Characterizing, modelling and understanding the climate variability of the deep water formation in the North-Western Mediterranean Sea

• Published in: Climate Dynamics
• Main Authors: Somot, Samuel, Houpert, Loïc, Sevault, Florence, Testor, Pierre, Bosse, Anthony, Taupier-Letage, Isabelle, Bouin, Marie-Noëlle, Waldman, Robin, Cassou, Christophe, Sanchez-Gomez, Emilia, Durrieu de Madron, Xavier, Adloff, Fanny, Nabat, Pierre, Herrmann, Marine
• Other Authors: Groupe d'étude de l'atmosphère météorologique (CNRM-GAME), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Météo France-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Scotish Marine Institute, SAMS, Variabilité de l'Océan et de la Glace de mer (VOG), Laboratoire d'Océanographie et du Climat : Expérimentations et Approches Numériques (LOCEAN), Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636)), École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636)), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU), Institut méditerranéen d'océanologie (MIO), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Aix Marseille Université (AMU)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Toulon (UTLN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire d'Océanographie Physique et Spatiale (LOPS), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer (IFREMER)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), CERFACS Toulouse, Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de Formation et de Recherche sur les Environnements Méditérranéens (CEFREM), Université de Perpignan Via Domitia (UPVD)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire d'études en Géophysique et océanographie spatiales (LEGOS), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP), Météo France-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Météo France-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-12-BS06-0003,ASICS-MED,Couplage Océan-Atmosphère en présence de structures de Submésoéchelle(2012), ANR-12-SENV-0001,REMEMBER,Compréhension et modélisation du système climatique régional couplé pour la prévention des risques hydrométéorologiques en Méditerranée dans un contexte de changement global(2012)
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: HAL CCSD 2018
• Subjects: Climate trends; Open-sea deep convection; Interannual variability; Mediterranean Sea; Deep water formation; Regional climate models; [SDU.OCEAN]Sciences of the Universe [physics]/Ocean; Atmosphere; [SDU.STU.CL]Sciences of the Universe [physics]/Earth Sciences/Climatology; North Atlantic; North Atlantic oscillation
• Online Access: https://hal-univ-perp.archives-ouvertes.fr/hal-01374058; https://doi.org/10.1007/s00382-016-3295-0

Observing, modelling and understanding the climate-scale variability of the deep water formation (DWF) in the North-Western Mediterranean Sea remains today very challenging. In this study, we first characterize the interannual variability of this phenomenon by a thorough reanalysis of observations in order to establish reference time series. These quantitative indicators include 31 observed years for the yearly maximum mixed layer depth over the period 1980–2013 and a detailed multi-indicator description of the period 2007–2013. Then a 1980–2013 hindcast simulation is performed with a fully-coupled regional climate system model including the high-resolution representation of the regional atmosphere, ocean, land-surface and rivers. The simulation reproduces quantitatively well the mean behaviour and the large interannual variability of the DWF phenomenon. The model shows convection deeper than 1000 m in 2/3 of the modelled winters, a mean DWF rate equal to 0.35 Sv with maximum values of 1.7 (resp. 1.6) Sv in 2013 (resp. 2005). Using the model results, the winter-integrated buoyancy loss over the Gulf of Lions is identified as the primary driving factor of the DWF interannual variability and explains, alone, around 50 % of its variance. It is itself explained by the occurrence of few stormy days during winter. At daily scale, the Atlantic ridge weather regime is identified as favourable to strong buoyancy losses and therefore DWF, whereas the positive phase of the North Atlantic oscillation is unfavourable. The driving role of the vertical stratification in autumn, a measure of the water column inhibition to mixing, has also been analyzed. Combining both driving factors allows to explain more than 70 % of the interannual variance of the phenomenon and in particular the occurrence of the five strongest convective years of the model (1981, 1999, 2005, 2009, 2013). The model simulates qualitatively well the trends in the deep waters (warming, saltening, increase in the dense water volume, increase in the bottom water ...