Thèse les Vagues de Chaleur Marines en Méditerranée Occidentale et leur Influence sur les Fortes Précipitations en Europe H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDU2E - Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace Laboratoire de recherche : LEGOS - Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiale Direction de la thèse : Lionel RENAULT ORCID 0000000230012091 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 La Méditerranée occidentale est un point chaud à la fois pour les canicules marines (MHWs) et pour les événements de précipitations extrêmes, incluant medicanes et crues éclair sur le sud de la France, l'Italie et l'Espagne. La fréquence, l'intensité et la durée des MHWs y ont fortement augmenté, tandis que les anomalies chaudes de température de surface (SST) et de contenu thermique océanique sont régulièrement invoquées comme amplificateurs des pluies extrêmes. La DANA de Valence d'octobre 2024 a suivi un été record : l'attribution rapide indique des précipitations environ 12 % plus intenses et un événement deux fois plus probable, mais attribue ce signal au réchauffement global plutôt qu'à la MHW qui l'a précédé, sans proposer de mécanisme.

Les expériences existantes de sensibilité à la SST en Méditerranée imposent presque toujours des décalages uniformes, ce qui revient à confondre une MHW avec un réchauffement moyen. Cette approche supprime les gradients de SST qui pilotent l'ajustement de pression dans la couche limite et la convergence d'humidité de basses couches, et suppose un réservoir de chaleur inépuisable, alors que les MHWs réelles sont souvent peu profondes et stratifiées, érodées par les vents mêmes qui les exploitent. Ce projet traite au contraire la MHW comme un état océanique structuré, fini et transitoire.

L'hypothèse centrale est que la réponse précipitante à une MHW méditerranéenne n'est pas contrôlée par l'amplitude de l'anomalie de SST, mais par le contenu thermique de l'océan superficiel disponible au-dessus du seuil convectif, médié par la couche limite atmosphérique. Le projet quantifiera comment les anomalies de SST et de contenu thermique modifient la répartition entre flux de chaleur sensible et latente (rapport de Bowen), et comment cette répartition dépend de l'état thermodynamique de la masse d'air advectée au-dessus de l'anomalie, y compris l'humidité de la troposphère libre ; comment ces anomalies de flux se traduisent en stabilité statique, humidification de la couche limite et précipitations ; et comment des coefficients de couplage air-mer diagnostiquent l'intensité du couplage selon les saisons et les régimes synoptiques. L'évolution future de ce lien MHW-précipitations sera également évaluée.

La méthodologie combine diagnostics observationnels (ERA5, OSTIA, bouées, Argo/gliders) et une hiérarchie de simulations couplées et forcées à haute résolution (CROCO-WRF-OASIS ; atmosphère 2,5 km, océan 1-2 km, couplage ~10 min) sur 4-6 cas automnaux. Des simulations forcées à SST échangée reproduisent la configuration de la littérature existante, tandis que des simulations couplées initialisées à partir d'anomalies 3D réalistes autorisent le refroidissement par entraînement et la formation de sillages froids ; leur différence isole la rétroaction air-mer. Des simulations appariées à SST identique mais structure sub-surface contrastée testent le contrôle par le contenu thermique ; des expériences de suppression de mécanisme séparent humidification et déstabilisation ; le marquage de l'humidité attribue les précipitations à l'évaporation au-dessus de l'anomalie. La Méditerranée occidentale concentre deux phénomènes extrêmes dont la fréquence augmente rapidement : les canicules marines (MHWs) et les épisodes de précipitations intenses (medicanes et crues éclair sur le sud de la France, l'Italie et l'Espagne). Les anomalies chaudes de température de surface (SST) et de contenu thermique océanique sont régulièrement invoquées comme amplificateurs de ces pluies extrêmes, via un apport accru d'humidité et d'énergie à l'atmosphère sus-jacente. La DANA de Valence d'octobre 2024, survenue après un été record, illustre à la fois l'importance et les limites de cette compréhension : l'attribution rapide indique des précipitations environ 12 % plus intenses et un événement deux fois plus probable, mais rattache ce signal au réchauffement global plutôt qu'à la canicule marine qui l'a précédé, sans proposer de chaîne mécanistique.

Cette lacune tient largement à la conception des études existantes. Les expériences de sensibilité à la SST en Méditerranée imposent presque systématiquement des décalages spatialement uniformes, ce qui revient à confondre une canicule marine avec un réchauffement moyen. Une telle approche élimine par construction les gradients de SST qui pilotent l'ajustement de pression dans la couche limite et la convergence d'humidité de basses couches, et suppose un réservoir de chaleur inépuisable, alors que les canicules marines réelles sont souvent peu profondes et fortement stratifiées, donc vulnérables au refroidissement par entraînement sous les vents mêmes qui les exploitent. La question de savoir si l'anomalie survit à l'événement qui la sollicite reste ainsi hors de portée de ce type de dispositif.

Le chemin mécanistique reliant une canicule marine donnée aux précipitations extrêmes en aval, et les conditions sous lesquelles ce couplage est fort ou faible, demeurent donc mal quantifiés.

The western Mediterranean concentrates two extreme phenomena whose frequency is increasing rapidly: marine heatwaves (MHWs) and intense precipitation episodes (medicanes and flash floods over southern France, Italy and Spain). Warm anomalies in sea surface temperature (SST) and in ocean heat content are regularly invoked as amplifiers of these extreme rainfalls, through an increased supply of moisture and energy to the overlying atmosphere. The Valencia DANA of October 2024, which occurred after a record summer, illustrates both the importance and the limits of this understanding: rapid attribution indicates precipitation roughly 12% more intense and an event twice as likely, but ties this signal to global warming rather than to the marine heatwave that preceded it, without proposing a mechanistic chain.

This gap stems largely from the design of existing studies. SST sensitivity experiments in the Mediterranean almost systematically impose spatially uniform offsets, which amounts to conflating a marine heatwave with a mean warming. Such an approach eliminates by construction the SST gradients that drive pressure adjustment in the boundary layer and low-level moisture convergence, and assumes an inexhaustible heat reservoir, whereas real marine heatwaves are often shallow and strongly stratified, hence vulnerable to entrainment cooling beneath the very winds that exploit them. The question of whether the anomaly survives the event that draws on it thus remains beyond the reach of this type of setup.

The mechanistic pathway linking a given marine heatwave to downstream extreme precipitation, and the conditions under which this coupling is strong or weak, therefore remain poorly quantified.

1. Quantifier la manière dont les anomalies de température de surface de la mer (SST) et de contenu thermique induites par les vagues de chaleur marines (MHW) modifient la répartition entre le flux de chaleur sensible (SHF) et le flux de chaleur latente (LHF), et comment cette répartition (exprimée par le rapport de Bowen, = SHF/LHF) dépend de l'état thermodynamique de la masse d'air advectée au-dessus de l'anomalie, en tenant compte à la fois des caractéristiques de la couche limite et de l'humidité de la troposphère libre.
2. Déterminer comment les anomalies de flux se traduisent par des modifications de la stabilité statique de la basse troposphère, de l'humidification de la couche limite et des précipitations.
3. Élaborer et évaluer des coefficients de couplage air-mer (par exemple, régression ou covariance des anomalies de flux turbulents par rapport aux anomalies de SST) comme indicateurs de l'intensité du couplage selon les saisons et les régimes synoptiques.
4. Évaluer l'évolution projetée de la fréquence et des caractéristiques de ce mécanisme reliant les VCM aux fortes précipitations, à mesure que les MHW deviennent plus fréquentes et plus intenses sous l'effet du changement climatique.

1. Quantify how sea surface temperature (SST) and heat content anomalies induced by marine heatwaves (MHWs) modify the partitioning between sensible heat flux (SHF) and latent heat flux (LHF), and how this partitioning (expressed by the Bowen ratio, = SHF/LHF) depends on the thermodynamic state of the air mass advected over the anomaly, accounting for both boundary-layer characteristics and free-tropospheric humidity.
2. Determine how flux anomalies translate into changes in lower-tropospheric static stability, boundary-layer moistening and precipitation.
3. Develop and evaluate air-sea coupling coefficients (e.g. regression or covariance of turbulent flux anomalies against SST anomalies) as indicators of coupling strength across seasons and synoptic regimes.
4. Assess the projected evolution of the frequency and characteristics of this mechanism linking MHWs to heavy precipitation, as MHWs become more frequent and more intense under climate change.
Trois volets:
1. Diagnostics observationnels: Un catalogue d'événements MHW et de précipitations extrêmes sera construit à partir d'ERA5 et des SST satellitaires (OSTIA), composité sur les flux turbulents, la hauteur de couche limite et les profils d'humidité, stratifié par régime synoptique et par saison.

2. Expériences de sensibilité: À partir des configurations existantes des encadrants, une hiérarchie de simulations couplées et forcées (CROCO-WRF-OASIS ; atmosphère 2,5 km, océan 1-2 km, couplage ~10 min) sera appliquée à 4-6 cas automnaux, validés contre radar, bouées et profils Argo. Les simulations forcées à SST échangée reproduiront le dispositif de la littérature ; les simulations couplées, initialisées à partir d'anomalies 3D réalistes, autoriseront entraînement et sillages froids, leur différence isolant la rétroaction air-mer. Des simulations appariées à SST identique mais sub-surface contrastée testeront le contrôle par le contenu thermique ; le marquage de l'humidité attribuera la pluie à l'évaporation au-dessus de l'anomalie. Des ensembles appariés (10 membres) seront réservés aux niveaux principaux sur 2-3 cas centraux. Des deltas *pseudo-global-warming* traiteront l'objectif de projection.

3. Coefficients de coupalge: Régressions flux-SST aux échelles sub-journalière à synoptique, comparées aux estimations régionales et globales, en testant la sensibilité au vent, aux gradients air-mer et à la stabilité.

Three components:
Observational diagnostics: A catalogue of MHW and extreme precipitation events will be built from ERA5 and satellite SSTs (OSTIA), composited on turbulent fluxes, boundary-layer height and humidity profiles, stratified by synoptic regime and by season.

Sensitivity experiments: Starting from the supervisors' existing configurations, a hierarchy of coupled and forced simulations (CROCO-WRF-OASIS; atmosphere 2.5 km, ocean 1-2 km, coupling ~10 min) will be applied to 4-6 autumn cases, validated against radar, buoys and Argo profiles. Forced simulations with swapped SST will reproduce the setup used in the literature; coupled simulations, initialised from realistic 3D anomalies, will allow entrainment and cold wakes, their difference isolating the air-sea feedback. Paired simulations with identical SST but contrasting subsurface will test heat-content control; moisture tagging will attribute rainfall to evaporation over the anomaly. Paired ensembles (10 members) will be reserved for the main levels on 2-3 central cases. Pseudo-global-warming deltas will address the projection objective.

Coupling coefficients: Flux-SST regressions from sub-daily to synoptic scales, compared with regional and global estimates, testing sensitivity to wind, air-sea gradients and stability.

- Master 2/Ecole d'ingénieur (ou équivalent) en océanographie physique, sciences de l'atmosphère, climat, ou physique/mécanique des fluides avec un intérêt marqué pour les géosciences
Solides bases en dynamique des fluides géophysiques et en thermodynamique atmosphérique (couche limite, flux turbulents air-mer)
- Intérêt pour la modélisation numérique océanique et/ou atmosphérique ; une première expérience avec un modèle régional (CROCO, ROMS, NEMO, WRF, MesoNH...) serait un atout, mais n'est pas exigée
- Goût pour l'analyse de données : observations satellitaires (SST, altimétrie), réanalyses (ERA5), mesures in situ (bouées, Argo, gliders)
- Compétences en programmation scientifique (Python de préférence, ou Matlab/Fortran) et en traitement de grands jeux de données ; une familiarité avec le calcul haute performance et l'environnement Linux serait appréciée
- Bases en statistiques appliquées (composites, régressions, tests de significativité, etc
- Autonomie, rigueur et curiosité scientifique ; capacité à travailler dans un projet à l'interface océan-atmosphère
-Bonne maîtrise de l'anglais scientifique, à l'écrit comme à l'oral (présentations en congrès internationaux, rédaction d'articles)

Application link: https://edd-projets.utoulouse.fr/

• Statistiques
• Python
• Programmation
• Anglais
• Calcul haute performance
• Autonomie
• Analyse de données
• Mécanique des fluides
• Fortran
• Linux
• Altimétrie