Dissertations / Theses on the topic 'Circulation océanique profonde'

Les chlorofluorocarbones (CFC ou fréons) sont des composés anthropiques. Ils pénètrent les eaux océaniques par échange gazeux à l'interface océan-atmosphère, et sont utilisés comme traceurs de la circulation océanique. Les mesures de CFC-11, CFC-12, CFC-113 et CCl4 dissous dans l'eau de mer sont effectués par chromatographie phase gazeuse couplée à un système de purge and trap. La présence de nouveaux fréons a pu être mise en évidence dans les eaux de formation récente. Les fréons ont permis de caractériser et dater les eaux formées par convection profonde dans l'Atlantique Nord. L'âge apparente de la DSOW est par exemple de 12-16 ans. Les différentes veines d'écoulement de la LSW ont été mises en évidence. Disposant des données de CFC-11 et CFC-12 dans le bassin du Labrador entre 1990 et 2000, une étude des âges effectifs et des vitesses moyennes d'advection de la LSW a été réalisé. La LSW présente dans les 500 premiers mètres à l'Ouest du bassin d'Irminger est due à de la convection locale. Les vitesses varient en fonction des crus, des épisodes de convection et donc de la NAO. La LSW observée dans l'Atlantique Nord en 2002 est issue d'épisode de convection peu intense. Une analyse multitraceurs a permis d'améliorer l'estimation des âges et de déterminer la contribution de chaque masse d'eaux aux transports de fréons. Les transports de fréons au travers d'une section entre le Groenland et le Portugal se font principalement vers le Sud par les masses d'eaux formées par convection profonde dans l'Atlantique Nord ( LSW, DSOW, ISOW). Ils sont tout à fait significatifs. Egal à 0, 458 mmol/s pour le CFC-11 , il représente au moins 6 % du flux extrait de l'atmosphère
CFC are anthropogenic. They enter in the ocean by exchange between the ocean and the atmosphere. They are employes as transient tracers. CFC-11, CFC-12, CFC-113 and CCL4 are measured by CPG and purge and trap. In recent water masses new freons are detected. CFCS allow us to characterize and give the age of the different water masses. For example, the DSOW is about 12-16 years old. Different branches of LSW at 500m are observed. The CFC-11 and CFC-12 data in the Labrador sea between 1990 and 2000 allows us to calculate the effective age and average speed of the LSW. LSW at 500 m in the west Irminger basin is due to local convection. The difference of the LSW speed is due to the vintage, the convection scenario and also to the NAO. In 2002 in the North Atlantic Ocean, the LSW is due to weak convection scenario. The multiparameters analysis permit to obtain best age and to determine percentage of each water masses in the CFC-11 transport. The CFC transport across the section between Groenland and Portugal is to south by water masses formed by deep convection (LSW, DSOW, ISOW). The transport of CFC11 is about 0,458 mmol/s and represents more than 6 % of the extracted fluxes of the atmosphere

Le Crétacé est décrit comme la période la plus chaude des derniers 300 millions d’années. La circulation océanique et l’origine des eaux profondes alimentant les bassins restent mal connues pour le Crétacé, alors qu’elles sont capitales dans la compréhension du rôle de l’océan dans l’évolution du climat à cette époque. Les isotopes du néodyme (Nd) permettent de tracer la circulation océanique et les échanges entre les masses d’eau, et ont été utilisés pour explorer la circulation océanique globale des océans actuels et dans le passé. La composition isotopique en Nd (εNd) des océans dérive de celle des continents qui les entourent. Les courants océaniques exportent cette signature, et les eaux profondes de chaque bassin océanique ont une composition en Nd qui leur est propre. L’interprétation du signal du Nd des eaux océaniques au Crétacé est rendue difficiles du fait de l'insuffisance de la couverture spatiale et temporelle des données existantes. L’objectif de cette thèse est l’acquisition la signature en Nd sur les marges continentales et dans les régions dépourvues de données pour le Crétacé, en se focalisant prioritairement sur les zones potentielles de production d’eau profonde. L’εNd est analysé à partir d’échantillons de dents de poissons, d’oxydes encroûtant les tests de foraminifères et de fraction détritique extraits des sédiments. Les résultats sont comparés aux données de la littérature afin d’identifier les sources des eaux profondes et leur évolution au cours du Crétacé. Les liens entre les changements océanographiques, paléogéographiques et climatiques sont explorés avec un modèle climatique couplé océan-atmosphère
The Cretaceous is depicted as the warmest period of the last 300 Ma. The oceanic circulation and location of the source zones of deep-waters are essential to understand the role of oceans in the evolution of the climate during the Cretaceous, yet they remain unclear for this period. The neodymium (Nd) isotopes are used to track oceanic circulation and exchanges between water masses, in both past and modern oceans. The Nd isotope composition (εNd) in the ocean is related to the nature of the surrounding continental landmasses. The oceanic currents transport this isotopic signature, thus every oceanic basin acquires a singular εNd. Unequivocal interpretations of the Cretaceous seawater εNd values stem from the insufficient spatial and temporal cover of available data. This PhD thesis intents to collect the Nd signature of continental margins and in regions without data for the Cretaceous, with special attention given to the potential source zones of deep-water production. Fossil fish teeth, coatings on foraminifera tests and detrital fraction from Cretaceous sediments are analyzed for their εNd. The results are compared to published data sets, in order to identify deep-waters source zones and their evolution throughout the Cretaceous. The links connecting oceanographic, palaeogeographic and climatic changes are investigated with a coupled ocean-atmosphere circulation model

Au cours des derniers 40 ka, le Groenland et l'Atlantique Nord ont enregistré des oscillations de température rapides et de grande amplitude (8 à 15°C en à peine 300 ans) associées à de profondes modifications de la circulation océanique et atmosphérique. Les mécanismes à l’origine de ces changements climatiques rapides ne sont encore que partiellement élucidés. L’objectif de cette thèse est de quantifier les changements de circulation océanique qui ont accompagné ces changements climatiques abrupts. La première partie de cette thèse a consisté à combiner les informations paleocéanographiques de trois traceurs géochimiques, de manière à s'affranchir des limitations de chaque traceur pris séparément. Les rapports isotopiques du carbone des foraminifères benthiques (δ13C et Δ14C) et le Pa/Th sédimentaire ont été mesurés sur la carotte sédimentaire de l'Atlantique Nord SU90-08 (43°N, 30°W, 3080m). Les proxies semblent dépeindre une situation contradictoire au cours du dernier maximum glaciaire: les isotopes du carbone indiquent une faible ventilation des masses d'eau profondes alors que le Pa/Th sédimentaire atteste d'une circulation active. Ce résultat interroge sur la nature exacte du signal enregistré par chaque proxy. Par ailleurs, le recours à la modélisation est nécessaire afin de quantifier les variations de la circulation océanique passée. La seconde partie de cette thèse a donc consisté à ajouter le calcul du Pa/Th sédimentaire dans le modèle de climat de complexité intermédiaire iLOVECLIM. Ce modèle, capable de simuler l'évolution simultanée des trois proxies, a été utilisé pour analyser la réponse de chaque proxy à des changements abrupts de circulation. Les résultats montrent que la réponse des proxies est différente dans les trois principales masses d'eau de l'Atlantique. Dans l'Atlantique Nord-Ouest profond (> 2000 m), la réponse du Pa/Th précède celle des isotopes du carbone de quelques centaines d'années, constituant un exemple de découplage entre les différents proxies
The last 40 ky, have been characterized by abrupt and high amplitude temperature changes (8 to 15 °C in less than 300 years) in Greenland and in the North Atlantic region, associated with drastic ocean and atmospheric circulation changes. The mechanisms behind these abrupt climate changes are still debated. The objective of this thesis is to quantify the ocean circulation changes associated with these abrupt climate changes. In the first part of this thesis, I combined the information of three geochemical proxies in order to overcome the limitations of each proxy taken separately. The carbon isotopic ratios of the benthic foraminifers (δ13C and Δ14C), as well as the sedimentary Pa/Th ratio, have been measured in the North Atlantic sediment core SU90-08 (43°N, 30°W, 3080m). The proxies depict an apparently inconsistent situation over the last glacial maximum: the carbon isotopes indicate that the deep water mass was poorly ventilated while the Pa/Th evidence an active overturning cell. These observations question the type of signal recorded by each proxy. Besides, in order to quantify the circulation changes, a modeling approach is required. In the second part of this thesis, I have implemented the calculation of the Pa/Th in the climate model of intermediate complexity iLOVECLIM. The model is able to simulate the simultaneous evolution of the three proxies and has been used to decipher the multi-proxy response to abrupt circulation changes. The results show that the proxy response varies in the three main Atlantic water masses. In the deep (>2000m) western North Atlantic, the carbon isotopes response lags the Pa/Th response by a few hundreds of years, exemplifying/illustrating a possible decoupling between the different proxies

Au cours des derniers 40 ka, le Groenland et l'Atlantique Nord ont enregistré des oscillations de température rapides et de grande amplitude (8 à 15°C en à peine 300 ans) associées à de profondes modifications de la circulation océanique et atmosphérique. Les mécanismes à l’origine de ces changements climatiques rapides ne sont encore que partiellement élucidés. L’objectif de cette thèse est de quantifier les changements de circulation océanique qui ont accompagné ces changements climatiques abrupts. La première partie de cette thèse a consisté à combiner les informations paleocéanographiques de trois traceurs géochimiques, de manière à s'affranchir des limitations de chaque traceur pris séparément. Les rapports isotopiques du carbone des foraminifères benthiques (δ13C et Δ14C) et le Pa/Th sédimentaire ont été mesurés sur la carotte sédimentaire de l'Atlantique Nord SU90-08 (43°N, 30°W, 3080m). Les proxies semblent dépeindre une situation contradictoire au cours du dernier maximum glaciaire: les isotopes du carbone indiquent une faible ventilation des masses d'eau profondes alors que le Pa/Th sédimentaire atteste d'une circulation active. Ce résultat interroge sur la nature exacte du signal enregistré par chaque proxy. Par ailleurs, le recours à la modélisation est nécessaire afin de quantifier les variations de la circulation océanique passée. La seconde partie de cette thèse a donc consisté à ajouter le calcul du Pa/Th sédimentaire dans le modèle de climat de complexité intermédiaire iLOVECLIM. Ce modèle, capable de simuler l'évolution simultanée des trois proxies, a été utilisé pour analyser la réponse de chaque proxy à des changements abrupts de circulation. Les résultats montrent que la réponse des proxies est différente dans les trois principales masses d'eau de l'Atlantique. Dans l'Atlantique Nord-Ouest profond (> 2000 m), la réponse du Pa/Th précède celle des isotopes du carbone de quelques centaines d'années, constituant un exemple de découplage entre les différents proxies
The last 40 ky, have been characterized by abrupt and high amplitude temperature changes (8 to 15 °C in less than 300 years) in Greenland and in the North Atlantic region, associated with drastic ocean and atmospheric circulation changes. The mechanisms behind these abrupt climate changes are still debated. The objective of this thesis is to quantify the ocean circulation changes associated with these abrupt climate changes. In the first part of this thesis, I combined the information of three geochemical proxies in order to overcome the limitations of each proxy taken separately. The carbon isotopic ratios of the benthic foraminifers (δ13C and Δ14C), as well as the sedimentary Pa/Th ratio, have been measured in the North Atlantic sediment core SU90-08 (43°N, 30°W, 3080m). The proxies depict an apparently inconsistent situation over the last glacial maximum: the carbon isotopes indicate that the deep water mass was poorly ventilated while the Pa/Th evidence an active overturning cell. These observations question the type of signal recorded by each proxy. Besides, in order to quantify the circulation changes, a modeling approach is required. In the second part of this thesis, I have implemented the calculation of the Pa/Th in the climate model of intermediate complexity iLOVECLIM. The model is able to simulate the simultaneous evolution of the three proxies and has been used to decipher the multi-proxy response to abrupt circulation changes. The results show that the proxy response varies in the three main Atlantic water masses. In the deep (>2000m) western North Atlantic, the carbon isotopes response lags the Pa/Th response by a few hundreds of years, exemplifying/illustrating a possible decoupling between the different proxies

La stabilité du climat actuel est assurée par le transport méridien de chaleur de l'équateur vers les pôles, auquel contribue significativement la circulation océanique méridienne moyenne (notée MOC), qui transporte des masses d’eau formées dans l’Atlantique Nord et dans l’Océan Antarctique en profondeur vers l’équateur. L’objet de cette thèse est de comprendre l'influence de la variabilité du taux de formation d'eau profonde dans l'Atlantique Nord sur la variabilité interannuelle à multidécennale de la MOC. Un modèle analytique est d’abord développé pour étudier les caractéristiques spectrales de la variabilité de la MOC forcée par des fluctuations du taux de formation d'eau profonde dans l'Atlantique Nord. Une simulation réaliste de la circulation dans l'Atlantique Nord de 1953 à 2003 est ensuite utilisée pour déterminer les mécanismes de variabilité de la formation et de l'exportation de l’eau profonde formée dans la gyre subpolaire et leur influence sur la variabilité de la MOC.

La période froide du Dernier Maximum Glaciaire était caractérisée, en regard de notre climat moderne, par une couverture de glace de mer australe accrue, une circulation profonde Atlantique moins profonde et une plus faible concentration en CO2 dans l’atmosphère. Ces différences sont bien connues grâce aux observations indirectes mais difficiles à représenter dans les simulations issues des modèles de climat. En effet, ces modèles simulent fréquemment une concentration en CO2 atmosphérique trop élevée, une circulation océanique trop profonde dans l’Atlantique et une banquise présentant une distribution trop circulaire dans l’océan austral ainsi qu’une étendue hivernale et une amplitude saisonnière trop faibles. Ces désaccords modèle-données observés au Dernier Maximum Glaciaire remettent en cause la représentation numérique de certains processus climatiques essentiels. Plusieurs études soulignent le rôle majeur de la glace de mer australe sur la capacité de stockage de carbone de l’océan et la circulation océanique profonde. Je me suis donc focalisée sur cette région pour mieux com-prendre les processus associés à ce stockage. Grâce aux simulations réalisées avec le modèle système terre iLOVECLIM, j’ai pu démontrer que les incertitudes liées à la représentation des calottes polaires ont un impact limité sur les variables examinées ici. En revanche, d’autres choix de conditions aux limites (affectant le volume de l’océan, l’ajustement de l’alcalinité) peuvent entraîner des modifications importantes du contenu total en carbone de l’océan. Je montre également que l’utilisation d’une paramétrisation simple de la plongée des saumures résultant de la formation de glace de mer permet d’améliorer significativement la simulation de la glace de mer australe, de la circulation océanique profonde et de la concentration en CO2 atmosphérique. Un ensemble de simulations incluant l’impact de différentes paramétrisations océaniques est utilisé pour montrer que la circulation océanique très profonde simulée par notre modèle ne peut être attribuée à une glace de mer australe insuffisante. En revanche, les processus de convection dans l’océan austral semblent clefs pour améliorer à la fois la glace de mer australe, la circulation océanique profonde et la concentration en CO2 atmosphérique auDernier Maximum Glaciaire
Compared to the present-day climate, the cold period of the Last Glacial Maximum was characterized by an expanded sea-ice cover in the Southern Ocean, a shoaled Atlantic deep ocean circulation and a lower atmospheric CO2 concentration. These changes are well-documented by indirect observations but difficult to represent in simulations of climate models. Indeed, these models tend to simulate a too high atmospheric CO2 concentration, a too deep Atlantic deep ocean circulation, and a sea-ice cover with a too circular distribution in the Southern Ocean and a too small winter extent and seasonal amplitude. The model-data discrepancies observed at the Last Glacial Maximum call into question the model representation of some important climate processes. Several studies have underlined the crucial role of the Southern Ocean sea ice on ocean carbon storage capacity and deep circulation. I have therefore focussed on this region to improve our understanding of the processes associated with this storage. Thanks to simulations performed with the Earth System Model iLOVECLIM, I have demonstrated thatthe uncertainties related to ice sheet reconstructions have a limited impact on the variables examined in this study. In contrast, other choices of boundary conditions (influencing the ocean volume and alkalinity adjustment) can yield large changes of carbon sequestration in the ocean. I also show that a simple parameterization of the sinking of brines consequent to sea-ice formation significantly improves the simulated Southern Ocean sea ice, deep ocean circulation and atmospheric CO2 concentration. A set of simulations including the effects of diverse ocean parameterizations is used to show that the too deep ocean circulation simulated by our model cannot be attributed to an insufficient sea-ice cover, whereas convection processes in the Southern Ocean seem crucial to improve both the Southern Ocean sea ice, the deep ocean circulation and the atmospheric CO2 concentration at the Last Glacial Maximum

Les flux air-mer, la convection profonde et la cyclogénèse sont étudiés en Méditerranée
grâce au développement d'un modèle régional couplé (AORCM). Il reproduit correctement
ces processus et permet de quantifier et d'étudier leur variabilité climatique. Le couplage
régional a un impact significatif sur le nombre de cyclogénèses intenses en hiver et sur
les flux et précipitations associés. Il simule une variabilité interannuelle plus faible qu'en
mode forcé pour les flux et la convection et permet de comprendre les rétroactions
qui la pilotent. L'impact régional d'un scénario climatique est analysé avec les modèles
non-couplés : le nombre de cyclogénèses diminue, les pluies associées augmentent au
printemps et en automne et diminuent en été. En outre, la Méditerranée se réchauffe,
se sale et sa circulation thermohaline s'affaiblit fortement. Cette thèse conclut de plus à
la nécessité des AORCMs pour étudier l'impact du changement climatique en Méditerranée.

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

Ce travail a pour objectif principal de montrer l'apport des flotteurs de surface pour l'etude de la circulation oceanique. La premiere partie montre que les limites de capacite et de precision de localisation du systeme argos vont au-dela des besoins des oceanographes. En ameliorant les traitements, on peut obtenir des precisions de 50 a 100 m sur une localisation instantanee et de 10 a 20 m (en relatif) pour des points fixes. La circulation moyenne en atlantique nord est ensuite calculee a partir de 135 flotteurs de surface. Une composante ageostrophique - d'amplitude environ 2% celle du vent et a 45 a droite en moyenne de son axe est estimee. Les temps integraux et les diffusivites turbulentes (hors gulf stream) sont respectivement compris entre 2 et 5 jours et 2 et 8 10#7 cm#2s#-#1. Les diffusivites calculees a partir de la variabilite de la topographie de surface semblent sous-estimees. Leurs gradients montrent que les vitesses moyennes des flotteurs lagrangiens peuvent etre legerement biaisees. Dans la troisieme partie, les energies cinetiques tourbillonnaires obtenues par l'altimetrie (geosat) et les flotteurs de surface sont comparees et un tres bon accord est obtenu. L'apport specifique de l'altimetrie est mis en evidence en calculant les spectres en nombre d'onde de la topographie de surface sur l'atlantique nord. Enfin, deux techniques de combinaison des flotteurs de surface a l'hydrologie et aux flotteurs profonds sont presentees. Une analyse objective multivariee pouvant prendre en compte un champ moyen non uniforme est utilisee pour decrire un tourbillon associe au front des acores. Les fonctions de correlation sont obtenues par l'altimetrie. On montre que les flotteurs de surface utilises suivent les courants geostrophiques. Un modele inverse permet d'estimer une circulation stationnaire geostrophique dans l'atlantique nord-ouest satisfaisant des contraintes de non divergence 3d, de conservation de la densite potentielle et de pompage d'ekman. La compatibilite des donnees et l'apport des flotteurs lagrangiens sont montres

L'étude de périodes de temps caractérisées par des climats plus chauds et des niveaux de la mer plus hauts qu'aujourd'hui a le potentiel d'améliorer notre capacité à prédire le climat futur. Dans ce contexte, le stade 11, période interglaciaire datée à environ 400000 ans avant le présent, est particulièrement intéressant, notamment à cause de ses caractéristiques orbitales, qui sont très similaires à celles de l'Holocène. Cependant, l'état de la circulation océanique, la température des eaux de surface et profondes, et le niveau de la mer pendant cette période sont encore relativement méconnus. Cette thèse a dès lors eu pour but la reconstruction et l'analyse des caractéristiques du climat pendant le stade 11, à l'aide de la mesure des isotopes et métaux traces dans les foraminifères de carottes de sédiment marin de l'Océan Austral, une région clé pour la compréhension de la circulation océanique globale. Les données que j'ai générée dans le secteur atlantique de l'Océan Austral entre le stade 12 (i. E. , la période glaciaire précédant le stade 11) et le stade 11 (Terminaison V, TV), et des données de la dernière déglaciation (Terminaison l, TI), montrent un déphasage entre les changements des eaux profondes et des eaux de surface. J'ai montré que ce déphasage peut être interprété comme la réponse de l'Atlantique Sud aux changements de circulation atlantique méridienne (ou AMOC). La séquence d'événements est similaire pendant les deux terminaisons ; par contre, l'amplitude du déphasage entre eaux profondes et de surface est différente, indiquant des variations dans l'amplitude et la durée des changements de l'AMOC. En effet, la comparaison des enregistrements de l'Océan Austral avec des enregistrements de l'Atlantique Nord met en évidence l'existence d'une débacle massive d'icebergs pendant la Terminaison V, plus forte et de plus longue durée que celle de la Terminaison l, probablement expliquée par le caractère glaciaire extrême du stade 12. Par ailleurs, mes reconstructions de l'état de saturation en ion carbonate montrent qu'il n'y a pas eu de changement significatif de la chimie des eaux profondes pendant ces deux terminaisons. Ceci pourrait être dû à un effet de compensation exercé par les eaux profondes de la mer de Weddell, qui étaient moins corrosives pendant les périodes glaciaires. Finalement, la comparaison de mes estimations de la température des eaux profondes avec une compilation globale d'enregistrements du rapport isotopique de l'oxygène benthique indique que le niveau de la mer pendant le stade 12 était 14 m plus bas qu'au dernier maximum glaciaire, et que pendant le stade 11, le niveau de la mer était au maximum 10 m plus haut qu'à l'actuel
The study of past periods with warmer and higher sea levels than today's has the potential to increase our capacity to predict future climate. Marine Isotope Stage (MIS) 11, the interglacial period dated around 400000 years ago, has been singled out due to its potential as "analogue" of the present interglacial period, the Holocene. However, the state of ocean circulation, the temperature of surface and deep waters, and sea level during this period are still poorly known. Therefore, my thesis has been devoted to the study of marine sediment cores from the Southern Ocean, a key area for the understanding of global ocean circulation, through analysis of the isotopic composition and trace metal ratios of foraminifera, with the purpose of better constraining climatic conditions during MIS 11. The new data I generated in the Atlantic sector of the Southern Ocean over MIS 12 (i. E. , the glacial period preceding MIS 11) to MIS 11 (Termination V, TV) and data of the last deglaciation (Termination l, TI), show a lag of the changes in deep-water properties with respect to changes in surface conditions. I interpreted these deglacial changes in the South Atlantic as the response to changes in the state of the Atlantic meridional ocean circulation (AMOC). Model simulations suggest that the late response of bottom waters is explained by increased inflow of North Atlantic. Deep Water (NADW) to the South Atlantic at the time of the AMOC recovery. The sequence of events is similar during both terminations; however, the magnitude of the deep-water lag differs, suggesting variations in the magnitude of the AMOC perturbation. Indeed, the comparison of Southern Ocean and North Atlantic records evidences an iceberg discharge event in the North Atlantic during TV of bigger magnitude than the one happening during TI, probably resulting from the extreme glacial character of MIS 12. My reconstructions of carbonate ion saturation state in the Atlantic and Indian sectors of the Southern Ocean show that it has remained constant through TV and TI, possibly indicating a compensating effect of higher alkalinity Weddell Sea deep waters during glacial periods. Finally, the comparison of my estimates of Southern Ocean bottom water temperature with a global compilation of benthic oxygen isotope records indicates that sea level during MIS12 was approximately 14 m lower than during the LGM, and that during MIS 11, sea level was at most 10 m higher than presently

La circulation équatoriale profonde est dominée par d’intenses courants zonaux de direction alternée sur in verticale, les jets équatoriaux profonds (JEP). Les JEP sont caractérisés par un mode vertical aigu, une grande cohérence zonale et une dynamique fondamentalement non-linéaire. L’océan équatorial profond est également marqué par une variabilité méridienne intra-saisonnière de grande échelle verticale, correspondant à des ondes mixtes de Rossby-gravité (OMRG). L’objet de cette thèse est d’étudier comment des ondes OMRG peuvent transférer leur énergie à des écoulements zonaux, afin de proposer une explication des JEP. Le cas de I’OMRG zonalement symétrique est tout d’abord développé analytiquement et numériquement. Cette onde est sujette à une instabilité paramétrique-inertielle mettant en jeu une interaction résonante avec deux modes libres d’échelle verticale plus petite. La croissance puis le déferlement de ces perturbations mènent à la formation d’un courant zonal barotrope. Le cas d’OMRG zonalement variables est ensuite exploré numériquement dans un canal équatorial. Une onde d’échelle zonale longue à intermédiaire prend également part à une triade résonante, alors qu’une onde courte développe une instabilité verticalement localisée. Ces deux déstabilisations mènent à la formation de jets zonaux de modes baroclines élevés. La transition entre ces deux mécanismes est fonction de l’équivalent équatorial M du paramètre de Gill (1974) pour la stabilité des ondes de Rossby de moyenne latitude. L’impact d’OMRG sur la circulation zonale équatoriale est enfin étudié numériquement dans un bassin équatorial. En fonction de M et de la taille du bassin, leur déstabilisation peut aboutir à jes jets zonaux de modes baroclines 4 à 8 fois plus aigus que celui du forçage. Le comportement basse-fréquence de ces jets correspond alors à des modes de bassin équatorial et leurs caractéristiques spatiales et dynamiques sont compatibles avec les observations des JEP
The deep equatorial circulation is dominated by intense zonal currents with verticaliy-alternating directions: the Equatorial Deep Jets (EDJs). EDJs are characterized by very high vertical modes, a large zonal coherency and intrinsically nonlinear dynamics. Another distinctive feature of the deep equatorial track is an intraseasonnal variability caused by low vertical modes mixed Rossby-gravity waves (MRGWs). This dissertation focuses on energy transfer mechanisms from high-frequency MRGWs to low-frequency zonal flows as a possible explanation of the EDJs formation. The case of a zonally-symmetric MRGW is first examined analytically and numerically. This wave is subject to an inertial-parametric instability, that drives a resonant excitation of two free waves with much smaller vertical scales. The pertubations growth and their ultimate breaking lead to the creation of a barotropic zonal flow. The case of zonally-variable MRGWs is then investigated numerically in an equatorial channel. Long to intermediate zonal scale MRGWs can also be involved in resonant triads, whereas a vertically-localized barotropic/centrifugal instability occurs for short zonal scale MRGWs. Both types of destabilisation lead to the formation of high baroclinic modes, stationary zonal flows. The transition between these two mechanisms is governed by the equivalent of Gill (1974)’s M parameter for the stability of mid-latitude Rossby waves. The MRGWs impact on the zonal circulation is finally examined numerically in an equatorial basin. Depending on M and on the zonal basin-extent, the MRGWs destabilization can create zonal jets with vertical modes, 4 to 8 times higher than the forcing vertical mode. These jets present the low-frequency vadability characteristic of equatorial basin modes and their spatial and dynamical characteristics fit the observed EDJs ones

L'Antarctique et les mers l'entourant sont des zones centrales pour la régulation du climat terrestre ainsi qu'une des zones sujettes à de nombreuses modifications sous l'action du changement climatique. Malgré l'importance de cette région, celle-ci reste largement sous-échantillonnée par rapport au reste des grands bassins océaniques. La circulation océanique sur le pourtour antarctique conditionne la fonte des plateformes glaciaires flottantes et leur effet arc-boutant pour la calotte glaciaire dans son ensemble, ainsi que le stockage de chaleur profond lié à la circulation verticale des masses d’eaux. Ainsi, comprendre la circulation des masses d'eaux sur le pourtour antarctique est fondamental pour notre compréhension de la circulation océanique globale, et celle de la contribution de la calotte polaire antarctique à l'élévation du niveau des mers. Dans cette thèse j'étudie une mer se situant sur le pourtour antarctique : la mer de Weddell. Cette mer, en plus d’accueillir la plus volumineuse des plateformes glaciaires du pourtour antarctique, est également une des régions produisant un volume important d’eaux profondes. Cependant les processus d'interactions océan-cryosphère dans cette région sont encore mal compris. Certaines études ont montré que cet équilibre est subtil et que la mer de Weddell, en réponse au changement climatique, pourrait être drastiquement modifiée et connaître une importante fonte de la plateforme glaciaire et une réduction drastique de la formation d'eaux de fond. Cependant, tant que nos observations ne nous permettront pas de mieux comprendre les processus à l'œuvre, nous ne pourrons pas affiner notre compréhension de la mer de Weddell
Antarctica and its surrounding seas are an important area regarding the climate regulation as well as an region highly impacted by climate change. Despite the paramount importance of this region, it is still largely under sampled in comparison with the other oceanic basins. Oceanic circulation around the antarctic margins regulates ice shelves melts and their buttressing effect on the antarctic Ice sheet, as well as the deep heat storage induced by vertical water masses movements. Thus understading the water mass circulation around Antarctica is fundamental for our comprehension of the global oceanic circulation, as well as the contribution of the Antarctic ice sheet to the sea level rise. In this manuscript I propose a study of a region on the antarctic margins : the Weddell Sea. This sea is the home region of the largest of the antarctic ice shelf, it is also the region producing the most important volume of deep waters. However the ocean-cryosphere processes in this region as still poorly understood. Some studies showed a subtle equilibrium and that the Weddell Sea, in response to the climate change, could be deeply modified and lead to a important melt of the ice shelf and a drastic reduction of the deep water formation. However, as long as our observations don’t allow us the better understand the processes at work, we can not refine our understanding of the Weddell Sea

Plusieurs mecanismes sont proposes pour expliquer le courant vers le nord observe a mi-profondeur dans le bassin est du nord atlantique. Ces mecanismes sont bases sur les deux forcages pouvant mettre en mouvement l'ocean: d'une part le forcage par le vent et d'autre part le forcage thermodynamique. Dans le premier mecanisme, reposant sur les hypotheses de la thermocline ventilee, la couche a mi-profondeur dans le tourbillon subtropical est mise en mouvement par la suction d'ekman dans le tourbillon subpolaire oa cette couche affleure la surface. Le passage d'eau necessaire pour aller d'un tourbillon a l'autre, revelant une condition de bloquage d'une onde de rossby barocline non-dispersive par un courant zonal barotrope a la jonction des deux tourbillons, permet de realiser un ajustement temporel de la solution stationnaire trouvee a partir d'un ocean au repos. Un modele ventile a fond plat a egalement ete realise dans le tourbillon subtropical mettant en evidence d'autres caracteristiques dans l'atlantique nord-est. Le deuxieme volet de l'etude concerne principalement le forcage pouvant resulter de processus doubles diffusifs a la base de l'intrusion mediterraneenne. Ce mecanisme permet au sel de chuter de creer localement des gradients horizontaux de densite, qui, a leur tour, permettent de generer des cisaillements de courant geostrophiques. Un courant vers le nord, base sur cette dynamique, est realise par l'injection d'une source de sel sur le bord est de ce bassin simulant l'apport par la mediterranee

Cette thèse s’intéresse au courant profond de bord ouest dans l’Atlantique Nord, le Deep Western Boundary Current (DWBC). Ce courant transporte des eaux denses, formées dans la gyre subpolaire, vers l’équateur et constitue une des composantes majeures de la circulation méridienne Atlantique, l’AMOC (pour Atlantic Meridional Overturning Circulation). Cette circulation contribue au transport de chaleur vers les hautes latitudes et stabilise le climat actuel. L’AMOC calculée dans différents modèles de circulation générale de l’océan présente une diversité dans son intensité, sa structure spatiale et sa variabilité temporelle. De nombreux facteurs peuvent expliquer cette hétérogénéité de réponses, dont les incertitudes qui subsistent sur le lien entre la formation d’eau dense par convection dans la gyre subpolaire, qui contribue à connecter les branches supérieure et inférieure de l’AMOC, et l’intensité de l’AMOC aux moyennes latitudes. Ces incertitudes proviennent en grande partie d’une méconnaissance de la circulation profonde dans l’Atlantique Nord, car difficile à observer et souvent incorrecte dans les modèles d’océan de faible résolution spatiale.L’objectif de cette thèse est donc d’étudier la dynamique du DWBC et son influence sur l’AMOC, à l’aide de simulations numériques réalistes d’un modèle de circulation générale de l’océan (NEMO). Dans cette optique, trois configurations de résolution horizontale croissante ont été mises en place en utilisant l’outil de raffinement de grille AGRIF : une grille globale de référencer à 1/2◦ de résolution (configuration ORCA), à laquelle a été ajouté une première grille raffinée à 1/8◦ couvrant l’Atlantique nord (configuration ERNA) incluant elle-même une seconde grille à 1/32◦ centrée sur la gyre subpolaire (configuration FER). ERNA et FER sont deux configurations originales, par la prise en compte du modèle de glace de mer dans l’emboîtement des grilles, et par la résolution horizontale de FER dans la gyre subpolaire.Dans un premier temps, nous étudions l’influence de la résolution horizontale sur la circulation moyenne en Atlantique Nord avec un intérêt particulier pour l’AMOC en contrastant les simulations issues des configurations ORCA et ERNA. L’augmentation de la résolution se traduit par l’amélioration de la dynamique des courants de bord ouest, en surface et également en profondeur. En effet, le transport du DWBC s’intensifie de l’ordre de 8Sv dans la gyre subpolaire, ce qui est en partie lié à une meilleure représentation de l’écoulement des eaux denses en provenance des Mers Nordiques. En outre, alors que dans ORCA le DWBC s’écoule vers le sud principalement le long de la ride médio-Atlantique, dans ERNA la route le long du bord ouest est privilégiée avec une circulation secondaire à l’intérieur de l’inetrgyre, ce qui est en meilleur accord avec les observations. Le chemin suivi par le DWBC le long du talus continental permet une intensification de l’AMOC et de la localisation de son maximum vers 35 ̊N. Ce résultat tend à réduire l’influence de la convection aux hautes latitudes sur l’intensité de l4AMOC par l’intermédiaire de l’interaction des courants de surface et de fond.Nous nous sommes intéressés par la suite à la structure dynamique et thermohaline du DWBC, en lien avec la représentation de la méso-échelle, dans la mer du Labrador, en utilisant la configuration FER. Dans cette configuration qui résout explicitement les processus de méso-échelle dans la gyre subpolaire, la dérive en température et salinité est nettement moins importante que dans ERNA. De plus, la structure verticale du courant de bord, notamment sa barotropisation entre l’est et l’ouest sde la section AR7W dans la mer du Labrador, est en très bon accord avec les observations. A partir d’une équation simplifiée de la vorticité relative, nous avons cherché à identifier les processus principaux qui contrôlent la dynamique du DWBC. Il ressort de cette analyse que le stretching associé aux vitesses […]
The present study tackles the Deep Western Boundary Current (DWBC) dynamics in the North Atlantic basin as its impact on the AMOC. The DWBC advects dense water masses equatorward, produced in the subpolar gyre, and is one of the major component of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). This circulation contributes to the northward heat transport to high latitudes and allows to stabilise climate. When computing the AMOC in different ocean general circulation models (OGCM), results cover a wide range of intensity, spatial shape and temporal variability. Such response diversity is due to several factors. One of them is the remaining uncertainty on the link between dense water formation due to convection in the subpolar gyre, which contributes to connect the AMOC upper and lower branches, and the AMOC intensity at mid-latitudes. Those uncertainties are largely due to the knowledge gap of the deep circulation in North Atlantic because its direct observation is difficult and incorrectly reproduced in ocean models with a low spatial resolution. The methodology used rely on realistic numerical simulations based on the NEMO ocean general circulation model. Three configurations with an increasing spatial resolution have been developped using the grid refinement tool AGRIF : a global grid at 1/2◦ resolution (ORCA configuration), within which a first refined grid at 1/8◦ covering the whole North Atlantic (ERNA configuration) in which a second grid at 1/32◦ over the subpolar gyre (FER configuration). Both ERNA and FER are advanced and original by two aspects; they include a Sea-Ice model within embedded grids and FER reaches a high horizontal resolution over the subpolar gyre. We study the spatial horizontal resolution impact on the mean circulation in the North Atlantic with a focus on the AMOC contrasting simulations obtained with ORCA and ERNA solutions. Increasing the resolution improves the western boundary current dynamics at surface and depth. Indeed, the DWBC transport is intensified by 8Sv in the subpolar gyre partly due to a better representation of overflows coming from Nordic Seas through the Denmark Strait. Furthermore in ORCA the DWBC flows to the south along the Mid-Atlantic ridge ; in ERNA the flow along western continental shelf is dominant while a secondary circulation within the subpolar gyre arises being in better agreement with observations. The path followed by the DWBC along the continental shelf allows an interaction between surface and deep currents which seems to result both in an AMOC intensification and a maxima located close to 35 ̊N. This result tends to limit the influence of the convection, occuring at high latitudes, on the AMOC intensity at mid latitudes, often raised, and shed light on a modulation process of the AMOC intensity through the surface and deep currents interaction. We then addressed the thermohaline and the dynamical structure of the DWBC, asssocia- ted with the mesoscale representation, within the Labrador Sea using the FER configuration. With this configuration, which solved explicitly mesoscale eddies in the subpolar gyre, tempera- ture and salinity drift are clearly reduced compare to ERNA. Furthermore the vertical DWBC structure, especially its barotropisation from the eatstern to western side of the AR7W section within the Labrador Sea, is in very good agrement with observations. Using a simplified equation for relative vorticity, we try to identify the main processes handling the DWBC dynamics. The analysis reveals that the stretching associated with vertical velocities above topography and exchanges between isopycnal layers within boundary current dominate the vorticity balance. We also identify two areas within the DWBC where diapynal flux occur : along the Labrador Current on the western side of the Labrador Sea and seaward of Cape Desolation where eddy activity is marked. These results are close to two previous studies based on conceptual model and […]

La variabilité de la circulation profonde en Atlantique Nord est étudiée dans le contexte du changement climatique à l’aide des traceurs transitoires halocarbonés (CFC-11, CFC-12, CFC-113 et CCI4). Des campagnes hydrographiques datant de 1991 à 2006 sont utilisées, d’une part pour étudier la formation de masses d’eau de l’Atlantique Nord : l’eau de la Mer de Méditerranée (MSW) et l’eau de la Mer du Labrador (LSW), et, d’autre part, pour étudier la variation des propriétés et du transport des masses d’eau profondes en Atlantique Nord. L’étude de la MSW montre la présence d’une masse d’eau peu oxygénée, avec une forte concentration de silicate dans le Golfe de Cadi caractéristique de l’eau Antarctique Intermédiaire, Elle entre dans la formation de la veine inférieure de la MSW. L’étude de la uLSW dan la Mer d’lmminger met en évidence la variabilité des sites de formation de cette eau, Elle se forme tous les ans en Mer du Labrador et peut s’étendre vers le nord au Sud Groenland (observé 2005). Elle se forme également en Mer d’lmminger en 2002 et 2005. Les eaux de la LSW présentent une forte variation depuis les années 1990. Il est observé un changement de régime des profondeurs de convection associé à une diminution du transport de CFC-1 1 due à cette eau. Les caractéristiques de l’eau de débordement du détroit du Danemark (DSOW) en Mer d ‘Imminger dépendent du mélange, notamment de la présence de l’eau de surface polaire. Finalement, l’étude des flux de CFC-11 au nord de la section Ovide met en évidence une diminution des échanges océan-atmosphère en 2006 due à une diminution de la couche de mélange, entraînant une diminution de l’assimilation de CO2
The North Atlantic deep circulation variability is studied regarding global change. The variability is assessed using halocarbonated tracers (CFC-11, CFC-1 2, CFC-113 and CC14) and studying hydrographic cruises spanning from 1991 to 2006. In this work, water mass formation (Mediterranean Sea Water and Labrador Sea Water) and North Atlantic deep water masses properties and transport variability are studied. First, in the Gulf of Cadiz, the presence of a old and high-silicate water, caracterized as Antarctic lntermediate Water, is observed. That water is seen as participating to the lower Mediterranean Sea Water out of the Gulf. The formation site of the upper Labrador Sea Water is observed wider than formerly considered. It forms every year in the central Labrador Sea, that zone, under certain conditions, extends to the north South of Greenland (2005). Under severe wintertime, deep convection can occur in the Imminger Sea as observed in this study in 1997 and 2002. Second, the variability of the Labrador Sea Water is high since the 90’s. A reduction of the maximal convection depth is observed, at the same time the CFC-1 1 transport decreased at the level of the LSW. The Denmark Strait Overflow Water variability observed in the lmminger Sea is linked to a change in proportion of different waters composing it, in particular the presence of Polar Surface Water. Finally the CFC-11 fluxes north of the North Atlantic show a diminution of the air-sea exchange above that area especially in 2006 due to a decrease of the winter mixed layer depth, supporting a decrease of the uptake of anthropogenic carbon in that area

Les différents projets présentés dans cette thèse contribuent à la compréhension de plusieurs aspects clés de la circulation océanique. Le premier aspect que nous étudions porte sur les processus physiques à l'origine du mélange lié à la marée; deux processus ont été mis en évidence. Depuis la latitude critique vers l'équateur, la marée interne transfert son énergie à des ondes plus petite échelle via des instabilités triadiques résonnantes impliquant les ondes proche inertielles. Depuis la latitude critique vers le pôle, les ondes de marée interne continuent de transférer leur énergie à des ondes plus petite échelle, mais étonnamment ce transfert se fait entre la marée interne et des ondes évanescentes.Dans la deuxième étude, nous étudions l'effet d'un courant moyen sur la propagation et la dissipation des ondes de marée interne, générées à la topographie dans des simulations haute résolution. Dans ce cas, la dépendance en latitude de la dissipation de la marée interne est plus lisse et plus proche d'une constante. Ce changement de la dépendance en latitude peut être lié au décalage des fréquences des ondes de marée interne par effet Doppler, ce qui induit la génération d'ondes secondaires plus petite échelle.Dans la troisième étude, nous étudions l'effet d'une perturbation générée en amont sur la circulation dans le bassin amont dû à l'interaction entre la perturbation et un seuil hydrauliquement contrôlé. Les ondes de Kelvin et topographiques de Rossby, générées par une variation de l'afflux d'eau dans le bassin amont, perturbent l'écoulement au dessus du seuil et ainsi l'export d'eau. Cette perturbation est due à la réfraction des ondes sur le seuil à chaque passage, une fois qu'elles ont fait le tour du bassin amont
The various projects presented in this thesis contribute to our understanding of various key aspects of the oceanic circulation. The first aspect that we investigate is the physical processes responsible for this tidal mixing, and we identify two processes. Equatorward of the critical latitude, internal tides transfer their energy to smaller-scale waves via triadic resonant instabilities involving near-inertial waves. Poleward of the critical latitude, internal tides still transfer energy to smaller-scale waves, but surprisingly this transfer takes place between the internal tide and evanescent waves.In the second study, we investigate the effect of a mean current on the propagation and the dissipation of internal tides generated at the topography in high-resolution simulations. In that case, the latitudinal dependence of the tidal energy dissipation is found to be smoother and closer to a constant. This change in the latitudinal dependence can be linked to the Doppler shift of the frequency of the internal tides, which impacts the generation of smaller-scale secondary waves.In the third study, we study the effect of an upstream disturbance on the upstream circulation by interaction with a hydraulically controlled sill. The Kelvin and topographic Rossby waves, generated by a change in the upstream inflow, perturb the flow through the channel and hence the water export. This perturbation is due to the refraction of the waves at the sill at each passage, once they go around the upstream basin

Cette étude concerne la mise en euvre de méthodes numériques d'optimisation de type contrôle optimal appliquées à un problème d'assimilation de données en océanographie. Il s'agit d'étudier la faisabilité de la méthode dans un problème de grande taille et dans un modèle turbulent, caractéristique des circulations océaniques aux latitudes moyennes. Le modèle de circulation utilisé est un modèle quasi-géostrophique stratifié en plusieurs couches. Les données à assimiler sont les mesures altimétriques satellitaires (hauteur de la surface libre de l'océan). Elles se trouvent uniquement sur la couche de surface. Le vecteur de contrôle est choisi comme étant la condition initiale du système dynamique sur toutes les couches. Sur le plan théorique, sont étudiés : - l'existence et l'unicité de la solution de l'équation linéarisée ; - l'existence et l'unicité de l'état adjoint ; - la convergence de la méthode de contrôle par des suites minimisantes. Nous étudions ensuite la qualité de l'identification des circulations en profondeur en connaissant les informations de surface. Nous abordons aussi les différentes stratégies d'assimilation en temps (séquentielle, incrémentale, ...). Une étude au second ordre de la fonctionnelle permet d'estimer l'erreur de l'identification et de quantifier la propagation des informations de surface en profondeur. Un test de la validation croisée généralisée sur notre problème pour déterminer le coefficient de régularisation est fait grâce à cette étude au second ordre.