Dissertationen zum Thema „Circulation océanique – Méditerranée (mer ; est)“

Imbriquee entre l'europe, l'asie et l'afrique, la mediterranee a ete pendant des milliers d'annees le berceau de la civilisation. De nos jours, c'est encore l'une des mers les plus frequentees du monde. L'etude oceanographique de la mediterranee est tres interessante a cause de l'activite importante de sa circulation thermohaline et de la presence de plusieurs zones de formation d'eau profonde. Depuis quelques annees, de nombreux travaux ont ete effectues pour mieux comprendre la circulation dans les differents bassins de la mediterranee. Pourtant, on ne dispose que de tres peu de donnees in-situ sur l'ensemble de cette mer. L'arrivee de donnees satellitaires a permis de combler en partie ce manque et d'obtenir une couverture dense et complete de mesures. Ce travail a pour but d'assimiler des donnees altimetriques sur l'ensemble de la mediterranee dans un modele aux equations primitives au 1/4. Dans un premier temps, on a ete amene a faire une simulation climatologique de 10 ans afin d'obtenir un etat initial stable pour les simulations suivantes. Dans un deuxieme temps, on a utilise des forcages atmospheriques realistes a haute frequence cepmmt (centre europeen de previsions meteorologiques a moyen terme) pour une simulation sur deux ans (1992-93). Ensuite, on a compare les sorties du modele avec des donnees altimetriques topex-poseidon. Enfin, on a assimile ces donnees sur l'annee 1993 dans le modele en utilisant la methode statistique des modes empiriques verticaux. Cette methode a ete utilisee par dombrowsky et de mey (1992) dans l'atlantique nord-est en utilisant un modele quasi-geostrophique. Ces modes ont ete calcules a partir des sorties du modele, sur l'annee 93, force avec les donnees cepmmt. Les resultats d'assimilation montrent une certaine habilete du modele au 1/4 a reproduire la circulation et a la predire sur 7-14 jours. Un certain nombre d'etude de sensibilite ont ensuite ete menees: influence d'ers-1 sur l'assimilation, choix des parametres statistiques, localisation des modes empiriques, fonctionnement en mode lisseur, choix des forcages et influence des biais en particulier

Une estimation précise de la circulation de surface est cruciale en raison de son impact direct sur les propriétés physiques et bio-géochimiques du du milieu marin. Cependant, l’estimation des courants reste un défi car le champ de circulation est affecté par des flux qui changent rapidement. Ce problème s’accentue en Méditerranée orientale, où les observations in-situ sont relativement rares et où les imprécisions des observations altimétriques augmentent. Par conséquent, certaines des caractéristiques de méso-échelle sont encore débattues ou inconnues, en particulier dans le bassin levantin. L’objectif de la thèse est de caractériser ces structures méso-échelles hautement évolutives dans la mer Méditerranée. Dans la première partie de la thèse, nous présentons une méthode d’assimilation variationnelle qui fusionne l’altimétrie satellitaire avec les observations des bouées pour améliorer la représentation de la circulation de surface le long et autour des trajectoires des bouées assimilées. Nous évaluons l’efficacité de la méthode en comparant les vitesses résultant de l’assimilation avec des observations in-situ indépendantes et des images couleur de l’océan. Nous utilisons ensuite les vitesses corrigées pour caractériser les événements locaux et à court terme qui se produisent dans le bassin du Levant. Cependant, en raison des lacunes spatio-temporelles importantes dans la couverture des bouées, l’assimilation ne permet pas une investigation continue de toutes les structures mésoéchelles et de leurs variabilités à long terme dans le bassin. Dans la deuxième partie de la thèse, nous présentons des techniques de “machine learning” qui seront utilisées pour construire un catalogue des différents régimes de circulation dans le bassin levantin, permettant ainsi la caractérisation à long terme de ces structures. Nous essayons également d’expliquer les raisons possibles derrière les évaluations contradictoires précédentes de certaines structures, comme par exemple, le “Mid-Mediterranean Jet”. Les résultats obtenus dans cette thèse améliorent la connaissance des caractéristiques,des comportements et des tendances des principales structures méso-échelle. Les applications de la thèse pourraient tirer profit d’autres observations in-situ et de futures missions altimétriques comme SWOT, promettant ainsi de pallier certaines des lacunes actuelles de l’altimétrie
An accurate estimation of the surface circulation is crucial because of its direct impact on physical and bio-geochemical water properties. However, currents estimation remains challenging because the stream field is affected by quickly changing flows. This problem increases in the Eastern Mediterranean Sea, where in-situ observations are relatively scarce and the inaccuracies of altimetric observations increase. Therefore, some of the mesoscale features are still debated or unknown, especially in the Levantine Basin. The thesis goal is to characterize these highly-evolving mesoscale features. In the first part of the thesis, we present a variational assimilation method that merges altimetry with drifters to improve the surface circulation representation along and around the assimilated drifters’ trajectories. We assess the method’s efficiency by comparing the velocities resulting from assimilation with independent in-situ observations and ocean color images. We use the corrected velocities to characterize short-term and local events occurring in the Levantine Basin. However, because of the significant spatio-temporal gaps in drifters’ coverage, the assimilation does not allow a continuous investigation of all the mesoscale patterns and their long-term variabilities in the basin. In the second part of the thesis, we use machine learning techniques to build a catalog of the several circulation regimes in the Levantine Basin, providing a long-term characterization of these features. We also try to explain the possible reasons behind previous contradictory assessments about some features, such as the Mid-Mediterranean Jet. The obtained results in the thesis improve the knowledge of the main mesoscale features’ characteristics, behaviors, and tendencies. The thesis applications could take advantage of other in-situ observations and of future altimetric missions like SWOT, promising to mitigate some of the actual altimetric shortcomings

En zones pré-littorales micro tidales (entre -2 m et -90 m de profondeur), lors d'événements de tempête, caractérisés par la présence de fortes houles, les modèles de circulation côtière "classiques" n'arrivent pas à reproduire les courants 3D mesurés. Le but de cette étude est de mettre en place un modèle numérique tridimentionnel, nommé RESYFE, capable de rendre compte des effets de la houle sur la circulation lors des tempêtes. Pour ce faire deux modèles largement validés, SYMPHONIE et REF/DIF, ont été couplés suivant la théorie développée par Mellor (2003). Après avoir réalisé différentes études de sensibilité du modèle RESYFE, les résultats du modèle ont été confrontés à des mesures de courant réalisées durant deux tempêtes distinctes dans le golfe du Lion, l'une en novembre 1999 dans la baie de Banyuls et l'autre en février 2004 devant l'embouchure de la Têt. Une application sur le golfe d'Aigues-Mortes permet de rendre compte de l'effet des tempêtes académiques sur le transport sédimentaire modélisé selon Soulsby (1997). Enfin, l'utilisation de RESYFE sur une application au Jurassique, montre qu'un tel modèle peut aussi permettre de confirmer les hypothèses des sédimentologues
Classical coastal circulation models can not reproduce the strong measured three-dimensional currents during storm events, especially at the midshelf scale ( -2 m to -90 m depth) for microtidal seas. The aim of this study is to implement a 3D numerical model (RESYFE) which takes into account the swell effects on the circulation. This model couples REF/DIF and Symphonie models following the physics described by Mellor (2003). RESYFE model is first tested on academic cases in order to validate the numerical implementation. Secondly, in order to compare the model results with measurements, simulations are carried out on realistic cases : the storms of november 1999 in the Banyuls Bay, and of february 2004 off the Têt river. Thirdly, application of the model in the Gulf of Aigues-Mortes shows the effects of storms on sedimentary transport modeled according to Soulsby (1997). Finally, an application of the RESYFE model on an ancient (Jurassic) basin shows that this model can confirm the sedimentologic interpretations

L'étude de la circulation dans le bassin Est de la Mer Méditerranée a été abordée par une analyse conjointe de simulations numériques réalisées avec un modèle à très haute résolution horizontale, de climatologies et d'observations in-situ et satellitaires. Une validation approfondie du modèle montre un bon accord entre les différentes masses d'eau. La circulation de surface est, elle aussi, en bon accord avec les schémas de circulation récents. Ainsi, la majeure partie de l'eau atlantique suit la côte africaine et forme un jet côtier intense au niveau de la côte libyenne, plutôt que le Mid Mediterranean Jet décrit il y a quelques années par plusieurs auteurs. Les structures de mésoéchelle bien répertoriées (tourbillons d'Egypte, Ierapetra, ...)sont également correctement reproduites. En accord avec des observations par satellite, le modèle montre que des tourbillons de mésoéchelle très énergétiques dominent la circulation de surface dans le sud du bassin Levantin. Les tourbillons de mésoéchelle sont plus énergiques en été qu'en hiver dans l'ensemble du bassin. Les simulations permettent en outre une analyse détaillée du cycle de vie de ces tourbillons et comment ils sont susceptibles d'affecter la circulation moyenne. Selon la position et le développement des tourbillons, des différents régimes de la circulation peuvent être reproduits. Notamment, les tourbillons du bassin Levantin (Tourbillons egyptiens, Lattaquié, Ierapetra) peuvent entraîner des blocages et bifurcations vers le large de l'inflow côtier d'eau atlantique de surface.

La mer Méditerranée Nord occidentale est une des rares régions dans le monde où le phénomène de convection profonde se produit au large. La circulation cyclonique locale amène des eaux faiblement stratifiées à la surface et peut, sous certaines conditions atmosphériques hivernales spécifiques à la région (vents froids venant du nord et induisant des pertes de chaleur intenses à la surface de l'océan), mener à un mélange vertical diapycnal. Le phénomène de convection est à l'origine des eaux qui se forment en hiver: la WIW (Winter Intermediate Water) et les nWMDW (new Western Mediterranean Deep Waters). Quand les forçages atmosphériques diminuent en intensité, la restratification de la zone mélangée commence par l'advection d'eaux légères environnantes. Des structures de mésoéchelle et de submésoéchelle jouent un rôle important pendant ces évènements à la fois par l'approfondissement de la couche de mélange et l'export des eaux nouvellement formées. Le modèle SYMPHONIE a été implémenté avec une résolution de 1km sur le bassin nord occidental et les évènements de convection des hivers récents ont été simulés. Le premier objectif a été de vérifier la capacité du modèle à haute résolution à reproduire la réponse océanique aux forçages atmosphériques en terme de formation de masses d'eau et de représentation des structures de submésoéchelle. Cette validation a été réalisée par comparaisons avec un jeu de données disponibles et issues de l'observation. L'activité des petites échelles et le rôle qu'elles jouent dans un contexte d'approfondissement de la couche de mélange en hiver ont été soulignés. La dynamique agéostrophique qu'elles développent par la submésoéchelle contribue à une augmentation des vitesses verticales et de la diffusion latérale des propriétés de l'océan induisant une plus forte densification globale de la couche de mélange. Comme conséquences, la formation d'eaux denses ainsi que la ventilation des eaux profondes du bassin est favorisée. Pour la première fois, la formation de SCVs (Submesoscale Coherent Vortices) suite à un évènement de convection profonde a été modélisée en Méditérranée Nord-Occidentale en utilisant un modèle numérique à haute résolution dans un contexte réaliste. Des structures tourbillonnaires cycloniques et anticycloniques se forment à la frontière de la zone de mélange et présentent des temps de vie parfois supérieurs à une année reflètant de très lents processus de diffusion entre leur coeur et les eaux environnantes. Ces tourbillons sont typiques des SCVs observés jusqu'à présent dans les zones de convection profonde, participent dans une proportion importante (30%) à l'export des eaux nouvellement formées et jouent un rôle considérable dans la ventilation des eaux profondes du bassin
The North Western Mediterranean Sea is one of the few regions in the world where open-ocean deep convection occurs. The local cyclonic circulation brings weakly stratified waters close to the surface, that can, under special atmospheric conditions (winter strong cold winds and high heat loss rates), lead to vertical diapycnal mixing. This convection phenomenon is the origin of newly formed winter waters: Winter Intermediate Water (WIW) and new Western Mediterranean Deep Waters (nWMDW). When the strong forcing stops, the restratification of the mixed patch occurs by lateral advection of surrounding lighter waters. Mesoscale and submesoscale structures play an important role during these events, both by the sinking and the spreading of the new water formed. The SYMPHONIE model was implemented at 1km resolution over the north-western Mediterranean where recent convective years were simulated. The first objective was to review the capabilities of the high resolution model to reproduce the oceanic response to strong atmospheric cooling in terms of water formation and to resolve the submesoscale structures. To do so, comparisons were performed with the available data set. The activity of the small scale structures and the role they played were highlighted in a context of winter mixed layer deepening. The ageostrophic dynamic developed by submesoscale contributes to the enhancement of vertical velocities and lateral dispersion of properties leading to a global increase of surface layer density. As a consequence, the dense water formation and the ventilation of the deep basin is favored. For the first time, the formation of Submesoscale Coherent Vortices (SCVs) during deep convection events was documented in a realistic high resolution numerical simulation of the oceanic circulation in the north-western Mediterranean Sea. Anticyclonic and cyclonic eddies were formed presenting lifetimes exceeding one year and reflecting very slow diffusive processes between their core and their surroundings. These eddies were typical of SCVs observed in deep convection areas so far, which were found to participate in the spreading of a significant proportion (30%) of the newly formed waters and were of much importance for the ventilation of the deep basin

Parce qu'elle regroupe l'ensemble des processus physiques observés dans l'océan global, la Méditerranée est considérée comme une zone clé pour la compréhension de la variabilité de la circulation océanique. Plusieurs études lui sont spécialement dédiées. Le but de cette thèse est de compléter ces études en caractérisant de manière plus spécifique la variabilité de surface. Près de 12 ans (1993-2004) de mesures altimétriques (Topex/Poseidon, ERS1/2, Jason, Envisat) ont été spécialement traitées pour le cas particulier du bassin Méditerranéen. Conjointement aux mesures altimétriques, les sorties des modèles MERCATOR et MOG2D ont été exploitées avec deux objectifs principaux: valider les simulations MERCATOR par la confrontation altimétrie/modèle et compléter le jeu de données. Trois composantes principales de la variabilité de surface ont ainsi été étudiées : la circulation générale de surface, l'activité mésoéchelle et la variabilité haute fréquence de la surface.

Dans cette thèse nous avons simulé la distribution d’éléments traces en Méditerranée, dans le but de mieux contraindre la circulation thermohaline et les cycles biogéochimiques. Pour cela, nous avons utilisé le modèle dynamique à haute résolution NEMO-MED12 couplé avec le modèle de biogéochimie marine PISCES.La Méditerranée offre un cadre particulièrement attrayant pour l’étude des traceurs géochimiques. Il s’agit d’une mer semi-fermée, ce qui permet de mieux contraindre les différentes sources et puits des éléments (poussières atmosphériques, fleuves …). Plus particulièrement, nous avons modélisé le tritium (3H), traceur transitoire couramment utilisé pour l’étude de la variabilité interannuelle de la circulation thermohaline. Nous avons aussi simulé les isotopes de l’hélium (3He, 4He), traceurs conservatifs injectés par l’activité volcanique sous-marine et les sédiments, pour contraindre la circulation profonde. Nous nous sommes intéressés également à la composition isotopique du Néodyme (Nd), traceur permettant d’étudier les échanges de matière avec les marges continentales, ainsi qu’à la modélisation du radiocarbone (14C), qui permet d’avoir des informations uniques sur les variations de la circulation thermohaline et des processus de mélange sur les périodes récentes et passées.Cette ensemble de simulations nouvelles et la confrontation avec des observations récentes d’éléments traces issues de différents programmes d’observation (GEOTRACES, METEOR, PALEOMEX), a apporté une expertise nouvelle et supplémentaire sur la dynamique et les cycles biogéochimique en mer Méditerranée. Ce travail contribue à améliorer le modèle régional NEMO/Med12/PISCES développé pour ce bassin, apporte une expertise essentielle pour développer notre aptitude à prévoir l’évolution future de ce bassin sous la pression du changement anthropique
Useful diagnostics of the ventilation of the ocean’s interior are derived from geochemical tracers characterized by simple boundary conditions at the ocean’s surface, and a conservative behavior in marine waters. In this thesis, we simulated explicitly some trace elements distribution in the Mediterranean to better constrain the thermohaline circulation and biogeochemical cycles. We used a high resolution physical/biogeochemical model NEMO-MED12-PISCES.The Mediterranean offers a particularly attractive setting for studying geochemical tracers. It’s a semi-enclosed basin, which makes it easier to quantify the various sources and sinks of the elements (atmospheric dust, rivers ...). In particular, we modeled tritium (3H), a transient tracer currently used for the study of the interannual variability of the thermohaline circulation. We also simulated helium isotopes (3He, 4He), useful tracers for investigating the deep ocean circulation.We have simulated the isotopic composition of neodymium (Nd), tracer adapted to investigate the exchanges between dissolved/particulate phases, with the continental margins, and to constrain the modern and paleo thermohaline circulation, as well as radiocarbon (14C), an ideal tracer for studying air-sea gas exchange and for assessing the ventilation rate of the deep water masses over very long timescales.This study is part of the work carried out to assess the robustness of the NEMO-MED12 model, which will be used to study the evolution of the climate and its effect on the biogeochemical cycles in the Mediterranean Sea, and to improve our ability to predict the future evolution of the Mediterranean Sea under the increasing anthropogenic pressure

Dans cette thèse nous avons simulé la distribution d’éléments traces en Méditerranée, dans le but de mieux contraindre la circulation thermohaline et les cycles biogéochimiques. Pour cela, nous avons utilisé le modèle dynamique à haute résolution NEMO-MED12 couplé avec le modèle de biogéochimie marine PISCES.La Méditerranée offre un cadre particulièrement attrayant pour l’étude des traceurs géochimiques. Il s’agit d’une mer semi-fermée, ce qui permet de mieux contraindre les différentes sources et puits des éléments (poussières atmosphériques, fleuves …). Plus particulièrement, nous avons modélisé le tritium (3H), traceur transitoire couramment utilisé pour l’étude de la variabilité interannuelle de la circulation thermohaline. Nous avons aussi simulé les isotopes de l’hélium (3He, 4He), traceurs conservatifs injectés par l’activité volcanique sous-marine et les sédiments, pour contraindre la circulation profonde. Nous nous sommes intéressés également à la composition isotopique du Néodyme (Nd), traceur permettant d’étudier les échanges de matière avec les marges continentales, ainsi qu’à la modélisation du radiocarbone (14C), qui permet d’avoir des informations uniques sur les variations de la circulation thermohaline et des processus de mélange sur les périodes récentes et passées.Cette ensemble de simulations nouvelles et la confrontation avec des observations récentes d’éléments traces issues de différents programmes d’observation (GEOTRACES, METEOR, PALEOMEX), a apporté une expertise nouvelle et supplémentaire sur la dynamique et les cycles biogéochimique en mer Méditerranée. Ce travail contribue à améliorer le modèle régional NEMO/Med12/PISCES développé pour ce bassin, apporte une expertise essentielle pour développer notre aptitude à prévoir l’évolution future de ce bassin sous la pression du changement anthropique
Useful diagnostics of the ventilation of the ocean’s interior are derived from geochemical tracers characterized by simple boundary conditions at the ocean’s surface, and a conservative behavior in marine waters. In this thesis, we simulated explicitly some trace elements distribution in the Mediterranean to better constrain the thermohaline circulation and biogeochemical cycles. We used a high resolution physical/biogeochemical model NEMO-MED12-PISCES.The Mediterranean offers a particularly attractive setting for studying geochemical tracers. It’s a semi-enclosed basin, which makes it easier to quantify the various sources and sinks of the elements (atmospheric dust, rivers ...). In particular, we modeled tritium (3H), a transient tracer currently used for the study of the interannual variability of the thermohaline circulation. We also simulated helium isotopes (3He, 4He), useful tracers for investigating the deep ocean circulation.We have simulated the isotopic composition of neodymium (Nd), tracer adapted to investigate the exchanges between dissolved/particulate phases, with the continental margins, and to constrain the modern and paleo thermohaline circulation, as well as radiocarbon (14C), an ideal tracer for studying air-sea gas exchange and for assessing the ventilation rate of the deep water masses over very long timescales.This study is part of the work carried out to assess the robustness of the NEMO-MED12 model, which will be used to study the evolution of the climate and its effect on the biogeochemical cycles in the Mediterranean Sea, and to improve our ability to predict the future evolution of the Mediterranean Sea under the increasing anthropogenic pressure

Depuis la fermeture du passage qui reliait la proto-Méditerranée à l’océan indien, il y a environ 14 Ma, celle-ci devient une mer semi fermée avec une seule connexion à l’océan mondial par Gibraltar. C’est dans ce contexte que se produisent des crises anoxiques régulières, les sapropèles. La forte concentration de matière organique caractérisant les dépôts de sapropèle, suggère une réduction drastique de la ventilation océanique profonde, ainsi qu'une activité biologique accrue permettant l’accumulation de la matière organique pendant plusieurs milliers d’années. Depuis leur découverte, il a été admis que l'amplification de la mousson africaine, associée aux changements d’insolation par la variation de la précession orbitale, permettait de déclencher les sapropèles. En effet de fortes précipitations sur le bassin versant du Nil, auraient permis au fleuve de déverser une importante quantité d'eau douce dans la Méditerranée orientale. Cette apport en eau douce, dans une mer très salée, aurait augmenté la stratification verticale, empêchant la convection et menant à une anoxie des eaux de fonds. Cependant, même si cette explication semble robuste, notamment par la corrélation entre la fréquence des sapropèles et celle de l'indice de précession, ces épisodes se produisent dans des contextes climatiques très différents, du Miocène à nos jours. Même en se limitant à ceux des derniers cycles glaciaires, ils laissent une empreinte sédimentaire variable que l'amplification du Nil seule ne peut expliquer. C'est particulièrement le cas du dernier sapropèle, le « S1 », le plus étudié, intervenu entre 10.5 et 7 ka BP, se produisant à la fin du dernier épisode glaciaire. De récents travaux, notamment de modélisation, ont montré que la chronologie des enregistrements entre la variation de la précession et l’amplification de la mousson Africaine, ne concordait pas avec celui du dépôt du S1. Ainsi d’autres facteurs, notamment la montée du niveau marin et les perturbations hydrologiques associées à la fonte non linéaire des calottes glaciaires, auraient favorisé la crise anoxique des eaux profondes du bassin Est méditerranéen. Dans cette thèse nous nous proposons, avec l’outil de la modélisation numérique, de revisiter le rôle de la contribution du Nil pendant le S1 mais aussi d’autres facteurs potentiellement plus déterminants. D’une part nous avons tiré avantage des récentes recherches effectuées sur l’εNd pendant la période du S1. Nous avons modélisé ce traceur (adapté à l’enregistrement des changements de la circulation océanique passé), dans un modèle couplé océan-atmosphère à haute résolution (1/8°) en Méditerranée, afin de représenter au mieux les changements de convection. D’autre part, afin d’inclure le plus de mécanismes contributeurs au S1, nous avons développé une plateforme de modélisation globale-régionale pour représenter le climat du bassin Méditerranéen, ainsi que sa circulation océanique pendant le début de l’Holocène, période du dépôt du S1. Enfin, grâce à cette plateforme, nous avons évalué la contribution de la fonte de la calotte glaciaire eurasiatique via la mer Noire, et son impact sur le bassin Méditerranéen oriental. Les résultats de cette thèse montrent premièrement comment la modélisation de l’εNd est un indicateur approprié des changements de circulation initiés par le Nil, et dont le signal simulé est corroboré par les données existantes. Notre plateforme de modèle a permis la simulation et l’identification, à un coût numérique moins important que le couplage océan-atmosphère, des changements hydrologiques majeurs du bassin Méditerranéen pendant le début de l’Holocène. Enfin, le sapropèle S1 est directement affecté par les perturbations hydrologiques associées à la fonte de la calotte eurasiatique préalablement à l’augmentation des moussons. Nous avons quantifié leur rôle respectif dans la déstabilisation de la ventilation profonde, et permis l’installation de conditions favorables au développement du sapropèle S1
Sapropel events are anoxic crisis occurring quasi-periodically (21000 years) since the Mediterranean Sea became semi enclosed around 14 Ma ago, with only one connection to the global ocean through the Gibraltar strait. The high level of organic content found in sapropels suggests the shutdown of the deep ventilation, and an enhanced biological activity leading to the accumulation of organic material in sediments for thousands of years. Numerous studies highlighted the role of African monsoon enhancement, linked to precession variation, as the trigger of sapropels. The increased precipitation over the Nile catchment provided a huge amount of freshwater through the Nile River into the salty Eastern Mediterranean, leading to a strong stratification of the water column, the reduction of intermediate and deep convection and ultimately to the development of anoxic environment. This hypothesis was robust enough to explain the sapropels due to the correlation between their frequency and precession variation. However, the diversity of these events in strength, duration and cyclicality cannot be entirely explained with this sole hypothesis. This is the case, for instance, of the last sapropel event, “S1”, which occurred between 10.5 and 7 ka BP, at the end of the last glacial episode. Recent works depicted the non-synchronous timing of the precession, monsoon enhancement and S1 deposition, and invoked other factors, such as sea level rise and climate variation to drive the establishment of anoxic environment in Mediterranean Sea. In this thesis, we investigate, with the help of climate modeling, the contribution of the Nile River during S1 but also other factors potentially more important. First, we took advantage of recent εNd data investigation during S1 to include this tracer, which is appropriate to assess the paleo-oceanic circulation, in a coupled ocean-atmosphere model at 1/8° to represent properly the changes in convection. In a second part, to account for other hydrological changes linked with the Early Holocene climate, we developed a global-regional model architecture to represent the Mediterranean region climate and its oceanic circulation. Finally, we use this model to evaluate the deglaciation of the Eurasian ice-sheet through the Black Sea toward the Eastern Mediterranean Sea. The main results show the capability of simulated εNd to capture the convection changes in response to high freshwater input, validated by data. Our model architecture allows the simulation of the Mediterranean Early Holocene climate and associated hydrological changes with a numerical cost lower than the coupled configuration. Finally, the continental deglaciation would be complementary to the sea level rise to destabilize the deep ventilation and lead to favorable condition to the development of S1. In summary, we developed three different approaches and dedicated tools to investigate the hydrological perturbations occurring prior to Early Holocene over the Mediterranean basin, which drastically modified the ocean dynamics to favor anoxia crisis

Depuis la fermeture du passage qui reliait la proto-Méditerranée à l’océan indien, il y a environ 14 Ma, celle-ci devient une mer semi fermée avec une seule connexion à l’océan mondial par Gibraltar. C’est dans ce contexte que se produisent des crises anoxiques régulières, les sapropèles. La forte concentration de matière organique caractérisant les dépôts de sapropèle, suggère une réduction drastique de la ventilation océanique profonde, ainsi qu'une activité biologique accrue permettant l’accumulation de la matière organique pendant plusieurs milliers d’années. Depuis leur découverte, il a été admis que l'amplification de la mousson africaine, associée aux changements d’insolation par la variation de la précession orbitale, permettait de déclencher les sapropèles. En effet de fortes précipitations sur le bassin versant du Nil, auraient permis au fleuve de déverser une importante quantité d'eau douce dans la Méditerranée orientale. Cette apport en eau douce, dans une mer très salée, aurait augmenté la stratification verticale, empêchant la convection et menant à une anoxie des eaux de fonds. Cependant, même si cette explication semble robuste, notamment par la corrélation entre la fréquence des sapropèles et celle de l'indice de précession, ces épisodes se produisent dans des contextes climatiques très différents, du Miocène à nos jours. Même en se limitant à ceux des derniers cycles glaciaires, ils laissent une empreinte sédimentaire variable que l'amplification du Nil seule ne peut expliquer. C'est particulièrement le cas du dernier sapropèle, le « S1 », le plus étudié, intervenu entre 10.5 et 7 ka BP, se produisant à la fin du dernier épisode glaciaire. De récents travaux, notamment de modélisation, ont montré que la chronologie des enregistrements entre la variation de la précession et l’amplification de la mousson Africaine, ne concordait pas avec celui du dépôt du S1. Ainsi d’autres facteurs, notamment la montée du niveau marin et les perturbations hydrologiques associées à la fonte non linéaire des calottes glaciaires, auraient favorisé la crise anoxique des eaux profondes du bassin Est méditerranéen. Dans cette thèse nous nous proposons, avec l’outil de la modélisation numérique, de revisiter le rôle de la contribution du Nil pendant le S1 mais aussi d’autres facteurs potentiellement plus déterminants. D’une part nous avons tiré avantage des récentes recherches effectuées sur l’εNd pendant la période du S1. Nous avons modélisé ce traceur (adapté à l’enregistrement des changements de la circulation océanique passé), dans un modèle couplé océan-atmosphère à haute résolution (1/8°) en Méditerranée, afin de représenter au mieux les changements de convection. D’autre part, afin d’inclure le plus de mécanismes contributeurs au S1, nous avons développé une plateforme de modélisation globale-régionale pour représenter le climat du bassin Méditerranéen, ainsi que sa circulation océanique pendant le début de l’Holocène, période du dépôt du S1. Enfin, grâce à cette plateforme, nous avons évalué la contribution de la fonte de la calotte glaciaire eurasiatique via la mer Noire, et son impact sur le bassin Méditerranéen oriental. Les résultats de cette thèse montrent premièrement comment la modélisation de l’εNd est un indicateur approprié des changements de circulation initiés par le Nil, et dont le signal simulé est corroboré par les données existantes. Notre plateforme de modèle a permis la simulation et l’identification, à un coût numérique moins important que le couplage océan-atmosphère, des changements hydrologiques majeurs du bassin Méditerranéen pendant le début de l’Holocène. Enfin, le sapropèle S1 est directement affecté par les perturbations hydrologiques associées à la fonte de la calotte eurasiatique préalablement à l’augmentation des moussons. Nous avons quantifié leur rôle respectif dans la déstabilisation de la ventilation profonde, et permis l’installation de conditions favorables au développement du sapropèle S1
Sapropel events are anoxic crisis occurring quasi-periodically (21000 years) since the Mediterranean Sea became semi enclosed around 14 Ma ago, with only one connection to the global ocean through the Gibraltar strait. The high level of organic content found in sapropels suggests the shutdown of the deep ventilation, and an enhanced biological activity leading to the accumulation of organic material in sediments for thousands of years. Numerous studies highlighted the role of African monsoon enhancement, linked to precession variation, as the trigger of sapropels. The increased precipitation over the Nile catchment provided a huge amount of freshwater through the Nile River into the salty Eastern Mediterranean, leading to a strong stratification of the water column, the reduction of intermediate and deep convection and ultimately to the development of anoxic environment. This hypothesis was robust enough to explain the sapropels due to the correlation between their frequency and precession variation. However, the diversity of these events in strength, duration and cyclicality cannot be entirely explained with this sole hypothesis. This is the case, for instance, of the last sapropel event, “S1”, which occurred between 10.5 and 7 ka BP, at the end of the last glacial episode. Recent works depicted the non-synchronous timing of the precession, monsoon enhancement and S1 deposition, and invoked other factors, such as sea level rise and climate variation to drive the establishment of anoxic environment in Mediterranean Sea. In this thesis, we investigate, with the help of climate modeling, the contribution of the Nile River during S1 but also other factors potentially more important. First, we took advantage of recent εNd data investigation during S1 to include this tracer, which is appropriate to assess the paleo-oceanic circulation, in a coupled ocean-atmosphere model at 1/8° to represent properly the changes in convection. In a second part, to account for other hydrological changes linked with the Early Holocene climate, we developed a global-regional model architecture to represent the Mediterranean region climate and its oceanic circulation. Finally, we use this model to evaluate the deglaciation of the Eurasian ice-sheet through the Black Sea toward the Eastern Mediterranean Sea. The main results show the capability of simulated εNd to capture the convection changes in response to high freshwater input, validated by data. Our model architecture allows the simulation of the Mediterranean Early Holocene climate and associated hydrological changes with a numerical cost lower than the coupled configuration. Finally, the continental deglaciation would be complementary to the sea level rise to destabilize the deep ventilation and lead to favorable condition to the development of S1. In summary, we developed three different approaches and dedicated tools to investigate the hydrological perturbations occurring prior to Early Holocene over the Mediterranean basin, which drastically modified the ocean dynamics to favor anoxia crisis

Notre objectif est de contribuer à la compréhension du fonctionnement du système Méditerranéen grâce à la modélisation. Nous nous intéressons d'abord à la formation et au devenir des masses d'eau en Méditerranée nord-occidentale. L'influence de la résolution spatiale du modèle océanique est examinée lors de l'étude de la convection profonde au large pour une année réelle. Le rôle essentiel joué par les structures de méso-échelle dans la formation et le devenir de l'eau profonde est mis en évidence. La comparaison de simulations effectuées avec différents forçages atmosphériques permet de montrer l'influence de la résolution spatiale de ce forçage sur la modélisation de la convection, liée à l'importance des extrêmes atmosphériques. Puis nous examinons l'impact de la variabilité interannuelle atmosphérique et du changement climatique sur la formation d'eau dense sur le plateau du Golfe du Lion. Les volumes d'eau dense formée, exportée, et cascadant sont corrélés à la perte de chaleur atmosphérique hivernale. L'intensification de la stratification de la colonne d'eau d'ici la fin du XXIème siècle provoque une quasi-disparition du cascading. L'influence des processus physiques sur l'écosystème planctonique pélagique est examinée au moyen d'un modèle couplé hydrodynamique-biogéochimie. .
Our objective is to contribute to the understanding of the functioning of the Mediterranean system using modeling tools. We first study the formation and fate of water masses in the Northwestern Mediterranean Sea. The impact of the oceanic model spatial resolution on open-ocean deep convection modeling is examined through a real case study, and is related to the essential role played by the mesoscale structures in the formation and fate of deep water. The comparison of simulations performed under different atmospheric forcings enables to study the influence of the spatial resolution of this forcing on the modeling of deep convection and to underline the importance of atmospheric extremes. We then investigate the impact of interannual atmospheric variability and climate change on dense water formation over the Gulf of Lions shelf. The volumes of dense water formed over the shelf, exported and cascading into the deep ocean are well correlated with the winter atmospheric heat loss. The strengthening of the water column stratification between the XXth and the XXIst centuries induces a strong decrease of these volumes. We examine the impact of physical processes on the planktonic pelagic ecosystem using a coupled hydrodynamical - biogeochemical model. The study of a reference year enables to validate the model and to underline its defects. Primary production and respiration show a weak interannual variability, however, carbon exportation and net metabolism show a stronger variability. Finally, the warming of sea water due to climate change induces an increase of primary production by the end of the XXIth century, together with an enhancement of the microbial loop

La dynamique de la circulation marine en région côtière peut être appréhendée par des moyens d'observation et de modélisation. Si le domaine côtier bénéficie de réseaux de mesure adaptés en résolution et en couverture, la mise en oeuvre d'un outil de modélisation s'avère délicate, particulièrement dans la spécification de conditions initiales et de conditions aux frontières ouvertes appropriées. Cette question de l'estimation des conditions aux limites peut être considérée comme relevant d'une problématique plus générale de détermination des paramètres de fonctionnement d'un modèle à partir de l'information apportée par les observations. Ainsi posé, le problème est abordé par l'outil mathématique du contrôle optimal qui conduit à une opération d'assimilation de données par méthode d'adjoint. L'adaptation et l'application de cette formulation inverse à un problème de modélisation océanographique contrôlé par ses conditions frontières font l'objet de ce travail de thèse. Une approche 4D-variationnelle d'assimilation pour le contrôle des conditions frontières est ainsi développée et implémentée sur la base du modèle aux équations primitives OPA (version 'toit rigide') et de son adjoint existant. L'algorithme d'inversion est validé sur trois expériences d'identification: (i) les perturbations du forçage barotrope sur la frontière ouverte d'un modèle non stratifié sont détectées par l'assimilation de courants de surface pris à l'intérieur du domaine; (ii) le développement d'un courant de densité dans un canal semi infini et homogène est retrouvé à partir de profils hydrologiques distribués en aval; (iii) l'observation du " spin up " d'une circulation de plateau induit par un courant côtier permet d'identifier les conditions amonts prévues par le mécanisme de séparation d'un front de Kelvin barocline en incidence sur un talus. Cette méthode d'assimilation est alors proposée pour des applications s'inscrivant dans la problématique scientifique des échanges côte - large sur la zone du Golfe du Lion. Riche en observations et largement ouverte sur le bassin méditerranéen occidental, cette région est soumise à l'influence du courant Liguro-Provençal qui s'écoule en bord de plateau. L'algorithme d'inversion permet de contrôler cette influence régionale sur la circulation de plateau; il est donc évalué à travers des expériences réalistes menées dans le mode diagnostique. En particulier, la faculté de réseaux d'observation à détecter des épisodes d'intrusion du courant côtier sur le golfe est traitée suivant leur couverture spatiale et temporelle.

La mer des Salomon est une mer semi-fermée située dans le Pacifique subtropical. Elle connecte les masses d'eau des subtropiques à l'équateur via les courants de bord ouest de faibles latitudes (LLWBCs) et pourrait de ce fait moduler à l'échelle décennale le climat du Pacifique tropical. Très peu d'observations sont disponibles pour l'étude de cette région. Un des objectifs principaux de cette étude est la mise en place d'un modèle réaliste d'océan à haute résolution (1/36°) de la mer des Salomon permettant la résolution d'une large gamme d'échelles, particulièrement la mésoéchelle et marginalement la sous-mésoéchelle. La circulation générale est étudiée ainsi que la variabilité à mésoéchelle et à sous-mésoéchelle. La représentation de la circulation simulée par le modèle 1/36° est non seulement validée par les observations disponibles mais aussi améliorée par rapport à celle simulée par les modèles antérieurs. La variabilité mésoéchelle simulée dans le modèle à haute résolution est fortement augmentée par rapport à celle issue des modèles antérieurs et est en bon accord avec les observations. Des études spectrales en nombre d'onde de la température de surface, de la dénivellation de la surface libre et de l'énergie cinétique ont été réalisées dans la mer des Salomon et suggèrent que les pentes spectrales obtenues sont proches de la théorie classique de la quasi-géostrophie de surface (SQG).

Les composés organiques halogènes volatils (vhoc) ont été étudiés dans le milieu marin avec pour objectifs d'examiner l'origine et le comportement de ces composés dans les eaux côtières et océaniques, et aussi d'utiliser les composés présentant un caractère conservatif en tant que traceur transitoire de la circulation profonde. Les développements analytiques effectués ont permis d'améliorer la résolution chromatographique, le temps d'analyse et les limites de détection. Les analyses dans l'air ont aussi été développées. Dans le domaine côtier, des travaux ont été réalisés dans le but d'examiner les origines des vhoc biogéniques. Les vhoc bromés dans l'eau présentent une origine macroalgale. Le ch 3i montre des origines macroalgale et/ou photochimique, et phytoplanctonique. Les teneurs atmosphériques en vhoc sont contrôlées par les macroalgues et par la floraison phytoplanctonique sur le plateau continental. L’étude des vhoc dans les estuaires de la Gironde, la Loire et la Seine a montré des apports marqués de composés chlorés dans les fleuves et au niveau des zones urbaines. Les pertes ont lieu juste en aval des zones d'apports. Par ailleurs, nos résultats suggèrent, pour la première fois, des émissions de vhoc bromés par les zones humides salées. Dans le domaine océanique, des mesures effectuées en méditerranée occidentale ont permis de mettre en évidence la dégradation du ccl 4 dans l'océan par réduction lors de la respiration bactérienne. Ce processus indique que le ccl 4 doit être conservatif dans les masses d'eaux formées par convection profonde. Les cfc et le ccl 4 ont été utilisés comme traceurs transitoires dans l'atlantique nord-est. L’essentiel des travaux a été consacré à l'eau de la mer du labrador (lsw). Nous avons évalué sa vitesse moyenne d'advection, entre la mer du Labrador et le proche atlantique, a 1,9 - 2,5 cm. S 1. Des calculs de mélange ont montré la présence d'une composante importante de lsw dans l'eau méditerranéenne profonde.

Les interactions à fine échelle entre l'océan et l'atmosphère modifient significativement la dynamique océanique, mais leur représentation nécessite l'utilisation de modèles couplés océan-atmosphère, complexes et coûteux. Cette thèse soutient l'idée qu'il est possible de représenter ces interactions via un couplage entre un modèle d'océan et une atmosphère réduite à sa couche limite. En effet, nous montrons que cette approche simplifiée est capable de représenter fidèlement la couche limite atmosphérique, et les couplages dynamiques et thermiques dans l'Atlantique Nord-Est. Nous montrons également que le couplage dynamique à fine échelle modifie significativement l'énergie cinétique de l'océan jusqu'à une profondeur de 1500 mètres. Enfin, nous détaillons et quantifions les processus responsables de ce changement
Small - scale ocean - atmosphere interactions have a significant impact on ocean dynamics, but their representation requires coupled ocean - atmosphere models, which are complex and expensive. This thesis supports the idea that it is possible to represent these interactions through a coupling of an ocean model and a stand-alone one-dimensional atmospheric boundary layer model. In this thesis we show that this simplified approach represents a realistic atmospheric boundary layer, as well as dynamical and thermal couplings in the North-East Atlantic. We show that the dynamical coupling at fine scales significantly modifies the ocean kinetic energy down to 1500 meters depth. Finally, the processes responsible for this change are detailed

Ce travail de thèse présente une étude sur la circulation océanique de surface s'écoulantle long des talus continentaux (aux abords de l’isobathe 200 m) de la mer Méditerranée centrale. L'objectif étaitde mieux renseigner le schéma de circulation de surface dans la région et les régimes de variabilité associés ens’appuyant essentiellement sur les observations altimétriques conventionnelles (AVISO/X-TRACK) le longdes traces satellite, disponibles sur la période 1993-2015. Cette étude est également basée sur une utilisationcombinée des données spatiales de SST, de mesures in-situ hydrographiques et de courantométrieconjointement avec l'altimétrie. L'analyse a d'abord permis de caractériser la variabilité saisonnière et deproposer un nouveau schéma de circulation de surface, y compris pour les saisons intermédiaires, incluant unenouvelle branche de courant Atlantique sur le plateau continental Tunisien. Le second point fort de ce travailréside aussi dans la caractérisation du transport de surface et des modes de variations inter-annuelles de l'eauAtlantique à partir de l'altimétrie côtière sur le long terme. L‘observabilité de la méso-échelle océanique de lazone d‘étude est enfin abordée à partir des mesures altimétriques haute résolution (AltiKa). Cela a permis dedétecter des structures physiques à plus fine échelle et d'affiner le détection des variations des courants les pluscôtiers. Au delà des aspects scientifiques, cette thèse a également permis des avancées méthodologiquesimportantes concernant l’utilisation combinée de différents jeux de données spatiaux et in-situ, aisémentapplicables pour les pays du Sud
This work presents a study on surface ocean circulation flowing along the continentalslopes (near the 200 m isobath) of the central Mediterranean Sea. The aim was to better inform the surfacecirculation patterns in the region and the associated variability regimes based mainly on along-trackconventional altimetry (AVISO / X-TRACK) available over the period 1993-2015. This study is also based onthe combined use of spatial SST data, in-situ hydrographic and current measurements in conjunction withaltimetry. The analysis has first allowed to characterize the seasonal variability and to propose a new surfacecirculation pattern, including the intermediate seasons, and a new branch of Atlantic current on the Tunisiancontinental shelf. The second highlight of this work is the characterization of surface transport and inter-annualvariations of Atlantic water from coastal altimetry over the long term. The observability of the oceanic mesoscaleof the study area is finally addressed from high resolution altimetry measurements (AltiKa). This hasallowed to detect physical structures on a smaller scale and to refine the detection of variations in the mostcoastal currents. Beyond the scientific aspects, this thesis has also allowed important methodological advancesregarding the combined use of different spatial and in-situ data sets, easily applicable for the countries of theSouth

Le radar HF est actuellement le seul instrument courantométrique permettant d'obtenir une description synoptique à haute résolution spatiale et temporelle de la circulation côtière de surface. Un système radar déployé depuis 2010 en Méditerranée sur les côtes varoises offre pour la première fois une description exhaustive de la circulation, encore peu documentée dans cette zone.La cartographie des courants se fait classiquement en combinant les mesures d'au moins deux radars. Cependant des résultats significatifs ont été obtenus avec un seul radar concernant : l'identification de tourbillons méso-échelle ; la signature de phénomènes périodiques affectant la circulation superficielle dans les bandes diurne, inertielle et semi-diurne ; et les caractéristiques et les instabilités du Courant Nord Méditerranéen (CN).L'assimilation des mesures radar au moyen d'un lisseur de Kalman d'ensemble dans un modèle régional de la Méditerranée Nord Occidentale a été réalisée pour la première fois dans la zone d’étude. Cette méthode, qui contraint les courants de surface en optimisant le vent et les forçages aux frontières ouvertes, améliore la description de la veine du CN en vitesse et position
The HF radar is the sole instrument being able to monitor the surface coastal current at very high spatial and temporal resolution. A radar system deployed since 2010 on the Var coast (Western Mediterranean Sea) provides for the first time a comprehensive picture of the circulation, which remains poorly documented in this area.Surface current mapping is conventionally performed by combining measurements of at least two radars. However, significant results were obtained with a single radar concerning: the identification of mesoscale vortices; the signature of periodic phenomena affecting the surface circulation in the diurnal, inertial and semi-diurnal bands; and the features and instabilities of the North Mediterranean Current (NC).The assimilation of radar measurements using an ensemble Kalman smoother in a regional model of the North-Western Mediterranean Sea was performed for the first time in the study area. This method, which constraints the surface currents by wind and open boundary conditions optimisation, improves the simulation of the NC vein in terms of speed and position

L'objectif général de cette thèse est de contribuer à l'avancement de la connaissance de l'impact de l'activité àméso-échelle du Courant Nord (CN) au large du Var sur sa circulation en aval et des interactions de ce courantde bord avec la dynamique côtière, particulièrement dans une baie semi-fermée peu profonde : la baie deHyères. Ces travaux se sont appuyés sur deux configurations numériques réalistes à haute résolution basées surle code NEMO et emboîtées avec AGRIF : une première de la façade méditerranéenne française à unerésolution spatiale de 1,2 km et une seconde le long des côtes varoises à 400 m de résolution.La comparaison des simulations obtenues avec des observations (radar HF, ADCP, glider, SST satellite) apermis de confirmer le réalisme des configurations, et de montrer l'apport d'une résolution de l'ordre de 400 msur la dynamique dans une baie mais également sur le CN et son écoulement en aval.Enfin, une étude de paramétrisation de l'advection horizontale et du mélange vertical a permis d'améliorerl'impact d'un downscaling dans la région d'étude, et particulièrement concernant la représentation de lacirculation au sein de la baie semi-fermée
The main objective of this work is to improve our knowledge on the impact of the Northern Current (NC)mesoscale activity off the Var coast on its downstream flow and on the links between this boundary current andthe coastal dynamics, particularly in a semi-enclosed bay and shallow: the bay of Hyères. To do so, twonumerical realistic configurations at high-resolution were used. Based on the NEMO code and nested withAGRIF, the first one covers the French Mediterranean coasts at 1,2 km and the second one covers the Varcoasts with a spatial resolution of 400 m.Simulations comparisons with ocean observations (HF radar, ADCP, glider, satellite SST) confirm therealism of the configurations, and show the contribution of a 400 m spatial resolution on the simulateddynamics in the bay but also on the NC and its downstream flow.Finally, a parametrization study on the horizontal advection terms and vertical mixing provide an improvementof the impact of a downscaling in the studied area, and particularly for the simulated dynamics in the semienclosedbay

Ce travail de thèse présente une étude sur la circulation océanique de surface s'écoulantle long des talus continentaux (aux abords de l’isobathe 200 m) de la mer Méditerranée centrale. L'objectif étaitde mieux renseigner le schéma de circulation de surface dans la région et les régimes de variabilité associés ens’appuyant essentiellement sur les observations altimétriques conventionnelles (AVISO/X-TRACK) le longdes traces satellite, disponibles sur la période 1993-2015. Cette étude est également basée sur une utilisationcombinée des données spatiales de SST, de mesures in-situ hydrographiques et de courantométrieconjointement avec l'altimétrie. L'analyse a d'abord permis de caractériser la variabilité saisonnière et deproposer un nouveau schéma de circulation de surface, y compris pour les saisons intermédiaires, incluant unenouvelle branche de courant Atlantique sur le plateau continental Tunisien. Le second point fort de ce travailréside aussi dans la caractérisation du transport de surface et des modes de variations inter-annuelles de l'eauAtlantique à partir de l'altimétrie côtière sur le long terme. L‘observabilité de la méso-échelle océanique de lazone d‘étude est enfin abordée à partir des mesures altimétriques haute résolution (AltiKa). Cela a permis dedétecter des structures physiques à plus fine échelle et d'affiner le détection des variations des courants les pluscôtiers. Au delà des aspects scientifiques, cette thèse a également permis des avancées méthodologiquesimportantes concernant l’utilisation combinée de différents jeux de données spatiaux et in-situ, aisémentapplicables pour les pays du Sud
This work presents a study on surface ocean circulation flowing along the continentalslopes (near the 200 m isobath) of the central Mediterranean Sea. The aim was to better inform the surfacecirculation patterns in the region and the associated variability regimes based mainly on along-trackconventional altimetry (AVISO / X-TRACK) available over the period 1993-2015. This study is also based onthe combined use of spatial SST data, in-situ hydrographic and current measurements in conjunction withaltimetry. The analysis has first allowed to characterize the seasonal variability and to propose a new surfacecirculation pattern, including the intermediate seasons, and a new branch of Atlantic current on the Tunisiancontinental shelf. The second highlight of this work is the characterization of surface transport and inter-annualvariations of Atlantic water from coastal altimetry over the long term. The observability of the oceanic mesoscaleof the study area is finally addressed from high resolution altimetry measurements (AltiKa). This hasallowed to detect physical structures on a smaller scale and to refine the detection of variations in the mostcoastal currents. Beyond the scientific aspects, this thesis has also allowed important methodological advancesregarding the combined use of different spatial and in-situ data sets, easily applicable for the countries of theSouth

Le radar HF est actuellement le seul instrument courantométrique permettant d'obtenir une description synoptique à haute résolution spatiale et temporelle de la circulation côtière de surface. Un système radar déployé depuis 2010 en Méditerranée sur les côtes varoises offre pour la première fois une description exhaustive de la circulation, encore peu documentée dans cette zone.La cartographie des courants se fait classiquement en combinant les mesures d'au moins deux radars. Cependant des résultats significatifs ont été obtenus avec un seul radar concernant : l'identification de tourbillons méso-échelle ; la signature de phénomènes périodiques affectant la circulation superficielle dans les bandes diurne, inertielle et semi-diurne ; et les caractéristiques et les instabilités du Courant Nord Méditerranéen (CN).L'assimilation des mesures radar au moyen d'un lisseur de Kalman d'ensemble dans un modèle régional de la Méditerranée Nord Occidentale a été réalisée pour la première fois dans la zone d'étude. Cette méthode, qui contraint les courants de surface en optimisant le vent et les forçages aux frontières ouvertes, améliore la description de la veine du CN en vitesse et position

La mer Méditerranée est caractérisée par une circulation rapide des masses d’eau, des concentrations faibles en nutriments avec un fort gradient d’oligotrophie, et une acidification plus rapide que pour l’océan global. Les Eaux Levantines Intermédiaires (LIW) reliant les deux bassins sont marquées par un minimum d’oxygène (O2). Les variabilités du contenu en O2, des nutriments et du carbone inorganique restent méconnues du fait de leur faible densité d’observation. Le développement et la validation d’une méthode neuronale CANYON-MED, spécifiquement conçue pour la Méditerranée, ont permis de dériver nutriments (nitrates, phosphates, silicates) et variables du système des carbonates (alcalinité totale, carbone total et pH) à partir de variables systématiquement mesurées (pression, température, salinité et O2, position spatio-temporelle). La dynamique du minimum d’O2 dans la LIW face à la variabilité des processus de ventilation des eaux intermédiaires en Méditerranée nord-occidentale a été étudiée sur la période 2012-2020. L’application de CANYON-MED a permis la description des tendances en nutriments et carbonates dans cette zone, face au phénomène intermittent de convection profonde. L’importance de la convection sur la ventilation des masses d’eau, et sur les tendances des nutriments et d’acidification sont mises en évidence, dans un contexte de stratification accrue par le changement climatique. Enfin, la ventilation de la LIW a été explorée dans sa zone de formation (le bassin Levantin) à l’aide de flotteurs Argo sur la période 2018-2019, nuançant l’injection d’O2 dans le patch de mélange
The Mediterranean Sea is characterized by rapid circulation of its water masses, low nutrient concentrations with a strong oligotrophy gradient, and a more rapid acidification than the global ocean. The Levantine Intermediate Waters (LIW) that connect the two basins are marked by a minimum of oxygen (O2). Variability in O2 content, nutrients, and inorganic carbon remain poorly understood given their low density of observation. The development and validation of a neural method CANYON-MED, specifically designed for the Mediterranean Sea, allowed to derive nutrients (nitrates, phosphates, silicates) and carbonate system variables (total alkalinity, total carbon and pH) from systematically measured variables (pressure, temperature, salinity and oxygen, position in time and space). The dynamics of the O2 minimum in the LIW in the face of variability in intermediate water ventilation processes in the northwestern Mediterranean was studied over the period 2012-2020. The application of CANYON-MED allowed the description of nutrients and carbonate trends in this area, in response to the intermittent deep convection phenomenon. The importance of convection on the ventilation of water masses, as well as on nutrient and acidification trends are thus highlighted, in a context of increased stratification by climate change. Finally, the ventilation of the LIW has been explored in its formation area (Levantine basin) using Argo floats over the period 2018-2019, nuancing the injection of O2 in the mixing patch

L'objectif général de cette thèse est de contribuer à l'avancement de la connaissance de l'impact de l'activité àméso-échelle du Courant Nord (CN) au large du Var sur sa circulation en aval et des interactions de ce courantde bord avec la dynamique côtière, particulièrement dans une baie semi-fermée peu profonde : la baie deHyères. Ces travaux se sont appuyés sur deux configurations numériques réalistes à haute résolution basées surle code NEMO et emboîtées avec AGRIF : une première de la façade méditerranéenne française à unerésolution spatiale de 1,2 km et une seconde le long des côtes varoises à 400 m de résolution.La comparaison des simulations obtenues avec des observations (radar HF, ADCP, glider, SST satellite) apermis de confirmer le réalisme des configurations, et de montrer l'apport d'une résolution de l'ordre de 400 msur la dynamique dans une baie mais également sur le CN et son écoulement en aval.Enfin, une étude de paramétrisation de l'advection horizontale et du mélange vertical a permis d'améliorerl'impact d'un downscaling dans la région d'étude, et particulièrement concernant la représentation de lacirculation au sein de la baie semi-fermée
The main objective of this work is to improve our knowledge on the impact of the Northern Current (NC)mesoscale activity off the Var coast on its downstream flow and on the links between this boundary current andthe coastal dynamics, particularly in a semi-enclosed bay and shallow: the bay of Hyères. To do so, twonumerical realistic configurations at high-resolution were used. Based on the NEMO code and nested withAGRIF, the first one covers the French Mediterranean coasts at 1,2 km and the second one covers the Varcoasts with a spatial resolution of 400 m.Simulations comparisons with ocean observations (HF radar, ADCP, glider, satellite SST) confirm therealism of the configurations, and show the contribution of a 400 m spatial resolution on the simulateddynamics in the bay but also on the NC and its downstream flow.Finally, a parametrization study on the horizontal advection terms and vertical mixing provide an improvementof the impact of a downscaling in the studied area, and particularly for the simulated dynamics in the semienclosedbay

L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer la contribution d'une méthode d'interpolation dynamique pour améliorer la représentation des processus océaniques à petite échelle dans les cartes altimétriques. La résolution actuelle de ces cartes construites par interpolation statistique optimale, est bien adaptée à l'étude de la variabilité mésoéchelle mais ne permet pas d'observer des structures de taille inférieures à 150-200 km, en grande partie à cause de l'échantillonnage spatio-temporel des données. La méthode d'interpolation dynamique est basée sur un modèle de propagation quasi-géostrophique (QG) à une couche et demie, dont le but est de recréer une partie de l'évolution temporelle des petites structures océaniques en utilisant la dynamique locale. Dans cette étude, nous appliquons cette méthode à la Méditerranée occidentale. En premier lieu nous avons évalué la capacité du propagateur QG à représenter la dynamique dans cette région. Nous avons ensuite utilisé ce propagateur pour réaliser l'interpolation dynamique dans un cas idéalisé spatialement, en comparant les champs reconstruits avec un modèle numérique à haute résolution. Les résultats ont montré une amélioration générale par rapport à une interpolation linéaire sur une période de 5-10 jours. La performance de la méthode à montré une disparité spatiale et temporelle, avec une amélioration plus importante pour les régions de forte variabilité et en période hivernale. Nous avons exploité deux pistes de complexification du propagateur afin de mieux modéliser la dynamique de la région, fortement influencée par les forçages atmosphériques locaux intenses, la géométrie du bassin et sa bathymétrie. Dans une seconde étude, nous avons évalué la contribution de cette méthode d'interpolation dynamique pour cartographier les données altimétriques réelles le long des traces. Pour cette étude, les structures de covariance dérivées de l'évolution du modèle QG ont été intégrées dans un schéma d'interpolation optimal. Les cartes dynamiques interpolées résultantes ont été comparées aux cartes altimétriques actuelles. Cette étude, qui participe à la préparation de l'exploitation des futures données haute résolution de la mission SWOT, a démontré l'efficacité d'un modèle relativement simple pour améliorer la résolution des cartes altimétriques. Néanmoins, tous ces résultats ont révèlé la difficulté de paramétrer de façon optimale cette méthode de cartographie pour caractériser la dynamique dans une région qui présente une forte variabilité spatiale et temporelle. Ce travail souligne aussi le besoin de mieux exploiter les différents jeux de mesures indépendantes pour évaluer rigoureusement l'amélioration des petites échelles, qui ont un impact non négligeable sur la dynamique de mésoéchelle, notamment sur les transferts énergétiques au sein de l'océan et sur les interactions physico-biologiques
The main objectif of this thesis is to evaluate the contribution of a dynamic interpolation method to improve the representation of small scale ocean processes in altimetric maps. The current resolution of these maps constructed by a statistical optimal interpolation technique, is well adapted to the study of the mesoscale variability but does not allow us to observe structures of sizes smaller than 150-200km, largely due to the spatio-temporal sampling of the data. The dynamic interpolation method is based on a one-and-a-half layer quasi-geostrophic (QG) propagation model, aims to recreate part of the temporal evolution of small oceanic structures using the local dynamics. In this study, we apply this method to the western Mediterranean Sea. First we evaluate the QG propagator's capacity to represent the dynamics in this region. We then use this propagator to perform the dynamic interpolation in a spatially idealized case, comparing the reconstructed fields with a fine-resolution numerical model. The results show a general improvement compared to a linear interpolation over a period of 5-10 days. There is spatial and temporal disparity in the performance of the method, with a greater improvement for the regions of high variability and during the winter period. We explored ways of complexifying the QG propagator to better represent the dynamics of the region, influenced by the strong local atmospheric forcing, the geometry of the bassin and its bathymetry. In a second study, we evaluated the contribution of this dynamical interpolation method for mapping real alongtrack altimetric data. For this study, covariance structures derived from the QG model's evolution are integrated into an optimal interpolation scheme. The resulting dynamical interpolated maps are compared to the current altimetric maps. This study, which participates in the preparation of the exploitation of the future high resolution data of the SWOT mission, demonstrates the effectiveness of a relatively simple model to improve the resolution of the altimetric maps. Nevertheless, all of these results reveal the difficulty to optimally parameterize this mapping method to caracterize the dynamics in a region which presents a strong spatial and temporal variability. This work also highlights the need to better exploit the independant data to rigorously evaluate the improvement at small scales, which have significant impacts on the dynamics of the mesoscale, particularly on energy transfers within the ocean and on physico-biological interactions

Le tourbillon Ierapetra (IE) est l’un des plus grands et des plus longs tourbillons de mésoéchelle de la Méditerranée orientale (MED). Situé au sud-est de la Crète, la formation récurrente de IE a été attribuée au forçage éolien régional. Pourtant, il n’y a pas que très peu d’informations sur les caractéristiques de leur dynamique, ni aucune preuve que l’IE soit forcé par le vent. Dans cette étude, une caractérisation complète de la dynamique des tourbillons Ierapetra est réalisée. Premièrement, en utilisant des observations satellites de la hauteur de surface de la mer ainsi que l'algorithme de détection de tourbillons AMEDA, les tourbillons Ierapetra sont suivis sur 22 ans (1993-2014). Des informations sur les caractéristiques (telles que le rayon, les vitesses etc.) et les trajectoires des tourbillons sont extraites. On observe une forte variabilité dans leur intensité (Ro = 0.07-0.27) et une potentielle réintensification un an après leur formation. Ce processus d'intensification est d'abord observé ici et peut conduire à un doublement de l'intensité en moins de 3 mois. Pour les tourbillons Ierapetra, nous avons observé que les termes d'accélération centrifuge ne peuvent pas être négligés. Une méthode itérative est optimisée sur des tourbillons idéalisés pour retrouver avec la meilleure précision possible, l’équilibre cyclogéostrophique. L'importance des corrections cyclogéostrophiques est évaluée pour la MED. Lorsqu'elles sont prises en compte, les estimations de vorticité du tourbillon de base IE peuvent atteindre des valeurs fortement négatives ζ(0) ⁄ f = -1. Trois campagnes océanographiques spécifiques (EGYPTE / EGITTO, BOUM et PROTEVS-PERLE) fournissant des mesures de vitesses de tourbillons sont également présentées. La comparaison enre les observations et les mesures in situ démontre l'importance des termes cyclogéostrophiques pour l'estimation correcte des vitesses de tourbillon. Enfin, le forçage du vent est étudié en tant que mécanisme principal de la dynamique des IE. Une forme idéalisée de forçage du vent climatologique pouvant représenter le régime de forçage ététsien est construite à partir des jeux de données de vent de la réanalyse ALADIN. L'effet transitoire du forçage étésien idéalisé est ensuite évalué avec un modèle de gravité réduite. Différentes simulations numériques sont effectuées afin d'étudier l'effet isolé d'un tel forçage sur la surface de l'océan. Globalement, les résultats démontrent la formation d'un anticyclone persistant. La magnitude de forçage du vent mais aussi sa durée sont des paramètres clés permettant de contrôler l’intensité des tourbillons. Le rayon du tourbillon est principalement contrôlé par les caractéristiques spatiales du forçage du vent. De plus, nous retrouvons le processus d'intensification des anticyclones préexistants en présence de cisaillement. Les résutats de cette thèse suggèrent que les tourbillons Ierapetra sont parmi les plus forts tourbillons de moyenne échelle de la mer Méditerranée. De plus le forçage régional par le vent est suffisant pour expliquer les caractéristiques des tourbillons observés. Un jet de vent orographique asymétrique ou des valeurs γ élevées de forçage orographique symétrique sont les conditions préalables nécessaires pour favoriser la formation d'anticyclones puissants dans l'océan
The Ierapetra eddy (IE) is one of the largest and longest-lived mesoscale eddies of the eastern Mediterranean Sea (MED). Located in the South East corner of Crete, the IE recurrent formation has been attributed to the regional Etesian wind forcing. Yet there are no many information on the eddy dynamical characteristics nor evidences that the IE is wind-forced. In this study, a full characterization of the Ierapetra eddy dynamics is attempted. Firstly, by using satellite observations of sea surface height and AMEDA eddy detection algorithm, the Ierapetra eddies are followed over 22 years (1993-2014). Information on the eddy characteristics (such as radius, velocities, vorticity) and the eddy trajectories are retrieved. The Ierapetra eddies are found to experience strong variability in their intensity (Ro=0.07-0.27) while one year after formation they may re-intensify. This intensification process is firstly observed here and can lead to an doubling of the eddy intensity in less than 3 months. For the Ierapetra eddies, we found that the centrifugal acceleration terms cannot be omitted. An iterative method is optimized on idealized eddies to recover with best accuracy the cyclogeostrophic balance. The importance of cyclogeostrophic corrections are evaluated for the total MED. When taken into account, estimations on the IE core vorticity may reach values of highly negative vorticity ζ(0) ⁄ f = − 1. Three specific oceanographic campaigns (EGYPT/EGITTO, BOUM and PROTEVS-PERLE) that provide information on measured eddy velocities are also presented. Comparison between the observations and in-situ measurements demonstrate the importance of the cyclogeostrophic terms for the correct estimation of the eddy velocities. Lastly, the Etesian wind forcing is investigated as the driving mechanism for the IEs dynamics. An idealized climatological wind forcing shape that can represent the Etesian forcing regime is build based on ALADIN reanalysis wind datasets. The transient effect of the idealized Etesian forcing is then evaluated with a reduced gravity model. Various numerical simulations are performed in order to investigate the isolated effect of such forcing to the ocean surface. Overall the results demonstrate the formation of a persistent anticyclone. Both the wind forcing magnitude but also the wind forcing duration are key parameters that control the formed eddy intensity. The eddy radius is mainly controlled by the spatial characteristics of the applied wind forcing. Moreover, we recover the intensification process for pre-existing anticyclones in the presence of the shear wind. The findings of this thesis suggest that the Ierapetra eddies are among the strongest mesoscale eddies of the Mediterranean Sea while the regional wind forcing is sufficient to explain the observed eddy characteristics. An asymmetric orographic wind jet or high γ values of a symmetric orographic forcing are the necessary preconditions to favor the formation of strong anticyclones in the ocean

Les écoulements côtiers sont soumis à diverses sources d’instabilités, à l’origine de la formation de structures cohérentes, telles des tourbillons, dont le rôle est essentiel dans la circulation océanique et le transfert de propriétés dans l’océan. Trois configurations idéalisées de courant côtiers (frontal, quasi-géostrophique et shallow-water) sont étudiées dans cette thèse. Le mécanisme bien connu de l’instabilité barocline est mis en évidence sur chacun de ces écoulements et un autre mécanisme, celui de l’instabilité paramétrique est proposé. Il concerne des écoulements dont l’un des paramètres est soumis à une oscillation périodique. Le paramètre variable est la vitesse du courant dans l’exemple frontal, le transport ou la vorticité potentielle barocline dans l’exemple quasi-géostrophique, le courant barotrope dans le modèle shallow-water. Des calculs analytiques permettent de comparer les taux de croissance de ces deux instabilités et de montrer l’amplification de l’instabilité paramétrique au voisinage de la marginalité des systèmes vis-à-vis de l’instabilité barocline. Il est montré par intégration numérique que les effets de l’instabilité paramétrique sont de mème nature que ceux de l’instabilité paramétrique sur la configuration quasi-géostrophique. Le modèle shallow-water présente un front de densité représentatif du front d’Ouessant, Il est montré à partir de simulations numériques MICOM que le mécanisme de l’instabilité barocline permet d’expliquer en grande partie les instabilités observées le long du front. Les effets de l’instabilité paramétrique sont identifiés, mais il semble que leur impact soit faible
Coastal currents experience many sources of instability, resulting in the formation of coherent structures such as eddies. These structures play a fundamental role in the oceanic circulation and in the transfer of properties in the ocean. Three configurations of idealized coastal currents are studied in this thesis-: a frontal one, a quasi-geostrophic one and a shallow-water one. The well known baroclinic instability is shown to exist for all these currents, and a new mechanism, the parametric instability, is described. It appears on flows which present a periodic variation of one of their components. The oscillating parameter is the current speed in the frontal configuration, the baroclinic transport or PV in the quasi-geostrophic one and the barotropic flow in the shallow-water one. Analytical calculations allow to compare growth rates of both baroclinic and parametric instability and to show the amplification of parametric instability in the vicinity of the marginal stability curve for baroclinic instability. Numerical simulations are used to show that the effects of parametric instability are similar to the effects of baroclinic instability on the quasi-geostrophic flow. The shallow-water modal presents a density front with caracteristic scales representative of the Ushant front. It is shown from MICOM simulations that baroclinic instability can explain the observed instabilities of the front for a large part. Parametric instability effects are identified, but their impact seems to be weak

Quels sont les pré-requis pour étudier l'influence du changement climatique simulé par les modèles couplés globaux de la génération actuelle sur le système d'upwelling du Pérou-Chili?" constitue la question centrale de cette thèse de doctorat. Grâce à une approche de downscaling (descente d'échelle) dynamique réalisé avec le modèle ROMS (Regional Oceanic Modelling System) pour une configuration au 1/6° de type eddy-resolving (cad qui permet de représenter les tourbillons mésoéchelle), nous espérons comprendre les processus qui vont contrôler les changements futurs de la circulation océanique dans cette région influencée par ENSO (El Niño-Oscillation Australe). Une étude des mécanismes physiques qui contrôlent la variabilité de type ENSO dans les simulations PI (pré-industrielles) réalisées avec les CGCMs (Modèles Couplés de Circulation Générale) de l'ensemble multi-modèle du WCRP-CMIP3 (les " modèles du GIEC ") permet d'identifier les modèles les plus fiables en termes de variabilité équatoriale. Elle est basée sur l'utilisation d'un modèle couplé intermédiaire du Pacifique tropical avec une stratification moyenne et un forçage de vent prescrits, afin de pouvoir dériver explicitement les termes d'advection du bilan de chaleur de la couche de mélange. Cette analyse permet de classifier les modèles en fonction de leur processus ENSO dominant: zonal advective feedback ou thermocline feedback. Les modèles au feedback hybride comme dans les observations représentent le mieux les processus couplés qui contrôlent la variabilité de la TSM, ce qui nous conduit à faire l'hypothèse que ce sont ceux qui fournissent les indices de confiance les plus élevés en termes de prédiction de l'évolution d'ENSO avec le réchauffement global. Parmi eux, deux CGCMs (IPSL-CM4 et INGV-ECHAM4) reproduisent le mieux l'état moyen ainsi que la variabilité intrasaisonnière à interannuelle de la température et des courants à la frontière Ouest du domaine du Pérou-Chili (100°W) et sont donc retenus pour des expériences de downscaling sur la région du HCS (Système de Courant de Humboldt). .
What do we need to study the influence of climate change simulated by global coupled models of the current generation upon the Peru-Chile upwelling system " is the main question addressed in this PhD thesis. Thanks to a dynamical downscaling approach performed with the ROMS model (Regional Oceanic Modelling System) at an eddy-resolving resolution (1/6°), we aim at understanding the processes that are likely to control possible future changes in the ocean circulation over this region influenced by ENSO (El Niño-Southern Oscillation). A study of the physical mechanisms that control ENSO-like variability in PI (pre-industrial) simulations performed with CGCMs (Coupled General Circulation Models) of the WCRP-CMIP3 multi-model ensemble (the so-called " IPCC-AR4 models ") allows identifying the most reliable models in terms of equatorial variability. It makes use of an intermediate coupled model of the tropical Pacific with prescribed mean stratification and wind forcing in order to derive explicitly the tendency terms of the mixed layer heat budget. Such analysis allows classifying the models according to the dominant ENSO process: zonal advective feedback or thermocline feedback. Models with a hybrid feedback like in the observations best represent the coupled processes that control SST variability, which makes us assume that they provide the highest confidence levels in terms of prediction of ENSO evolution under global warming. Among them, two CGCMs (IPSL-CM4 and INGV-ECHAM4) best reproduce mean temperature and currents as well as their intraseasonal-to-interannual variabilities at the western boundary of the Peru-Chile domain (100°W) and are therefore retained for downscaling experiments over the HCS (Humboldt Current System) region. CGCM outputs from the PI and 4xCO2 (CO2 quadrupling) simulations for the oceanic part are used directly as open boundary conditions for ROMS, whereas a high-resolution (~50km) CGCM-derived wind product obtained from a statistical downscaling procedure is used together with raw CGCM air-sea fluxes for the atmospheric forcing. .

Les données de la campagne océanographique SOMBA-GE2014, nous ont permis de mettre en évidence la présence des gyres algériens via des mesures de courant. Les radiales de température et salinité obtenues à travers le bassin ont permis la visualisation de l'influence des gyres algériens sur la répartition hydrologique. En effet des eaux levantines intermédiaires jeunes s'étendent depuis la veine d'eau remontant le plateau sarde vers l'intérieur du bassin algérien, sous forme de patchs. Des climatologies du cœur de la LIW et de WIW couvrant la période 1960 à 2017 dans le bassin Algéro-Provençal, ont été produites grâce à la base de données Méditerranéenne de profils de température et salinité et des nouvelles méthodes de détection. Un transport de LIW vers l'ouest, depuis la veine sud de la Sardaigne vers l'intérieur du bassin algérien en suivant la périphérie des gyres algériens est mis en évidence par cette climatologie et confirmé par la corrélation croisée du signal de refroidissement observé durant les années 80. L'estimation des tendances des caractéristiques de la LIW et WIW contribuent à documenter leur évolution. L'accélération du réchauffement observée dans tout le bassin à partir de 2010 est alarmante. Les observations par les gliders ont permis d'appuyer nos conclusions quant à l'efficacité des structures de méso et de sous-méso échelle pour le transport des masses d'eaux vers l'intérieur du bassin Algérien. En effet nous avons observé des parcelles de WIW, LIW et WMDW à l'intérieur du bassin Algérien dont les caractéristiques sont plus marquées que les eaux adjacentes
Data from the SOMBA-GE2014 oceanographic cruise, allowed us to highlight the presence of Algerian gyres via current measurements. The temperature and salinity sections obtained across the basin allowed the visualization of the influence of the Algerian gyres on the hydrological distribution. Indeed, young intermediate Levantine waters extend from Saridinian LIW vein towards the interior of the Algerian basin, in the form of patches. LIW and WIW core climatologies covering the period 1960 to 2017 in the Algerian-Provençal basin were produced using the Mediterranean database of temperature and salinity profiles and new detection methods. A westward transport of LIW from the southern vein of Sardinia to the interior of the Algerian basin following the periphery of the Algerian gyres is highlighted by this climatology and confirmed by the cross-correlation of the cooling signal observed during the 1980s. The estimation of trends of LIW and WIW characteristics help to document their evolution. The acceleration of warming observed throughout the basin from 2010 is alarming. Glider observations have supported our conclusions regarding the effectiveness of mesoscale and submesoscale structures for the transport of water masses into the interior of the Algerian basin. Indeed, we observed WIW, LIW, and WMDW parcels within the Algerian Basin with more pronounced characteristics than adjacent waters

L'objectif de cette thèse est l'étude de l'impact de Jets côtiers atmosphériques sur l'upwelling du Système de Courants de Humboldt. Une double approche est utilisée: la première consiste à étudier les circulations Atmosphérique et Océanique ainsi que les interactions Océan-Atmosphère à partir des observations, tandis que la seconde a pour but de modéliser ces circulations de manière réaliste à l'aide de modèles régionaux numériques (ROMS pour l'ocean et WRF pour l'atmosphere). Les résultats obtenus suggèrent qu'il existe différents Jets Atmosphériques côtiers le long de la côte Chilienne et Péruvienne. Pour certaines gammes de fréquences, ils contrôlent la variabilité des upwellings du Chili et du Pérou. Un bilan de chaleur de la couche de mélange au niveau du Chili Central permet d'identifier les principaux mécanismes qui contrôlent la réponse océanique. Nous montrons aussi, que la côte Péruvienne est sous l'influence à la fois du forçage atmosphérique local, mais aussi de la variabilité équatoriale via les ondes de Kelvin piégées à la côte Sud-Americaine. Le modèle régional atmosphérique reproduit avec réalisme les Jets Côtiers au niveau du Chili tandis qu'il peine à simuler la circulation atmosphérique au niveau du Pérou. Les simulations océaniques, elles, reproduisent la réponse océanique aux Jets Côtiers du Chili Central. Un bilan de chaleur de la couche de mélange permet d'étudier quels sont les mécanismes qui la contrôlent dans le modèle. Enfin, nous montrons que les modèles régionaux présentent une sensibilité à la résolution spatiale des modèles atmosphérique et océanique. En particulier, au niveau de la côte, le comportement des vents dans le modèle atmosphérique dépend de la résolution spatiale du modèle. . .
The objective of this thesis is to study the impact of atmospheric Coastal Jets on the upwellings of the Humboldt Currents System. A double approach is used: the first one consists in studying the Atmospheric and Oceanic Circulation as well as the Ocean/Atmosphere interactions from the observations, whereas the second aims at modeling these Circulations in a realistic way by means of numerical regional models (ROMS for the ocean modeling and WRF for the atmosphere modeling. The obtained results suggest that there are various Atmospheric Coastal Jets along the Chilean and Peruvian Coasts. For certain ranges of frequencies, they control the upwelling variability of Chile and Peru. A heat flux balance of the Ocean Mixing Layer allows to identify the main mechanisms which control the oceanic answer off Central Chile. Moreover, we show that the Peruvian coast is under the influence of the both local atmospheric forcing and remote forcing. At some frequencies, the Kelvin wave trapped to the Peruvian Coasts induce a control of the coastal ocean variability by the Equatorial variability. The atmospheric regional model reproduces with realism the Chilean Coastal Jets whereas it has difficulty in simulating the atmospheric circulation at the level of Peru. The oceanic simulations reproduce the oceanic answer to the Coastal Jets off Central Chile. A heat flux balance of the Mixing Layer allows us to study what are the main mechanisms which control the oceanic answer in the model. Finally, we show that the regional models present a sensibility to the spatial resolution of the atmospheric and oceanic models. In particular, close to the coast, the wind characteristics in the atmospheric model depends on the spatial resolution of the model. This sensibility induce that the oceanic answer depends on the forcing field spatial resolution. .

Nous avons d’abord étudié les rôles de la variabilité interne (telle que l’IPO) et des forçages externes dans le refroidissement régional dans la zone d’upwelling du Pérou-Chili et les mécanismes associés. Les résultats montrent que l’expansion de la cellule de Hadley dans l’hémisphère Sud en réponse aux forçages anthropiques est un résultat robuste dans nos grands ensembles d’attribution du modèle IPSL-CM5A et les observations et est responsable de l’intensification de l’upwelling depuis les années 80s. Celle-ci se traduit par une intensification des alizés et de l’upwelling le long des côtes Chiliennes et un approfondissement de la couche de mélange qui s’oppose régionalement au signal de réchauffement climatique dans le Pacifique Sud-Est. La fenêtre d’observation instrumentale restreinte limite néanmoins notre compréhension du rôle de la dynamique naturelle dans les changements observés. Nous proposons dans la seconde partie une méthode d’assimilation de données dans le modèle de l’IPSL permettant de reconstruire la variabilité naturelle passée. Ce type de méthode est confronté à un problème de dégénérescence associé à la résolution d’un problème de grande dimension avec un nombre de particules restreint. Pour lever ce verrou un filtre particulaire avec ré-échantillonnage est proposé, utilisant un émulateur statistique du modèle de l’IPSL (LIM) comme modèle d’intégration. La validation de cette nouvelle méthode baptisée SIR-LIM permet aujourd’hui d’envisager la reconstruction de la variabilité climatique des siècles passés par l’assimilation d’observations et de proxys dans les modèles de classe CMIP tout en préservant la cohérence physique le long de la simulation
Using large ensembles of IPSLCM5A model simulations, we first investigate the roles of internal variability (and in particular the IPO) and external forcing in driving recent Peru-Chile regional cooling. The simulations reproduce the relative cooling, in response to an externally-forced southerly wind anomaly, which strengthens the upwelling off Chile in recent decades. This southerly wind anomaly results from the expansion of the Southern Hemisphere Hadley Cell in response to increasing greenhouse gases and stratospheric ozone depletion since ~1980. An oceanic heat budget confirms that the wind-forced upwelling dominates the cooling near the coast while a wind-forced deepening of the mixed layer drives the offshore cooling, irrespectively of the IPO phase, hence indicating the preeminent role of external forcing. Constraining the climate sensitivity from observations remains however fraught with uncertainties due to the limited instrumental window of observation. In a second part, a data assimilation method is developed to reconstruct past natural variability relying on a particles filter using CMIP-class climate models. Such method is confronted with a problem of degeneracy associated with the resolution of a large problem with a limited number of particles. This issue has been resolved using a statistical emulator of the IPSL model (LIM) as an integration model in a particle filter with resampling. The validation of this new method, called SIR-LIM, allows the reconstruction of the climate variability of the past centuries by assimilating observations and proxy records into a CMIP-class coupled model while preserving the physical coherence along the simulation