The role of the upper ocean for global ocean heat uptake and climate
Le rôle de l'océan de surface pour le stockage de chaleur océanique et le climat
Résumé
The Earth's climate is currently undergoing rapid and widespread changes. Human activities in the industrial era, in particular the emission of CO2 into the atmosphere through the burning of fossil fuels, have led to an enhanced greenhouse effect which has caused an increase in the global average surface air temperature of 1.1°C in 2011-2020 relative to 1850-1900. A further consequence is the warming of the global ocean: it has absorbed over 90% of the excess energy stored in the Earth system due to the increased radiative forcing. This global ocean heat uptake (OHU) is a critical climate process and plays a dual role for anthropogenic climate change. On the one hand, OHU is a measure of the cumulative effects of transient climate change, and scales with negative impacts such as sea level rise and the frequency of oceanic extreme events. On the other hand, OHU provides a crucial service by shielding the atmosphere from large amounts of heat that would otherwise cause much greater global warming than currently observed. Despite their importance, many of the physical processes controlling OHU are still poorly understood, including in state-of-the-art numerical climate models used for international climate change assessments. In this thesis, we address this problem using climate simulations of models participating in the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP). In a first study, we provide improved future projections of global OHU by the end of the 21st century by identifying an emergent relationship across an ensemble of CMIP models linking the simulated baseline climate state of the Southern Hemisphere to future global OHU. By combining this relationship with observational data, we obtain constrained projections showing that future OHU is likely larger than previously thought. In a second study, we clarify the processes involved in setting the ocean heat uptake efficiency (OHUE) which quantifies the amount of OHU per degree of global surface warming. We reconcile a number of previous attempts at explaining controls on OHUE, and show that the upper ocean stratification in the Southern Ocean is a key property setting its value in CMIP climate models. Last, we present an exploratory analysis combining the approaches of these two studies, and perform a statistical analysis of simulations from a large multi-model ensemble with the goal of constraining OHUE. Beyond these concrete results concerning global OHU, we also discuss some of the methodological issues related to the interpretation of uncertainties arising from multi-model ensembles more generally.
Le climat terrestre connaît actuellement des changements rapides et généralisés. Les activités humaines depuis l'ère industrielle, en particulier les émissions de CO2 dans l'atmosphère dues à la combustion de combustibles fossiles, ont intensifié l'effet de serre. Cela a entraîné une augmentation de la température moyenne de l'air à la surface du globe de 1.1°C en 2011-2020 par rapport à 1850-1900. Une autre conséquence majeure est le réchauffement des océans mondiaux, qui ont absorbé plus de 90% de l'énergie excédentaire accumulée dans le système climatique en raison de l'augmentation du forçage radiatif. L'absorption de chaleur par l'océan mondial (OHU) est un processus climatique clé qui joue un double rôle dans le changement climatique d'origine anthropique. D'une part, l'OHU constitue en soi une mesure clé du changement climatique, qui est directement associée à des impacts négatifs tels que l'élévation du niveau de la mer et l'augmentation de la fréquence des événements extrêmes dans l'océan. D'autre part, l'OHU fournit un service climatique essentiel en épargnant l'atmosphère de grandes quantités de chaleur, sans lequel le réchauffement atmosphérique serait bien plus marqué que celui que nous observons actuellement. Malgré leur importance, de nombreux processus physiques qui contrôlent l'OHU restent mal compris, même dans les modèles climatiques numériques utilisés dans les évaluations internationales du changement climatique. Dans cette thèse, nous avançons sur ce problème en nous appuyant sur des simulations climatiques issues de modèles participant au Projet d'intercomparaison des modèles couplés (CMIP). Dans une première étude, nous produisons des estimations améliorées de l'OHU global d'ici à la fin du XXIe siècle en identifiant une relation émergente dans un ensemble de modèles CMIP, qui relie l'état climatique présent de l'hémisphère sud à l'OHU futur. En combinant cette relation avec des données d'observation, nous obtenons des projections mieux contraintes qui montrent que l'OHU futur pourrait être plus important qu'estimé précédemment. Dans une deuxième étude, nous clarifions les processus à l'origine de l'efficacité d'absorption de la chaleur océanique (OHUE), qui quantifie la quantité d'OHU par degré de réchauffement de la surface terrestre. Nous réconcilions plusieurs tentatives antérieures d'explication des facteurs influençant l'OHUE, et montrons que la stratification de l'océan Austral supérieur est une propriété clé qui contrôle l'OHUE dans les modèles climatiques CMIP. Enfin, nous présentons une analyse exploratoire combinant les approches de ces deux études, et menons une analyse statistique des simulations d'un grand ensemble multi-modèle dans le but de contraindre l'OHUE. Au-delà de ces résultats concrets concernant l'OHU global, nous discutons également de certaines questions méthodologiques liées à l'interprétation des incertitudes découlant des ensembles multi-modèles de manière plus générale.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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