface de la mer induite par les vagues sur l’intensité des TCs, le doctorant effectuera une simulation supplémentaire dans laquelle la rugosité induite par les vagues ne sera pas envoyée au modèle atmosphérique. Une analyse statistique nous permettra de déterminer dans quelle mesure les vagues peuvent moduler les caractéristiques saisonnières des TCs.

2/ La deuxième partie de cette thèse vise à tester la théorie susmentionnée, en particulier les interactions non linéaires ENSO-cycle annuel, en concevant des expériences de sensibilité (nudging océanique vers différentes échelles de temps ENSO clés dans la bande équatoriale, conditions limites ouvertes saisonnières vs. interannuelles…) en particulier pour quantifier l’effet modulé saisonnier d’ENSO sur la contribution respective du niveau de la mer induit par les vagues (i.e. ‘run-up’) provenant des tempêtes tropicales et extra-tropicales. Le run-up sera calculé à partir de la paramétrisation classique de Stockdon et al. (2006) en fonction de la hauteur significative des vagues en eau profonde, de la longueur d’onde maximale et de la pente de l’estran. Pour combler le fossé entre la variabilité climatique et les impacts côtiers, il est nécessaire d’utiliser non seulement la modélisation couplée vague-océan pour évaluer les différentes composantes du niveau d’eau côtier, mais aussi des produits satellitaires de nouvelle génération de bathymétrie côtière et de position du littoral pour affiner les paramétrages du run-up des vagues et évaluer la probabilité d’épisodes de surcôte. De tels produits sont notamment développés au LEGOS dans l’équipe de recherche ‘Littoral’, en partenariat avec le Centre National d’Études Spatiales (CNES).

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