Dissertations / Theses on the topic 'Circulation subpolaire'

La dorsale de Reykjanes est une structure topographique majeure de l’océan Atlantique Nord qui s’étend de l’Islande à la zone de fracture de Charlie Gibbs. Située entre le bassin d’Islande et la mer d’Irminger, la dorsale de Reykjanes influence fortement la circulation du gyre subpolaire et est une porte d’entrée vers les zones de convection profondes. Cependant, la circulation et la répartition des masses d’eau à travers la dorsale de Reykjanes n’ont jamais été directement quantifiées, de sorte que la caractérisation de la connexion entre le bassin d’Islande et la mer d’Irminger est encore incomplète. Dans le cadre du projet « Reykjanes Ridge Experiment », nous avons été capables d’analyser la circulation autour, au-dessus et à travers la dorsale de Reykjanes. Essentiellement à partir de sections hydrographiques perpendiculaires et le long de l’axe de la dorsale, l’objectif de cette thèse a été de quantifier et caractériser la circulation 3-D et les propriétés des courants qui longent et traversent la dorsale de Reykjanes. Nous avons commencé par quantifier précisément le transport géostrophique à travers les sections, ce qui a permis d’améliorer le traitement des données S-ADCP. A travers la dorsale de Reykjanes, l’intensité de la branche du gyre subpolaire qui rejoint la mer d’Irminger a été estimée à 21.9 + 2.5 Sv en Juin – Juillet, avec des intensifications dans la zone de fracture Bight (BFZ) et à 59 – 62°N. Dans la BFZ, les masses d’eau profondes sont influencées par la bathymétrie, de sorte que leurs propriétés hydrologiques se modifient lorsqu’elles traversent la dorsale de Reykjanes. Enfin, la bathymétrie et la circulation horizontale cyclonique du bassin d’Islande contrôlent les courants qui longent la dorsale en bloquant certaines masses d’eau, et donc sont à l’origine de la répartition de ces masses d’eau le long de la dorsale. En plus des masses d’eau du Bassin d’Islande, le Courant d’Irminger comprend également des masses d’eau qui proviennent de la mer d’Irminger
The Reykjanes Ridge is a major topographic feature of the North-Atlantic Ocean that extends from Iceland to the Charlie Gibbs Fracture Zone. Located between the Iceland Basin and the Irminger Sea, the Reykjanes Ridge strongly influences the subpolar gyre circulation and is a gate toward the deep convection areas. However, the circulation and distribution across the Reykjanes Ridge has never been directly quantified such that the characterization of the connection between the Iceland Basin and the Irminger Sea is still incomplete. As part of the Reykjanes Ridge Experiment project, we were able to analyze the circulation around, above and across the Reykjanes Ridge. Mainly based on hydrographic sections along and perpendicular to the ridge axis, the aim of this PhD thesis was thus to characterize the 3-D circulation and properties of the flow along and across the Reykjanes Ridge.We started by accurately quantifying geostrophic transports across the sections, which led to improvements in the treatment of S-ADCP data. Across the Reykjanes Ridge, the intensity of the wesward branch of the subpolar gyre was estimated at21.9 + 2.5 Sv in June – July 2015 with intensifications at the Bight Fracture Zone (BFZ) and at 59 – 62°N. At the BFZ, overflow waters are influenced by the bathymetry such as their hydrological properties evolve as they cross the Reykjanes Ridge. Finally, both the bathymetry and the cyclonic horizontal circulation of the Iceland Basin regulate the evoluton of the along-ridge flows by blocking water masses, and thus shaping the water mass distribution over the Reykjanes Ridge. In addition to waters from the crossridge flow, the Irminger Current incorporates waters from the center of the Irminger Sea

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 […]

L’objectif de ce travail était d’étudier la variabilité de la circulation océanique méridienne aux échelles de temps pluri décennales dans l’océan Atlantique nord au cours des deux mille dernières années, ainsi que son lien avec la variation de l’extension des gyres subtropicales et subpolaires. J’ai donc étudié, à partir de carottes de sédiments marins à fort taux de sédimentation, l’évolution de la température des eaux de surface et de la stratification de la colonne d’eau en lien avec le fonctionnement des gyres subpolaire et subtropicale.Compte tenu des difficultés spécifiques à la période de temps considérée, la première partie de mon travail a consisté à contraindre le milieu et la période de calcification des principaux foraminifères utilisés, à partir de la composition isotopique de l’oxygène analysée dans la coquille des foraminifères planctoniques. J’ai également précisé la calibration en Magnésium et en Calcium en fonction de la température. La deuxième partie de mon travail a consisté à reconstruire les conditions hydrologiques dans des zones clés de l’océan Atlantique Nord sur les deux mille dernières années. J’ai ainsi construit un index de la gyre subpolaire à partir d’un gradient de température Est-Ouest, qui traduit l’intensité dynamique de la gyre subpolaire et de la gyre subtropicale. L’apport de l’analyse des foraminifères planctoniques profonds a permis de reconstituer les variations de la colonne d’eau supérieure. La stratification plus ou moins marquée de la colonne d’eau est reliée directement à l’intensité des vents d’Ouest. Les similitudes entre les vents et l’index de gyre m’ont amené à proposer un couplage entre l’océan et l’atmosphère aux échelles de temps pluri décennales.La dernière partie de ma thèse s’est focalisée sur les conséquences des variations de la dynamique des gyres océaniques sur le transport de chaleur vers les hautes latitudes ainsi que sur l’impact des variations des vents d’Ouest sur le climat européen
The purpose of this thesis was to study the surface oceanic circulation in the North Atlantic Ocean during the last 2,000 years, and its link with the intensity of the subpolar and the subtropical gyres. To fulfill these objectives, I studied sediment cores with a high sedimentation rate to reconstruct the multidecadal variability of the temperature and the water column stratification, controlled by the dynamic of oceanic gyres. To improve the marine paleoclimatic signal recorded from planktonic foraminifera, I constrained their growing season and their calcification depth by analyzing the oxygen isotopic composition of their calcitic shells. I also established calibrations between Mg/Ca ratio and temperature for the main species used.I applied these calibrations to reconstruct the hydrological conditions in key areas of the North Atlantic Ocean. I constructed an index of the subpolar gyre that traduces the dynamic intensity of the subpolar gyre and the subtropical gyre. I also studied the variability of the upper water column based on the analysis of deep-dwelling foraminifera. I interpret past changes in the water column stratification as resulting from changes in the intensity of Westerly winds. The similarities between the wind forcing evolution and the index of the subpolar gyre dynamics led me to propose a coupling between the ocean and the atmosphere on the multidecadal time scale. The consequences of the gyres dynamic on heat transport and the impacts of the change in westerly wind strength on European climate are studied in the last part of the manuscript

Les Eaux Modales du gyre subpolaire de l’Atlantique Nord sont des éléments importants de la circulation de surface océanique. Jusqu’à présent, le cycle de vie de ces masses d’eau n’a été décrit qu’à partir d’observations collectées et moyennées sur plusieurs décennies. Ces descriptions n’abordent pas les échelles de temps de ce cycle et lissent les signaux de variabilité. Cette thèse aborde donc ces deux aspects grâce à l’analyse des champs du modèle ORCAQ25-G70 qui complète l’analyse des observations. L’analyse lagrangienne des champs ORCAO25-G70 permet de mettre en évidence le rôle prépondérant du courant Nord Atlantique dans le cycle de vie des Eaux Modales. Les échelles de temps du cycle de vie sont très courtes. Les Eaux Modales se forment sous l’effet des flux atmosphériques et du mélange et sont rapidement advectées par le courant Nord Atlantique vers les zones de convection profonde. Si les flux atmosphériques sont le moteur de la formation des Eaux Modales, la variabilité de leurs propriétés et de leur répartition spatiale est dirigée par l’advection. La variabilité liée à l’advection s’accompagne de variations de l’intensité des courants alimentant le gyre subpolaire. Ces variations sont associées à la variabilité des contributions subpolaires et subtropicales à l’alimentation des Eaux Modales responsable des grands changements de propriétés observés lors des dernières décennies, Les processus décrits parle modèle étant proches des observations, on estime, via un bilan de chaleur, que le réseau Argo doit permettre de décrire avec précision la formation et la variabilité des Eaux Modales subpolaires sur des échelles de cinq à dix ans
The subpolar mode waters of the North Atlantic ocean play a key role in the general oceanic surface circulation. Their life cycle bas only been described from an average of observations collected during several decades. This description avoids the real time scale of the life cycle of the mode waters and smooths their variability. This thesis work deals with these two parameters by analysing both the ORCA025-G70 model fields and the observations. The lagrangian analysis of the ORCAO25-G70 fields highlights the key role of the North Atlantic current in the life cycle of the mode waters. The time scales of this cycle are very short. The surface atmospheric fluxes and the mixing are the formation processes of the mode waters. These ones are rapidly advected by the North Atlantic Current toward the areas of deep convection. If the mode water formation is driven by the atmospheric fluxes, the mode Water variability le driven by the advection. This variability is linked to the variable intensity of the main branches of the North Atlantic current in the subpolar gyre. These variations are linked to the variable influence of the subpolar and subtropical contributions to the mode water feeding. This relative influence is responsible for the great changes in the subpolar mode water properties observed in the past decades. The processes describes by the model are close to the observations. Therefore, we consider from a heat budget calculation that the Argo array should be able to provide a precise description of the mode water formation and variability on a pentadal to decadal time scale

La circulation méridienne de retournement (MOC) de l’Atlantique Nord est une composante clé du système climatique global, via son rôle dans la redistribution de chaleur, d’eau douce et de propriétés chimiques entre hautes et basses latitudes. Aux moyennes et hautes latitudes, le Courant Nord-Atlantique(NAC) forme la branche haute de la MOC. Il s’écoule vers le nord-est à la frontière des gyres subpolaire et subtropical, et se divise en deux branches principales dans l’est du gyre subpolaire : une branche nord qui recircule vers l’ouest dans le gyre subpolaire et une branche sud qui alimente les mers Nordiques.Une simulation réaliste haute résolution (ORCA025-G70, 1/4°) est combinée à un outil d’analyse Lagrangienne pour étudier la variabilité de la MOC (1965-2004) à travers la section A25-Ovide qui joint le Portugal au Groenland. Deux cellules de retournement vertical sont identifiées : une cellule subtropicale connectant les hautes et basses latitudes et une cellule interne aux régions subpolaires. La variabilité décennale de la MOC est associée à des changements synchronisés des apports subtropical et subpolaire dans la NAC. Ce dernier subit d’importantes restructurations horizontales caractérisées par la variabilité opposée de ses deux branches. Ces modifications de la distribution horizontale du transport sont principalement régies par la variabilité de l’afflux subtropical.Les variations du transport de chaleur à travers A25-Ovide sont la cause principale de la variabilité du contenu de chaleur observée dans l’est du gyre subpolaire (1965-2004). La variabilité du transport de chaleur résulte d’un déséquilibre entre des changements opposés de ses composantes « vitesse » et « température ». Les anomalies de vitesse et température sont en partie reflétées dans des déplacements verticaux d’isopycnes, potentiellement associés à la proportion changeante de masses d’eau subtropicales et subpolaires transportées par la branche nord du NAC.Enfin, une circulation surface-fond moyenne calculée depuis des mesures hydrographiques répétées et des mesures altimétriques indique une contribution mineure de la mer du Labrador pour la MOC global. Cependant, l’intensité du retournement diapycnal à AR7W a presque diminué de moitié entres les 1990’s et les 2000’s, confirmant l’importance de la région pour la variabilité basse-fréquence de la MOC
The meridional Overturning Circulation (MOC) of the North Atlantic ocean is a key component of the global climate system, through its role in redistributing heat, freshwater end chemical properties between low and high latitude regions. In mid-high latitude regions, the North Atlantic Current (NAC) forms the upper limb of the MOC. It flows northeastward at the subtropical/subpolar boundary, and splits into two main branches in the eastern subpolar gyre: a northern branch that recirculates within the subpolar region and a southern branch that feed the Nordic Seas.A realistic eddy-permitting simulation (ORCA025-G70, 1/4°) is combined with a Lagrangian analysis tool (ARIANE) to investigate the MOC variability (1965-2004) across the A25-Ovide line, which joins Greenland to Portugal. Two vertical overturning cells are identified: a subtropical cell connecting low and high latitudes (12Sv) and a cell internal to the subpolar gyre (4Sv). The decadal MOC variability is associated with synchronized transport changes of the subtropical and subpolar inflow within the NAC. The latter undergoes important horizontal restructuring with opposed transport changes of its northern and southern branches. Those horizontal transport changes are largely induced by the horizontal variability of the subtropical inflow.Changes in oceanic heat transport across A25-Ovide are largely responsible for the observed heat content changes in the eastern subpolar gyre (1965-2004). Heat transport variability at A25-Ovide results from an imbalance between opposed changes in its velocity and temperature components. Both temperature and velocity anomalies are partly reflected in large scale heaves of isopycnals, and potentially relate to the varying proportion of warm subtropical waters and cold subpolar waters advected within the northern NAC branch.A 2000’s mean full-depth circulation computed along the merged AR7W/A25-Ovide line from repeated hydrographic profile and altimetry data indicates a minor contribution of the Labrador Sea to the basin wide mean MOC. However, the strength of the diapycnal overturning at AR7W has almost halved between the 1990’s and the 2000’s, confirming the importance of the region for the low-frequency MOC Variability

Le gyre subpolaire de l’Atlantique Nord décrit par la circulation cyclonique à grande échelle entre 50°N et 63°N joue un rôle clé dans la variabilité du climat. Le programme Ovide contribue à l’observation des éléments de circulation dans cette région, par le biais notamment de la répétition d’une radiale de mesures tous les deux ans en été depuis 2002 entre le Groenland et le Portugal, suivant un trajet proche de la section Fourex (A25) réalisée en août 1997. Pour estimer les transports à travers les sections, on utilise un modèle inverse géostrophique en boite, contraint par des mesures directes de courant. La nécessité d’utiliser des contraintes temporellement associées à une section pour estimer des transports représentatifs de la circulation au moment de la campagne est mise en évidence à partir des données de Fourex 1997. On montre que des mesures altimétriques peuvent être utilisées à la place des mesures ADGP pour estimer les transports à travers les sections à l’aide du modèle inverse. L’analyse de la circulation à travers la section Ovide 2006 montre des transports tous significativement beaucoup plus faible en juin 2006 par rapport aux étés 1997, 2002 et 2004. Une analyse de la hauteur dynamique le long de la section Ovide semble indiquer que le transport vers le nord en surface était particulièrement faible pendant toute l’année 2006. La variabilité des flux d’eau douce à travers les sections Fourex 1997 et Ovide 2002, 2004 et 2006 est mise en évidence, ainsi que la variabilité de la position de l’EGCC, dont le transport d’eau douce correspond à 15% du transport total d’eau douce à travers les sections
The cyclonic circulation of the North Atlantic subpolar gyre, between 50°N and 63°N, plays a key role in the climate variability. The Ovide program contributes to the observation of the circulation in this region. A section is repeated every two years in summer since 2002 between Greenland and Portugal following a path close the Fourex 1997 section. To get transport estimates across the sections, a geostrophic box inverse model is used, constrained with direct current measurements. Our new estimates of Fourex transports show the need to use constraints temporally associated with the section to get transports estimates representative of the circulation at the section realisation dates. It is also shown that altimetry velocities can be used instead of ADCP measurements to get transports across sections with the inverse model, provided that the a priori errors is correctly evaluated. Analysis of circulation across Ovide 2006 section display significantly weaker transports compared to 1997, 2002 and 2004, for aIl the main currents as well as for the Meridional Overturning Cell and the heat transport. Altimetry is used to interpret surface variability along the Ovide section from 1992 to 2007. An index is defined, which seems to indicate that northward surface transport was especially low during the whole year 2006 and turn back to less extreme values in the following years. Variability in freshwater fluxes across Fourex 1997, Ovide 2002, 2004 and 2006 sections is revealed in the last chapter, together with the EGCC position. This coastal current transport represents 15% of the total freshwater transport across the section

L'objectif de ce travail était d'étudier la variabilité de la circulation océanique méridienne aux échelles de temps pluri décennales dans l'océan Atlantique nord au cours des deux mille dernières années, ainsi que son lien avec la variation de l'extension des gyres subtropicales et subpolaires. J'ai donc étudié, à partir de carottes de sédiments marins à fort taux de sédimentation, l'évolution de la température des eaux de surface et de la stratification de la colonne d'eau en lien avec le fonctionnement des gyres subpolaire et subtropicale.Compte tenu des difficultés spécifiques à la période de temps considérée, la première partie de mon travail a consisté à contraindre le milieu et la période de calcification des principaux foraminifères utilisés, à partir de la composition isotopique de l'oxygène analysée dans la coquille des foraminifères planctoniques. J'ai également précisé la calibration en Magnésium et en Calcium en fonction de la température. La deuxième partie de mon travail a consisté à reconstruire les conditions hydrologiques dans des zones clés de l'océan Atlantique Nord sur les deux mille dernières années. J'ai ainsi construit un index de la gyre subpolaire à partir d'un gradient de température Est-Ouest, qui traduit l'intensité dynamique de la gyre subpolaire et de la gyre subtropicale. L'apport de l'analyse des foraminifères planctoniques profonds a permis de reconstituer les variations de la colonne d'eau supérieure. La stratification plus ou moins marquée de la colonne d'eau est reliée directement à l'intensité des vents d'Ouest. Les similitudes entre les vents et l'index de gyre m'ont amené à proposer un couplage entre l'océan et l'atmosphère aux échelles de temps pluri décennales.La dernière partie de ma thèse s'est focalisée sur les conséquences des variations de la dynamique des gyres océaniques sur le transport de chaleur vers les hautes latitudes ainsi que sur l'impact des variations des vents d'Ouest sur le climat européen.

L’océan Austral est une région centrale pour la circulation océanique globale et le climat. Il est cependant également en première ligne du changement climatique, notamment par son absorption importante de chaleur et de carbone anthropique. Par conséquent, l’océan Austral a connu de grands changements dans sa structure hydrographique et sa circulation dans les dernières décennies. Sa région subpolaire, au sud du courant circumpolaire Antarctique, abrite une circulation grande échelle importante pour la production des masses d'eau et leur contenu de chaleur et de carbone, pour les interactions océaniques avec la banquise et les plateformes glaciaires, avec des conséquences sur l'élévation du niveau de la mer. C’est également une région très peu observée, en particulier en hiver lorsque celle-ci est couverte par la banquise. Par conséquent, la réponse locale de la circulation et de la structure hydrographique de l’océan Austral subpolaire à des interactions avec l’atmosphère, la cryosphère et la grande échelle est toujours sujette à de nombreuses recherches. Dans cette thèse, je contribue à observer la variabilité et les changements à long terme de l’hydrographie et de la circulation de l’océan Austral subpolaire, et à documenter les mécanismes qui contrôlent leur variabilité. J’observe d’abord les changements à long terme de la température de la couche supérieure de l’océan Austral, à partir de transects répétés par bateau pendant 25 années. En plus des changements déjà bien documentés, je montre le réchauffement et la remontée des eaux chaudes de subsurface, à une vitesse plus importante qu’estimée auparavant et de façon plus forte que la variabilité interannuelle. Je présente ensuite un jeu de données de hauteur de mer, qui consiste en six années de mesures sur l’ensemble de l’océan Austral au sud de 50°S. Ce jeu de données me permet d’explorer la variabilité de la circulation de l’océan Austral subpolaire, et notamment sur le cycle saisonnier de la circulation grande échelle et de l’activité méso-échelle sous la glace. À l’échelle saisonnière, la circulation des gyres de Weddell, de Ross et le courant de pente Antarctique sont principalement dictés par trois modes de variabilités, reliés à la tension de vent en surface et sa modulation par la glace de mer. La circulation de méso-échelle est faible sous la banquise hors du courant de pente Antarctique, alors que la zone marginale de glace semble favoriser la génération de tourbillons cycloniques. Les implications de ces résultats pour les mécanismes physiques de l’océan Austral et ses changements à long terme sont discutées
The Southern Ocean is central to the global oceanic circulation and climate. This region is however on the frontline of human-induced climate change, through intense uptake of anthropogenic heat and carbon. Consequently, the Southern Ocean has experienced important changes in its hydrography and circulation over the last decades. Its subpolar part, south of the Antarctic Circumpolar Current, hosts large circulation systems of importance for the production of water masses and their associate heat and carbon content, for ocean interactions with sea-ice and ice-shelves, and consequently for global mean sea level. Observations are still sparse in that region, particularly in wintertime when it is covered by sea ice. Thus, the regional response of the subpolar Southern Ocean hydrography and circulation to interactions with the atmosphere, cryosphere, and background circulation at various spatial and time scales is still under active research.In this thesis, I contribute to observing the variability and long-term changes of the hydrography and circulation of the subpolar Southern Ocean, and to unveil the mechanisms driving their variability. I first observe the long-term temperature changes in the upper layer of the Southern Ocean, from repeated ship-based measurement transects over 25 years. Besides previously documented trends, I refine the monitoring on the still poorly observed warming and shallowing of the warm subsurface water of the Southern Ocean. The long term warming is stronger than interannual variability, and the shallowing rate is 3 to 9 times the previously estimated one. In a second part, I develop and exploit an ocean topography dataset, spanning six years of measurements over the whole Southern Ocean south of 50°S. This dataset allows me to explore the variability of the subpolar Southern Ocean circulation, particularly the seasonal cycle of the large-scale circulation and the mesoscale variability under sea ice. At the seasonal scale, the circulation of the Weddell and Ross gyres, and the Antarctic Slope Current are mainly dictated by three modes of variability, principally linked to the surface stress of the wind on the surface of the ocean and its modulation by the sea ice. The mesoscale variability is weak outside the energetic Antarctic slope current in the pack ice, while the marginal ice zone seems to be a region with enhanced cyclonic eddies generation. The implications of these results on the physical processes of the Southern Ocean and its long-term changes are discussed

L’océan représente un puits majeur de carbone vis-à-vis de l’accroissement de CO2 atmosphérique, mais l’évolution à long terme de ce puits est mal connue. Ce travail vise donc à analyser son évolution dans l’Atlantique nord à l’aide de données biogéochimiques et hydrologiques collectées entre 1993 et 2007. Dans le gyre subpolaire de l'Atlantique nord, il est montré que la fugacité océanique du CO2 (fCO2oc) a augmenté plus rapidement dans l’océan que dans l’atmosphère sur la période 1993-2007. Pour la période 1993-2003, l’augmentation est due au réchauffement des eaux de surface, tandis q’entre 2001 et 2007, ce changement a été attribué à des modifications des propriétés chimiques de l’eau de mer. Depuis 2001 cette région est une source océanique de CO2 en hiver. En conséquence, le puits océanique de CO2 diminue rapidement et est susceptible d’impliquer des changements dans les concentrations de CO2 atmosphérique.

En Atlantique Nord, le gyre subpolaire (GSP) joue un rôle clé dans le cycle du carbone et la variabilité du climat. Il est le siège d'un bloom phytoplanctonique printanier vigoureux, entretenu par le transport saisonnier de nutriments et modulé par la lumière. Les macro-nutriments (NO3, PO4, DSi) sont principalement apportés à la couche de mélange (CM) par transport latéral depuis les hautes latitudes (principalement par les détroits de Davis et d'Hudson), et les basses latitudes par le Courant Nord-Atlantique (NAC), ou par transport vertical depuis la base de la CM où des concentrations plus élevées sont présentes. Il a été suggéré que ces processus d'approvisionnement varient en fonction de l'Oscillation Nord-Atlantique (NAO), un mode majeur de variabilité climatique naturelle. Lorsque l'indice de NAO est négatif, comme ce fut le cas du milieu des années 1990 à la fin des années 2000, les conditions physiques sont similaires à celles prévues sous changement climatique (i.e. réchauffement et réduction de la salinité et de la convection profonde (CP), ralentissement de la circulation méridienne de retournement de l'Atlantique, augmentation de la stratification). Dans la même période, une baisse des concentrations en nutriments a été observée dans toute la région, conduisant à l'hypothèse que les processus sous-jacents pourraient être similaires à ceux qui agissent sous changement climatique pour réduire les niveaux de nutriments dans la CM.L'objectif principal de cette thèse est d'analyser et de quantifier les contributions des processus dynamiques (i.e. le transport latéral et vertical) à la variabilité observée des concentrations en nutriments dans la CM du GSP entre 1980 et 2015. L'analyse utilise un modèle couplé physique-biogéochimie (NEMO-PISCES) discrétisé sur une grille au quart de degré. Une évaluation de la variabilité spatiale et temporelle des concentrations en nutriments et des principaux processus physiques du modèle, tels que la CP dans la mer du Labrador et le transport latéral d'eau et de nutriments, a été réalisée en comparaison avec des données d'observation. L'accent a d'abord été mis sur la mer du Labrador, qui est une région caractérisée par une CP hivernale intense et variable, cela en fait un laboratoire idéal pour distinguer le rôle de la variabilité de la CP hivernale de celui de la circulation du GSP et des apports Arctique. Malgré son affaiblissement, la contribution du transport de DSi arctique à travers les détroits de Davis et d'Hudson à la variabilité observée des nutriments s'est avérée négligeable (= 3 %). La CP a été identifiée comme le principal moteur de la baisse des concentrations de DSi pré-bloom en mer du Labrador. L'étude a ensuite été étendue à l'ensemble du GSP avec une évaluation de la variabilité récente des concentrations en nutriments dans la CM par l'analyse de la variabilité des transports latéraux et verticaux entre les périodes de forte NAO positive, de NAO négative et la période qui suit. Outre la variabilité temporelle des concentrations en réponse au forçage atmosphérique, des différences régionales apparaissent, avec une contribution dominée par le transport vertical dans les mers du Labrador et d'Irminger, induites par des variations de la profondeur de la CM. La variabilité des transports de nutriments traversant le GSP est cohérente avec la variabilité des nutriments au sein du GSP, mais découplée des nutriments transportés par le Gulf stream via le NAC à l'ouest de 38°N.Dans cette thèse, j'ai mis en évidence la prédominance du mélange vertical dans la variabilité contemporaine des concentrations de nutriments par rapport aux apports latéraux. Je montre qu'un ralentissement de la circulation générale associé à une stratification de la colonne d'eau conduit à l'affaiblissement des flux verticaux de nutriments. Ainsi, une réduction des concentrations futures en nutriments et potentiellement de la production primaire dans le GSP est attendue sous changement climatique
The Subpolar Gyre (SPG) of the North Atlantic plays a key role in the carbon cycle and climate variability. It is the site of a vigorous spring phytoplankton bloom, maintained by the seasonal transport of nutrients in association with light. Macro-nutrients (NO3, PO4, DSi) are supplied predominantly to the mixed layer by lateral transport from high latitudes (mainly through the Davis and Hudson Straits), from lower latitudes by the North Atlantic Current, or by vertical transport from below the mixed layer where higher concentrations are present. These supply processes have been suggested to vary in response to the North Atlantic Oscillation, a major mode of natural climate variability. When the NAO index is negative, as it was the case from the mid-1990s to the end of the 2000s, physical conditions are similar to those projected under climate change (i.e. , warming and freshening, weakening of deep convection, slowing down of the Atlantic Meridional Overturning Circulation, increasing straatification. During the same period, a decline in macro-nutrient concentrations was observed throughout the region leading to the hypothesis that underlying processes could be similar to those acting under global warming to reduce mixed layer nutrient levels. The main objective of this thesis was to analyze and quantify the contributions of dynamic processes (i.e., lateral and vertical transport) to the observed variability in macro-nutrient mixed layer concentrations over the SPG between 1980 and 2015. The analysis used a coupled physical-biogeochemical model (NEMO-PISCES) discretized on a quarter-degree grid. An assessment of the model's representation of the spatial and temporal variability of macro-nutrient concentrations and the main physical processes, such as deep convection in the Labrador Sea, and the lateral transport of water and nutrients, was carried out in comparison with data from observations. An initial focus was on the Labrador Sea, which is a region characterized by deep, intense, and variable winter convection, making it an ideal laboratory for distinguishing the role of variability in deep winter convection from that of the Subpolar Gyre circulation and inputs from the Arctic Ocean. Despite some weakening, the contribution of changes of Arctic DSi transport through the Davis and Hudson Straits to observed nutrient variability was shown to be negligible (= 3%). Deep convection was identified as the main driver of the decline in pre-bloom DSi concentrations in the Labrador Sea. The study was extended next to the broader SPG, with assessment of the recent variability of macro-nutrient concentrations in the mixed layer through analysis of the variability of lateral and vertical transports between a period of strong positive NAO, a period of negative NAO, and the period following. In addition to the temporal variability of concentrations in response to atmospheric forcing, regional differences emerge, with a contribution dominated by vertical transport in the Labrador and Irminger Seas, led by variations in the depth of the mixed layer. Zonally-integrated nutrient transport east and north of the SPG are coherent with the variability of nutrient within the SPG but decoupled from nutrient transported by the Gulf stream via the North Atlantic Current west of 38°N. In this thesis, I highlighted the predominance of vertical mixing in the contemporary variability of nutrient concentrations compared with lateral inputs. I show that a slowing of the general circulation associated with stratification of the water column leading to the weakening of vertical nutrient fluxes, as is the case under projected climate change conditions, would lead to a reduction in macronutrient concentrations and potential future primary production in the SPG

This thesis deals with the dynamics and circulation in the northern North Atlantic and the Nordic Seas, processes of crucial importance for the mild climate of Scandinavia and Northern Europe. High-resolution ADCP scans of currents from Greenland to Scotland in the top 400 m demonstrate that the Reykjanes Ridge is a very effective separator of flow towards the Nordic and Labrador Seas, respectively. It was found that the meridional overturning circulation has weakened by ~1.7 Sv (1 Sv = 106 m3 s-1) during the 18-year period when altimetric data were available. This trend may be an effect of the Atlantic Multidecadal Oscillation, but is certainly not due to the North Atlantic Oscillation (NAO). By studying the circulation in the Faroe-Shetland Channel, which is an important choke point for the global thermohaline circulation, it was concluded that the contraction of the Norwegian-Sea gyre during low NAO periods plays an important role for disturbing the flow pattern. This specifically affects the regional ocean climate by leading to an accumulation of warm and saline Atlantic waters in the channel. During high NAO phases the circulation is strongly topographically controlled. The Norwegian Atlantic Slope Current (NwASC) is the main flow branch linking the North Atlantic to the Arctic and Barents Sea. It was found that the NwASC is largely coherent over seasonal to interannual time-scales. However, on shorter time-scales the coherency of the flow shows a sustained and pronounced weakening downstream of Lofoten. Intense eddy-shedding from the slope into the Lofoten Basin damps the coherent structure of the flow. The eddies take about two months to propagate to and to merge with the semi-permanent anticyclonic vortex above the deepest part of the Lofoten Basin. These results have implications for how flow/hydrographic anomalies are transferred through the Nordic Seas towards the Arctic. Anomalous transports of warm water into the Arctic and Barents Sea via the NwASC are found to be driven by a combination of the NAO and the other two leading modes of atmospheric variability in the North Atlantic. The results reported in the thesis may be of importance for achieving a correct representation of the heat conveyed polewards in climate models.

At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 3: Submitted. Paper 4: Submitted. Paper 5: Manuscript.

Thesis (Ph. D.)--University of California, San Diego, 2006.
Title from first page of PDF file (viewed December 12, 2006). Available via ProQuest Digital Dissertations. Vita. Includes bibliographical references.

The investigation of the role of basin-scale forcing on the circulation of the Faroe-Shetland Channel (FSC) is important to further understanding of the inter-annual variability of the Atlantic water (AW) fluxes in this region. The FSC plays a key role in the transfer of warm and saline AW towards the Nordic Seas that is an integral part of the Atlantic Meridional Overturning Circulation which is projected to decline over the twenty-first century and might reduce the oceanic heat and salt transports towards the Arctic. So far little attention has been paid to the mechanisms driving the AW fluxes in the FSC, reliable estimates of AW temperature and salt transports time series are lacking. This study presents a new time series of the AW fluxes based on the combination of hydrography and altimetry data. The mechanisms involved in driving the variability of AW fluxes are considered based on observational data and the output from a high-resolution ocean model (VIKING20). The hydrographic observations from 1993 to 2015 show an increase in temperature and salinity of AW. However, there is no evidence of trends in AW volume, temperature or salt transports during the observed period. This analysis confirms that the amount of heat and salt transported through the FSC is dominated by the volume transport. Moreover, this study identifies a bias in the standard deviation of the geostrophic velocity at a depth associated with referencing the geostrophic calculations to the sea surface geostrophic velocity from satellite altimetry. This finding does not strongly influence the AW volume transports in the AW layer, however, it has important implications for estimates of the geostrophic volume transport at depth. This study shows that the Ekman driven up/downwelling and the differential Ekman pumping mechanisms driven by the local wind forcing may influence sea surface height (SSH) and the displacement of isopycnals in the channel, leading to AW volume transport variabilit However, due to the large associated error bars on the surface and subsurface parameters, there is no clear evidence that these mechanisms are significantly responsible for the AW volume transport variability in the FSC. Lagrangian trajectories show evidence of two pathways from the North Atlantic to the FSC that may explain AW variability in the FSC: one pathway involves the flow of warm and saline waters from the Rockall Trough that corresponds to high temperatures and low AW volume transport in the channel, and the other pathway involves the flow of relatively cooler and less saline waters from the Iceland Basin that is linked to low temperatures and stronger volume transport in the FSC. Moreover, we show that the first (second) pathway is associated with the negative (positive) phases of the North Atlantic Oscillation (NAO) and the ocean gyre contraction (expansion). The changes of the NAO index phases explain 26 % of the AW volume transport variance in the FSC. Another important mechanism that leads to stronger (weaker) AW volume transport is stronger (weaker) pressure gradient across the Greenland-Scotland Ridge, reflected by the SSH changes. This mechanism explains 29 % of AW volume transport variance in the FSC.

Large-scale circulation in the northern North Atlantic plays a crucial role in the global climate by influencing ocean storage of atmospheric heat and carbon. Temperature and salinity changes in this region can have important consequences on ocean circulation due to density stratification at sites of deep water formation. Such influences can involve feedback mechanisms related to the Atlantic Meridional Overturning Circulation, which has been shown to influence the hydrography of the northern North Atlantic on decadal timescales. Current expectations are that through increasing sea-ice melting, river discharge, an intensifying hydrological cycle and glacial melt anomalies, future climate change could disrupt North Atlantic circulation patterns with cascading effects on carbon cycling and global climate. These interactions were investigated through circulation changes associated with salinity and freshwater variability, as well as variability in temperature and heat content. Recent changes in phytoplankton concentration and biological productivity in the Labrador Sea were also examined as part of this study. Spatial and temporal patterns of salinity in the North Atlantic were examined with the help of objective analysis and reanalysis salinity products using Argo observations of the recent decade (2005 to 2015). An overall freshening trend was evident, but with clear regional differences, particularly between the western subpolar gyre and the central North Atlantic. In general, the western subpolar region exhibited high interannual variability in surface salinity compared to the central North Atlantic. The western subpolar region also revealed a seasonal pattern of salinity fluctuation related to sea ice retreat and accretion, but with some years (i.e., 2008, 2012 and 2015) showing unusually large and negative salinity anomalies which were not present in the central or eastern North Atlantic. To understand the dominant factors influencing salinity and freshwater in the northern North Atlantic, budgets for liquid freshwater content over the northern North Atlantic were derived using a state-of-the-art ocean state estimate (ECCOv4). Here the subpolar North Atlantic (between $\sim$45\oN and the Greenland Scotland ridge) is distinguished from the Nordic Seas (north of the Greenland Scotland ridge). In a separate investigation ECCOv4 was used to describe global ocean heat budgets at varying spatial and temporal resolutions. This analysis showed that anomalies in temperature tendency are driven by atmospheric forcing at short time scales, while advection is the principle term at long time scales. ECCOv4 budget analysis was then used to investigate mechanisms behind interannual freshwater content variability in the northern North Atlantic over the time period 1992-2015. From the mid-1990s to the mid-2000s warming and salinification occurred in the subpolar North Atlantic. Consistent with the upper layer analysis with Argo-observations, ECCOv4 confirmed an overall freshening since about 2005. This freshening occurs simultaneously with an overall cooling in the subpolar North Atlantic. Advective convergence has been identified as the dominant driver of liquid freshwater content and ocean heat content variability in the subpolar North Atlantic, with liquid freshwater and heat content being anti-correlated. Consistent with the global heat analysis in ECCOv4, our results revealed that forcing is only important for establishing anomalies over shorter time scales (i.e., seasonal to interannual), but advective convergence becomes more important at longer (i.e., decadal) scales. Advection is the dominant term due to changes across the southern boundary on the decadal time scale, while exchanges with the Arctic Ocean have minor impact. Changes in freshwater and heat content in the subpolar North Atlantic due to advection occur through anomalies in the circulation itself, and not by the advection of anomalies in either liquid freshwater or heat content. In contrast to the subpolar North Atlantic, in the Nordic Seas interannual changes in liquid freshwater content are predominantly driven by forcing due to sea ice melting, which is in turn strongly correlated with Arctic sea ice export through Fram Strait. The overall concurrent warming and salinification followed by cooling and freshening in the subpolar North Atlantic suggests a relationship with changes in northward heat and salt transport through the Atlantic Meridional Overturning Circulation. This is consistent with decadal variability in deep convection in the Labrador Sea. It is evident that another consequence of changes in the Labrador Sea deep convection is the potential effects on nutrient availability and thus biological productivity. The Labrador Sea has become more productive in recent years, with mean chlorophyll-a concentrations closely correlated with silicate concentrations in the upper waters, which in turn are strongly correlated with wintertime convection depth. Thus annual production in the Labrador Sea appears to be influenced by the extent of deep winter mixing, thereby linking the Atlantic Meridional Overturning Circulation and deep convection to nutrient availability and ocean productivity in the subpolar North Atlantic.

In response to the differential heating of the earth, atmospheric and oceanic flows constantly act to carry surplus energy from low to high latitudes. In the ocean, this poleward energy flux occurs as part of the large scale meridional overturning circulation: warm, shallow waters are transported to high latitudes where they cool and sink, then follow subsurface pathways equatorward until they are once again upwelled to the surface and reheated. In the North Atlantic, the upper limb of this circulation has always been explained in simplistic terms: the Gulf Stream/North Atlantic Current system carries surface waters directly to high latitudes, resulting in elevated sea surface temperatures in the eastern subpolar gyre, and, because the prevailing winds sweeping across the Atlantic are warmed by these waters, anomalously warm temperatures in Western Europe. This view has long been supported by Eulerian measurements of North Atlantic sea surface temperature and surface velocities, which imply a direct and continuous transport of surface waters between the two gyres. However, though the importance of this redistribution of heat from low to high latitudes has been broadly recognized, few studies have focused on this transport within the Lagrangian frame.

The three studies included in this dissertation use data from the observational record and from a high resolution model of ocean circulation to re-examine our understanding of upper limb transport between the subtropical and subpolar gyres. Specifically, each chapter explores intergyre Lagrangian pathways and investigates the impact of those pathways on subpolar property fields. The findings from the studies suggest that intergyre transport pathways are primarily located beneath the surface and that subtropical surface waters are largely absent from the intergyre exchange process, a very different image of intergyre transport than that compiled from Eulerian data alone. As such, these studies also highlight the importance of including 3d Lagrangian information in examinations of transport pathways.

Dissertation