Dynamique et impacts d'une transition de la circulation atmosphérique vers un état de superrotation équatoriale

Résumé de la thèse

Il est connu que les modifications de la circulation atmosphérique dus au changement climatique peuvent avoir d'importantes conséquences sur les climats régionaux ou les événements extrêmes. Il est cependant souvent admis que la structure générale de cette circulation ne devrait pas changer. Dans cette thèse, nous explorons la possibilité que la circulation atmosphérique à grande échelle puisse être réorganisée, dans un climat différent. Une transition vers un état de superrotation équatoriale, qui consiste en la présence d'un maximum de moment angulaire à l'équateur et par conséquence de vents d'ouest, par opposition aux vents d'est typiques de l'équateur terrestre, est une candidate pour un tel changement. La superrotation a été largement étudiée dans le cadre des atmosphères planétaires : des planètes du système solaire comme Venus ou Jupiter sont dans un état de superrotation. Dans ce contexte, plusieurs mécanismes ont été proposés pour expliquer une potentielle transition vers un état de superrotation. Il a aussi été suggéré que la superrotation pourrait être pertinente dans les climats chauds du passé, sur Terre. Les conditions nécessaires ainsi que la dynamique et les conséquences d'une telle transition restent mal comprises. L'objectif de cette thèse est d'essayer de répondre à certaines questions ouvertes sur ce sujet : la superrotation est-elle pertinente pour le climat terrestre ?

Si oui, quels sont les mécanismes impliqués et les conséquences sur le reste du climat ? Nous étudions ces questions dans différents modèles, en utilisant des outils de la dynamique des fluides géophysiques et de la modélisation du climat. Plus précisément, nous étudions un mécanisme d'interaction onde-écoulement moyen qui pourrait conduire à une transition abrupte vers la superrotation dans un modèle simplifié.

Nous nous intéressons ensuite à la dynamique de la transition vers la superrotation et à ses impacts sur le climat dans un modèle de circulation générale.

Dynamics and impacts of a transition of the tropical atmospheric circulation to equatorial superrotation

While it is known that, in a changing climate, shifts and modulations of atmospheric patterns may have important effects on regional climate or extreme events, it is often assumed that the general structure of the circulation should not change. This thesis explores the possibility that the large-scale atmospheric circulation might, in fact, undergo a major reorganization in a different climate. A candidate for such a change is a phenomenon called equatorial superrotation, which consists in the presence of a maximum of angular momentum at the equator, and consequently of westerly winds in the troposphere, as opposed to the typical easterly winds at Earth's equator. Superrotation has been broadly studied in the contexts of planetary atmospheres: several planets of the solar system, such as Venus or Jupiter, exhibit superrotation.

In this context, several mechanisms have been proposed to explain a potential transition to a superrotating atmosphere. On the other hand, while it has been suggested that superrotation could also be relevant for warm climates of the past on Earth, the circumstances, dynamics and consequences of such a transition remain poorly understood. The objective of this thesis is to try and answer to some open questions on this topic: could superrotation be relevant for the Earth's atmosphere, and if so, what are the involved mechanisms and what impact would it have on the rest of the climate system? We investigate these questions in a variety of models of different complexities, using tools from geophysical fluid dynamics and climate modelling. More specifically, we investigate a wave-mean flow interaction mechanism which could lead to an abrupt transition to superrotation in a simplified model. We then study the dynamics of the transition to superrotation and its impacts on climate in a General Circulation Model.