Mediterranean marine heatwaves : detection, past variability and future evolution

L'objectif principal de ce travail de thèse est d'étudier la variabilité passée et l'évolution future des épisodes de températures océaniques anormalement chaudes en Méditerranée. Ces évènements, appelés canicules océaniques ou Marine Heatwaves en anglais (MHW), sont connues pour exercer une pression considérable sur les écosystèmes marins et les pêcheries associées un peu partout dans le monde. Nous proposons une nouvelle méthode de détection automatique des MHWs d'été basée sur le 99ème centile de la température quotidienne de la surface de la mer (TSM) en climat présent et tenant compte de la diversité géographique de la zone. La probabilité d'occurrence des MHWs et leurs caractéristiques spatio-temporelles sont ensuite étudiées. D'autres indicateurs intégrés tels que la durée, l'intensité, l'extension spatiale maximale ou la sévérité permettent de compléter la description des MHWs. Au cours de cette thèse et en fonction des applications, la méthode de détection est appliquée à différents types de données : observations in-situ aux bouées, produit satellitaire et différents modèles haute résolution et couplés haute fréquence du système climatique régional (RCSMs pour Regional Climate System Model en anglais) y compris le nouveau modèle CNRM-RCSM6 et l'ensemble Med-CORDEX multi-modèle (5) et multi-scénarios (3). L'algorithme de détection est d'abord testé sur la MHW de 2003 afin de montrer qu'il est peu sensible aux différents paramètres de réglage. L'évaluation des simulations rétrospectives et historiques montrent que les RCSMs sont capables dans l'ensemble de bien reproduire l'occurrence et les caractéristiques des MHWs observées par satellite. Nous étudions ensuite la variabilité passée des MHWs de surface (1982-2017) ainsi que leurs facteurs explicatifs en utilisant le modèle CNRM-RCSM6. Nous examinons, leurs caractéristiques entre 20-55 m de profondeur, là où la plupart des mortalités de masse liées au stress thermique des écosystèmes méditerranéens ont été observées dans le passé. L'analyse indique une augmentation de la durée et de l'intensité des évènements de surface au fil du temps, tandis que les MHWs de 2003, 2012 et 2015 sont détectées comme les évènements les plus sévères de la période. Par ailleurs, pour la canicule 2003 des différences importantes dans la contribution des échanges air-mer et de la diffusion vertical de chaleur sont mis en évidence pour les différents sous-bassins méditerranéens. Nous montrons également que la tension de vent joue un rôle clé sur l'intensité des anomalies de température en surface ainsi que leur propagation verticale. Enfin, nous utilisons l'ensemble Med-CORDEX de RCSMs pour évaluer l'évolution future des MHWs dans la région sur la période 1976-2100. Nos résultats suggèrent des évènements plus longs et plus sévères au fur et à mesure que le réchauffement climatique s'intensifie. D'ici à 2100 et dans le cadre du scénario le plus pessimiste (RCP8.5), les simulations projettent au moins une MHW de longue durée chaque année, jusqu'à 3 mois plus longue, environ 4 fois plus intense et 40 fois plus sévère que les évènements actuels. On s'attend à ce qu'elles se produisent entre juin et octobre, affectant au plus fort de leur extension l'ensemble du bassin. Cette évolution s'explique principalement par une augmentation de la TSM moyenne, mais l'augmentation de la variabilité quotidienne de la TSM joue également un rôle notable. Jusqu'au milieu du 21ème siècle, les caractéristiques des MHWs augmentent indépendamment du choix du scénario d'émission, dont l'influence devient plus évidente à la fin de la période. Enfin, l'analyse individuelle des modèles révèle différentes familles de réponses au changement climatique. Ces différences s'expliquent plus probablement par le choix du modèle global forçant, plutôt que par les biais individuels des modèles régionaux.The Mediterranean Sea is considered a "Hot Spot" region for future climate change and depending on the greenhouse emission scenario, the annual mean basin sea surface temperature (SST) is expected to increase from +1.5 °°C to +3 °°C at the end of the 21st century relative to present-day. This significant SST rise is likely to intensify episodes of extreme warm ocean temperatures in the basin, named as Marine heatwaves (MHWs), that are known to exert substantial pressure on marine ecosystems and related fisheries around the world. In this context, the main aim of this PhD work is to study the past variability and future evolution of MHWs in the Mediterranean Sea. We propose a detection method for long lasting and large-scale summer MHWs, using a local, climatological 99th percentile threshold, based on present-climate daily SST. MHW probability of occurrence and characteristics in terms of spatial variability and temporal evolution are then investigated, using additional integrated indicators (e.g. duration, intensity, spatial extension, severity) to describe past and future events. Within the PhD and depending on the applications, the detection method is applied to various datasets : In-situ observation at buoys, high-resolution satellite product, various high- resolution and fully-coupled Regional Climate System Models including the recently developed CNRM-RCSM6 and the multi-model (5), multi-scenario (3) Med-CORDEX ensemble. The detection method is first tested on the 2003 MHW in order to assess its sensitivity to various tuning parameters. We conclude that its characterization is partly sensitive to the algorithm setting. Hindcast and historical mode simulations show that models are able to capture well observed MHW characteristics. We then assess past surface MHW variability (1982-2017) and their underlying driving mechanisms using the CNRM-RCSM6 model. We examine their characteristics from surface to 55m depth, where most thermal stress-related mass mortalities of Mediterranean ecosystems have been observed in the past. The analysis indicates an increase in duration and intensity of surface events with time, while MHWs of 2003, 2012 and 2015 are identified as the most severe events of the period. In particular, an anomalous increase in shortwave radiation and a lower-than-normal vertical diffusion and latent heat loss appeared to be responsible for the development of the MHW 2003, with wind playing a key role in the intensity of temperature anomalies at the sea surface. Differences on the dominant forcing, however, are sometimes evident in the different subbasin.We finally use the Med-CORDEX RCSM ensemble to assess the future MHW evolution in the basin over 1976-2100. Our results suggest longer and more severe events with higher global-warming rates. By 2100 and under RCP8.5, simulations project at least one long- lasting MHW every year, up to 3 months longer, about 4 times more intense and 42 times more severe than present-day events. Their occurrence is expected between June-October affecting at peak the entire basin. Their evolution is found to mainly occur due to an increase in the mean SST but an increase in daily SST variability plays also a noticeable role. Up to mid-21st century MHW characteristics rise independently of the choice of the emission scenario, whose influence becomes more evident by the end of the period

Canicules océaniques en Méditerranée : détection, variabilité passée et évolution future

The Mediterranean Sea is considered a "Hot Spot" region for future climate change and depending on the greenhouse emission scenario, the annual mean basin sea surface temperature (SST) is expected to increase from +1.5 °°C to +3 °°C at the end of the 21st century relative to present-day. This significant SST rise is likely to intensify episodes of extreme warm ocean temperatures in the basin, named as Marine heatwaves (MHWs), that are known to exert substantial pressure on marine ecosystems and related fisheries around the world. In this context, the main aim of this PhD work is to study the past variability and future evolution of MHWs in the Mediterranean Sea. We propose a detection method for long lasting and large-scale summer MHWs, using a local, climatological 99th percentile threshold, based on present-climate daily SST. MHW probability of occurrence and characteristics in terms of spatial variability and temporal evolution are then investigated, using additional integrated indicators (e.g. duration, intensity, spatial extension, severity) to describe past and future events. Within the PhD and depending on the applications, the detection method is applied to various datasets : In-situ observation at buoys, high-resolution satellite product, various high- resolution and fully-coupled Regional Climate System Models including the recently developed CNRM-RCSM6 and the multi-model (5), multi-scenario (3) Med-CORDEX ensemble. The detection method is first tested on the 2003 MHW in order to assess its sensitivity to various tuning parameters. We conclude that its characterization is partly sensitive to the algorithm setting. Hindcast and historical mode simulations show that models are able to capture well observed MHW characteristics. We then assess past surface MHW variability (1982-2017) and their underlying driving mechanisms using the CNRM-RCSM6 model. We examine their characteristics from surface to 55m depth, where most thermal stress-related mass mortalities of Mediterranean ecosystems have been observed in the past. The analysis indicates an increase in duration and intensity of surface events with time, while MHWs of 2003, 2012 and 2015 are identified as the most severe events of the period. In particular, an anomalous increase in shortwave radiation and a lower-than-normal vertical diffusion and latent heat loss appeared to be responsible for the development of the MHW 2003, with wind playing a key role in the intensity of temperature anomalies at the sea surface. Differences on the dominant forcing, however, are sometimes evident in the different subbasin.We finally use the Med-CORDEX RCSM ensemble to assess the future MHW evolution in the basin over 1976-2100. Our results suggest longer and more severe events with higher global-warming rates. By 2100 and under RCP8.5, simulations project at least one long- lasting MHW every year, up to 3 months longer, about 4 times more intense and 42 times more severe than present-day events. Their occurrence is expected between June-October affecting at peak the entire basin. Their evolution is found to mainly occur due to an increase in the mean SST but an increase in daily SST variability plays also a noticeable role. Up to mid-21st century MHW characteristics rise independently of the choice of the emission scenario, whose influence becomes more evident by the end of the period.L'objectif principal de ce travail de thèse est d'étudier la variabilité passée et l'évolution future des épisodes de températures océaniques anormalement chaudes en Méditerranée. Ces évènements, appelés canicules océaniques ou Marine Heatwaves en anglais (MHW), sont connues pour exercer une pression considérable sur les écosystèmes marins et les pêcheries associées un peu partout dans le monde. Nous proposons une nouvelle méthode de détection automatique des MHWs d'été basée sur le 99ème centile de la température quotidienne de la surface de la mer (TSM) en climat présent et tenant compte de la diversité géographique de la zone. La probabilité d'occurrence des MHWs et leurs caractéristiques spatio-temporelles sont ensuite étudiées. D'autres indicateurs intégrés tels que la durée, l'intensité, l'extension spatiale maximale ou la sévérité permettent de compléter la description des MHWs. Au cours de cette thèse et en fonction des applications, la méthode de détection est appliquée à différents types de données : observations in-situ aux bouées, produit satellitaire et différents modèles haute résolution et couplés haute fréquence du système climatique régional (RCSMs pour Regional Climate System Model en anglais) y compris le nouveau modèle CNRM-RCSM6 et l'ensemble Med-CORDEX multi-modèle (5) et multi-scénarios (3). L'algorithme de détection est d'abord testé sur la MHW de 2003 afin de montrer qu'il est peu sensible aux différents paramètres de réglage. L'évaluation des simulations rétrospectives et historiques montrent que les RCSMs sont capables dans l'ensemble de bien reproduire l'occurrence et les caractéristiques des MHWs observées par satellite. Nous étudions ensuite la variabilité passée des MHWs de surface (1982-2017) ainsi que leurs facteurs explicatifs en utilisant le modèle CNRM-RCSM6. Nous examinons, leurs caractéristiques entre 20-55 m de profondeur, là où la plupart des mortalités de masse liées au stress thermique des écosystèmes méditerranéens ont été observées dans le passé. L'analyse indique une augmentation de la durée et de l'intensité des évènements de surface au fil du temps, tandis que les MHWs de 2003, 2012 et 2015 sont détectées comme les évènements les plus sévères de la période. Par ailleurs, pour la canicule 2003 des différences importantes dans la contribution des échanges air-mer et de la diffusion vertical de chaleur sont mis en évidence pour les différents sous-bassins méditerranéens. Nous montrons également que la tension de vent joue un rôle clé sur l'intensité des anomalies de température en surface ainsi que leur propagation verticale. Enfin, nous utilisons l'ensemble Med-CORDEX de RCSMs pour évaluer l'évolution future des MHWs dans la région sur la période 1976-2100. Nos résultats suggèrent des évènements plus longs et plus sévères au fur et à mesure que le réchauffement climatique s'intensifie. D'ici à 2100 et dans le cadre du scénario le plus pessimiste (RCP8.5), les simulations projettent au moins une MHW de longue durée chaque année, jusqu'à 3 mois plus longue, environ 4 fois plus intense et 40 fois plus sévère que les évènements actuels. On s'attend à ce qu'elles se produisent entre juin et octobre, affectant au plus fort de leur extension l'ensemble du bassin. Cette évolution s'explique principalement par une augmentation de la TSM moyenne, mais l'augmentation de la variabilité quotidienne de la TSM joue également un rôle notable. Jusqu'au milieu du 21ème siècle, les caractéristiques des MHWs augmentent indépendamment du choix du scénario d'émission, dont l'influence devient plus évidente à la fin de la période. Enfin, l'analyse individuelle des modèles révèle différentes familles de réponses au changement climatique. Ces différences s'expliquent plus probablement par le choix du modèle global forçant, plutôt que par les biais individuels des modèles régionaux

Sub-chapter 1.2.3. The Mediterranean Sea in the future climate projections

Introduction As a semi-enclosed and highly evaporative basin, the Mediterranean Sea has a specific thermohaline circulation characterized by deep convection in certain zones (Gulf of Lion, the Adriatic, Levantine and Aegean Seas). The contrast between the fresher (hence lighter) waters west of the Strait of Gibraltar compared to the saltier (hence heavier) Mediterranean waters east of it, is the principal forcing of the outflowing water vein and the compensating inflow of light Atlantic water..

Marine cold-spells

International audienceCharacterising ocean temperature variability and extremes is fundamental for understanding the thermal bounds in which marine ecosystems have adapted. While there is growing evidence of how marine heatwaves threaten marine ecosystems, prolonged periods of extremely cold ocean temperatures, marine cold-spells, have received less global attention. We synthesize the literature on cold ocean temperature extremes and their ecological impacts and physical mechanisms. Ecological impacts of these events were observed across a range of species and biophysical processes, including mass mortalities, range shifts, marine habitat loss, and altered phenology. The development of marine cold-spells is often due to windinduced ocean processes, but a range of physical mechanisms are documented in the literature. Given the need for consistent comparison of marine cold-spells, we develop a definition for detecting these events from temperature time series and for classifying them into four categories. This definition is used to consistently detect marine cold-spells globally over the satellite record and to compare the characteristics of notable cold events. Globally, marine cold-spells' occurrence, duration, and intensity are decreasing, with some areas, such as the Southern Ocean, showing signs of increase over the past 15 years. All marine coldspell categories are affected by these decreases, with the exception of "IV Extreme" events, which were so rare that there has been little decrease. While decreasing occurrences of marine cold-spells could be viewed as providing a beneficial reduction in cold stress for marine ecosystems, fewer cold spells will alter the temperature regime that marine ecosystems experience and could have important consequences on ecological structure and function

Future evolution of Marine Heatwaves in the Mediterranean Sea

International audienceExtreme ocean warming events, known as marine heatwaves (MHWs), have been observed to perturb significantly marine ecosystems and fisheries around the world. Here, we propose a detection method for long-lasting and large-scale summer MHWs, using a local, climatological 99th percentile threshold, based on present-climate (1976-2005) daily SST. To assess their future evolution in the Mediterranean Sea we use, for the first time, a dedicated ensemble of fully-coupled Regional Climate System Models from the Med-CORDEX initiative and a multi-scenario approach. The models appear to simulate well MHW properties during historical period, despite biases in mean and extreme SST. In response to increasing greenhouse gas forcing, the events become stronger and more intense under RCP4.5 and RCP8.5 than RCP2.6. By 2100 and under RCP8.5, simulations project at least one long-lasting MHW every year, up to three months longer, about 4 times more intense and 42 times more severe than present-day events. They are expected to occur from June-October and to affect at peak the entire basin. Their evolution is found to occur mainly due to an increase in the mean SST, but increased daily SST variability also plays a noticeable role. Until the mid-21st century, MHW characteristics rise independently of the choice of the emission scenario, the influence of which becomes more evident by the end of the period. Further analysis reveals different climate change responses in certain configurations, more likely linked to their driving global climate model rather than to the individual model biases

An exceptional phytoplankton bloom in the southeast Madagascar Sea driven by African dust deposition

This is the final version. Available from Oxford University Press via the DOI in this record. Data Availability: All data are included in the manuscript's Materials and Methods and Supplementary material sections.Rising surface temperatures are projected to cause more frequent and intense droughts in the world's drylands. This can lead to land degradation, mobilization of soil particles, and an increase in dust aerosol emissions from arid and semi-arid regions. Dust aerosols are a key source of bio-essential nutrients, can be transported in the atmosphere over large distances, and ultimately deposited onto the ocean's surface, alleviating nutrient limitation and increasing oceanic primary productivity. Currently, the linkages between desertification, dust emissions and ocean fertilization remain poorly understood. Here, we show that dust emitted from Southern Africa was transported and deposited into the nutrient-limited surface waters southeast of Madagascar, which stimulated the strongest phytoplankton bloom of the last two decades during a period of the year when blooms are not expected. The conditions required for triggering blooms of this magnitude are anomalous, but current trends in air temperatures, aridity, and dust emissions in Southern Africa suggest that such events could become more probable in the future. Together with the recent findings on ocean fertilization by drought-induced megafires in Australia, our results point toward a potential link between global warming, drought, aerosol emissions, and ocean blooms.UK Research and InnovationEuropean Space AgencyEuropean Union's Horizon 2020European Space AgencyUK National Capability projectUK Global Challenges Research Fun

The Mediterranean region under climate change

This book has been published by Allenvi (French National Alliance for Environmental Research) to coincide with the 22nd Conference of Parties to the United Nations Framework Convention on Climate Change (COP22) in Marrakesh. It is the outcome of work by academic researchers on both sides of the Mediterranean and provides a remarkable scientific review of the mechanisms of climate change and its impacts on the environment, the economy, health and Mediterranean societies. It will also be valuable in developing responses that draw on “scientific evidence” to address the issues of adaptation, resource conservation, solutions and risk prevention. Reflecting the full complexity of the Mediterranean environment, the book is a major scientific contribution to the climate issue, where various scientific considerations converge to break down the boundaries between disciplines