Dissertations / Theses on the topic 'Thermohaline variability'

A numerical modelling approach is chosen to study equilibrium and time-dependent aspects of the ocean's thermohaline circulation. In the first part, the roles of basin geometry and surface buoyancy forcing in determining the asymmetry of the present-day thermohaline circulation are considered. An idealized flat-bottomed two-basin model of the Atlantic and Pacific is found to favour equilibria with sinking in the southern hemisphere only (Southern Sinking) or also in the North Atlantic (Conveyor), even under a freshwater flux forcing field with more precipitation over the North Atlantic than over the North Pacific.
Another new result is the range of Conveyor equilibria found under mixed boundary conditions. Rare cases with North Pacific sinking are characterized by a very fresh halocline in the Southern Ocean and a reversed pole-to-pole surface density contrast. A more quantitative investigation leads to an approximately linear relationship between the Atlantic overturning and the meridional gradient of zonally-averaged depth-integrated steric height from the northern boundary of the ocean to the southern tip of Africa; on the other hand, the local linear relationships postulated in most two-dimensional plane models of the overturning circulation could not be validated.
In the second part, the climatology of a global ocean model is presented, and the importance in the model of the warm water route of the Conveyor through the Indian Ocean relative to the cold water route through Drake Passage is noted. The implied ocean heat and freshwater transports from the Canadian Climate Centre second generation atmospheric general circulation model are then presented, and are shown to be incompatible with the present-day thermohaline circulation.
Finally, in the third part, a simple new parameterization of the sea surface temperature-evaporation feedback is developed as an extension of the traditional mixed boundary conditions. The positive sign of the feedback for the thermohaline circulation is demonstrated, and three examples featuring decadal, century and millennial timescale variability in one-hemisphere idealized basins are discussed. No fundamental alterations of the mechanisms under mixed boundary conditions are found, although the timescale is altered or the variability interrupted sooner in some cases.

Thesis (S.M.)--Joint Program in Physical Oceanography (Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences; and the Woods Hole Oceanographic Institution), 2005.
Includes bibliographical references (p. 65-67).
A moored profiler record from the western tropical North Atlantic provides the first continuous time series of temperature, salinity and velocity profiles in a thermohaline staircase. Variations in the intensity of layering and the evolution of layer properties are well documented during the 4.3 month record. Such staircases are the result of strong salt fingering at the interfaces between the mixed layers, and these data provide unique insights into the dynamics of salt fingers. In particular, a striking linear correlation between the temperature and salinity of the layers may be interpreted as resulting from vertical salt finger flux divergences. Data from this record allow new interpretations of previous work on this topic by McDougall (1991).
by David Allen Stuebe.
S.M.

Thesis (M.S. in Meteorology and Physical Oceanography) Naval Postgraduate School, June 1999.
"June 1999". Thesis advisor(s): Timothy P. Stanton. Includes bibliographical references (p. 97-100). Also available online.

A series of numerical experiments are conducted using the Bryan-Cox Ocean General Circulation Model to investigate the potential existence of low-frequency variability of the thermohaline circulation under seasonal forcing. Experiments are performed with different combinations of a seasonal cycle being present or not on the restoring temperature, the surface freshwater flux fields (mixed boundary conditions) and the surface wind forcing.
Despite the presence of the forcing on the dominant seasonal timescale, it is found that the system may oscillate at the decadal period or longer. The decadal variability is excited by changes in the net surface density flux which are due to the advection of temperature and salinity anomalies in the model domain. The magnitude of the seasonal cycle also plays an important role in determining the timescale of variability. Violent overturning events may occur on the century timescale under seasonal forcing. The magnitudes of the flushes are reduced compared to those found in similar experiments without the presence of a seasonal cycle.

2010/2011
Continuous measurements are strictly essential to better understand the deep convection as well as for monitoring the seasonal and interannual thermohaline variability in the ocean. For these reasons, the south Adriatic Sea has been constantly monitored by means of the E2M3A deep observational site, located in its central part (Latitude 41° 50’ N, Longitude 17° 45’ E, maximum depth 1250m) since 2006. Temperature, salinity and current time series collected between 2006 and 2010 are analysed in this thesis and they represent the longest time series available for this region. Moreover, these time series are merged with Conductivity-Temperature-Depth (CTD) profiles obtained from several oceanographic cruises to provide the necessary spatial distribution of data for describing the thermohaline properties in the study area. The analysis of the data presented here shows that winter 2007 was characterized by a weak convection, while winter 2008 and following winters revealed a stronger deep convection able to reach 800-900m in February 2008. Time series highlight the abrupt temperature (T) and salinity (S) decrease, noticeable down to 600-700m depth from March 2008 on. The intermediate layer experienced a maximum decrease in T and S of ~0.4°C and ~0.06 respectively, clearly evident after each strong winter convection phase. The bottom layer (~1200m), instead, shows an opposite behaviour: it suffered a continuous T and S increase (linear trend of ~0.05 °C y-1 and ~0.004 y-1, respectively) during the whole observational period. These changes are discussed in a context of strong relationship between the variability of the Ionian surface circulation recently discovered, and the heat and salt content changes in the South Adriatic presented in this study. The results show that the mechanism triggering the salt content changes in the South Adriatic is based mainly on the winter convection, which transfers surface fresher water towards deeper layers. Nevertheless, current measurements also indicate that the passage of mesoscale eddies in the region can produce sudden thermohaline perturbations along the water column for 10-15 days. Cyclonic eddies seem to be more frequent in the proximity of the observational site than the anticyclonic ones. Interestingly, the comparison between time series and satellite images (Chl-a surface distribution) reveals, for the first time, that the vortices act along the whole water column. Their passage produces a twofold effect: the contribution to the re-stratification of the water column during the post convection phase, by exchanging the buoyancy between the mixed path and the surrounding waters, and the transfer of heat and salt between the deep and the intermediate layers.
Misure oceanografiche in continuo sono essenziali per comprendere meglio il processo di formazione delle acque dense e per monitorare la variabilità termoalina stagionale e interannuale in oceano. Per queste ragioni, a partire dal 2006 il Sud Adriatico è stato costantemente monitorato grazie all’utilizzo del sito di osservazione denominato E2M3A, ancorato nella parte centrale del Sud Adriatico (latitudine 41° 50’ N, longitudine 17° 45’ E, profondità massima 1250m). Le serie temporali di temperatura, salinità e correnti marine raccolte tra il 2006 e il 2010 sono analizzate in questa tesi e rappresentano la serie di dati più lunga mai ottenuta in questa regione. Oltretutto, per fornire la necessaria copertura spaziale dei dati utile a descrivere le proprietà termoaline nell’area di studio, le serie temporali sono state integrate con profili CTD (Conductivity-Temperature-Depth) provenienti da diverse crociere oceanografiche. L’analisi dei dati presentata qui mostra che l’inverno 2007 è stato caratterizzato da una debole convezione, mentre l’inverno 2008 e i successivi hanno mostrato una convezione più intensa, capace di raggiungere 800-900m di profondità a Febbraio 2008. Le serie temporali evidenziano una diminuzione repentina di temperatura (T) e salinità (S), visibile fino a 600-700m a partire da Marzo 2008. Lo strado intermedio ha subito rispettivamente una diminuzione massima di T e S di ~0.4°C e ~0.06, chiaramente evidente a seguito di ogni fase di intensa convezione invernale. Lo strato di fondo (~1200m) ha mostrato invece un comportamento opposto: un inaspettato e continuo aumento di T and S (trend lineare ~0.05 °C y-1 e ~0.004 y-1, rispettivamente) durante tutto il periodo di studio. Questi cambiamenti sono discussi nell’ambito della forte relazione tra la variabilità della circolazione superficiale dello Ionio recentemente scoperta e i cambiamenti nel contenuto di calore e sale del Sud Adriatico presentati in questo studio. I risultati mostrano che il meccanismo in grado di produrre cambiamenti nel contenuto di sale nel Sud Adriatico è principalmente basato sulla convezione invernale, che trasferisce acqua superficiale meno salata verso strati più profondi. Tuttavia, le misure di corrente mostrano che anche il passaggio di vortici a mesoscala può indurre repentine perturbazioni delle proprietà termoaline lungo la colonna d’acqua anche per 10-15 giorni. Vortici di tipo ciclonico sembrano essere più frequenti in prossimità del mooring rispetto a quelli di tipo anticiclonico. È interessante notare che il confronto tra le serie temporali e le immagini da satellite della distribuzione superficiale di clorofilla-a rivela, per la prima volta in questa regione, che i vortici agiscono su tutta la colonna d’acqua. Il loro passaggio produce un duplice effetto: il contributo alla ri-stratificazione della colonna d’acqua a seguito della fase di convezione invernale e il trasferimento di calore e sale tra gli strati intermedio e profondo.
XXIV Ciclo
1978

The southeast Atlantic sector of the Southern Ocean connects the Atlantic with the Indian Ocean and the Antarctic Circumpolar Current, thereby acting as a major conduit within global ocean circulation. Thermohaline transports in this region are widely thought to have a critical influence on global climate. Yet magnitudes of the associated heat and salt content variations are poorly understood due to a lack of hydrographic observations and model limitations. An improved Gravest Empirical Mode (GEM) is set up for the Southern Ocean south of Africa using the updated store of hydrographic measurements obtained from CTD transects for the area, combined with the available Argo profiles sampled in the region. Satellite altimetry is combined with the GEM relationships to create an Altimetry GEM (AGEM), thereby generating 20 years of temperature and salinity fields. These thermohaline sections for the region of the ocean south of Africa are found to be proficient at reproducing observations, with associated RMS errors being two orders of magnitude smaller than those reported by other comparable Southern Ocean GEM studies. Confident in the accuracy of the AGEM produced fields, an examination of the temporal evolution of Antarctic Intermediate Water (AAIW) is undertaken. The fluctuation and trends in heat and salt content anomalies and budgets is presented for each Southern Ocean frontal zone, along with the examination of the change in position of the isopycnal limits and resultant water mass thickness. So as to better understand one of the factors that may be influencing some of the changes detected within AAIW, property alterations of eddies identified in the region from 1992 to 2010 are investigated. A general decrease in magnitude and frequency of cyclones, coupled with an increase in absolute dynamic topography (ADT) of anticyclones, designates elevated injection of warm, saline water into the area. The connection identified between eddy property variations and AAIW modification in the region of the ocean south of Africa indicates that the water mass experiences ventilation with the mixed layer at latitudes further north than previously thought to occur. Obtaining an improved image of the magnitudes and variability of AAIW thermohaline properties in the Atlantic sector of the Southern Ocean greatly improves our understanding of its role in the ocean-climate system.

Dans le Golfe de Guinée (GG), les masses d’eau douce provenant des décharges des fleuves et les taux de précipitations élevés contribuent à la stratification en densité de la couche superficielle océanique, et jouent un rôle clé dans la modulation des interactions air-mer. Cependant, les variations thermohalines des couches superficielles au sein des panaches d’eau douce du GG sont encore mal connues, car très peu observées et documentées. L’objectif principal de cette thèse est donc d’étudier et de documenter la variabilité spatiale à mésoéchelle horizontale (10-100 km) et verticale (0-100m), intra-saisonnière à saisonnière de la structure 3D thermohaline dans les panaches d’eau douce du GG, et notamment les panaches des fleuves Congo et Niger. Tout d’abord, à l’aide des données d’observations satellite SSS SMOS, notre étude a montré que les panaches d’eau douce dans cette région s’étendent vers l’océan du large suivant deux régimes de propagation. Durant la période de septembre à janvier, ils se propagent vers le large en direction Nord-Ouest tandis que de janvier à avril, ils se redirigent vers le Sud-Ouest, où leur extension maximale est observée en avril. Le reste de l’année, de mai à août, est marqué par un épisode de salinisation de surface, où les panaches d’eau douce se dissipent avec une extension minimale observée en août. L’analyse du bilan de salinité dans la couche mélangée de surface a permis de mettre en évidence les principaux processus physiques contrôlant la variabilité saisonnière de la salinité au sein de ces panaches d’eau douce. Ce diagnostic a montré que les processus d’advection horizontale et les flux d’eau douce associés aux précipitations et aux décharges des fleuves expliquent principalement de la distribution offshore des masses d’eau de faible salinité dans cette région. Dans le panache du Congo en particulier, l’advection horizontale de salinité est principalement expliquée par la dérive d’Ekman du vent de surface. Ensuite, nous avons montré que la distribution offshore du panache du Congo aux échelles intra-saisonnières est associée à des couches de barrière de sel d’une part, et à des profils verticaux de densité en marches d’escalier d’autre part. Dans une étude de cas (au 31/03/216), nous avons montré que la stratification thermohaline en marches d’escalier observée, résulterait de la dynamique de cisaillement entre le flux d’Ekman de surface associée à la distribution offshore (Nord-Ouest) du panache du Congo, et le flux géostrophique (Sud-Est) associé aux masses d’eau de subsurface de l’océan ouvert à l’Ouest, plus denses et plus salées. Enfin, à partir d’une approche lagrangienne, nous avons mis en évidence l’origine et la structuration à grande échelle des masses d’eau impliquées dans la forte stratification haline observée au large du Congo. Cette étude a montré le fort cisaillement des courants à l’oeuvre au niveau des gradients halins au sein de la colonne d’eau associée à ces profils
In the Gulf of Guinea (GG), freshwater originated from river discharges and high precipitation rates contribute to the upper ocean density stratification, and play a key role in modulating air-sea interactions. However, the thermohaline variations of the ocean upper layers within the freshwater plumes in the GG are still poorly known, as they are poorly observed and documented. The main objective of this thesis is therefore to study and document the spatial variability at horizontal mesoscale (10-100 km) and vertical (0-100m), from intra-seasonal to seasonal time scales of the thermohaline 3D structure in the freshwater plume areas of the GG: mainly the Congo and Niger Rivers plumes. First, using SSS SMOS satellite data, our study showed that freshwater plumes in this region extend towards the open ocean following two propagation regimes. During September to January, they propagate northwestward while from January to April they redirect to the southwest, where their maximum extension is observed in April. The rest of the year, from May to August, is marked by a surface salinization episode, where the freshwater plumes dissipate with a minimum extension observed in August. A salinity budget analysis in the surface mixed layer allowed highlighting the main physical processes controlling the seasonal variability of salinity within these freshwater plumes. We showed that horizontal advection processes and freshwater fluxes by precipitation and river discharges are the main contributors of low SSS distribution in this region. In the southeastern Gulf of Guinea, off Congo, the horizontal SSS advection is dominated by Ekman wind-driven currents. Second, we showed that the offshore distribution of the Congo plume on intra-seasonal time scales is associated with salt barrier layers and with thermohaline staircases profiles. In a case study (for 2016/03/31), we showed that the observed thermohaline staircases would result from the shear dynamics between the surface Ekman flow associated with the offshore (North-Westward) distribution of the Congo plume, and the geostrophic (South-Eastward) flow associated with the denser and saltier subsurface water masses of the open ocean to the west. Finally, using a Lagrangian approach, we have highlighted the origin and large-scale structuring of water masses involved in the strong haline stratification observed off Congo. This study showed the strong shear of the currents associated with the vertical salinity gradients within the water column associated with the staircases profiles

Le but de cette thèse est d’analyser les impacts de la variabilité atmosphérique grande échelle sur la circulation océanique. Ceci a déjà fait l’objet de nombreuses publications, dans lesquelles la variabilité atmosphérique est analysée en termes de modes de variabilité, déterminés par analyse en composantes principales (EOF en anglais) des anomalies de pression de surface. Ces modes sont l’Oscillation Nord-Atlantic (NAO), le Pattern Est-Atlantique (EAP) et le Pattern Scandinave (SCAN). La décomposition en EOF implique que les modes sont orthogonaux et symétriques. Cette dernière hypothèse a été montrée comme étant invalide pour la NAO. Par conséquent, un nouveau concept est proposé dans cette étude pour estimer la variabilité atmosphérique, celui des régimes de temps. Ces derniers sont des structures spatiales de grande échelle, récurrents et quasi-Stationnaires qui permettent de capturer la variabilité des forçages atmosphériques. De plus, ils permettent de séparer les patterns spatiaux des deux phases de la NAO. Ces régimes de temps sont donc une alternative prometteuse pour l’analyse de la variabilité océanique forcée par l’atmosphère. A partir d’observation et de modèles numériques (réalistes ou idéalisés), nous avons montré que les régimes Atlantic Ridge (AR), NAO− et NAO+ induisent une réponse rapide (échelles mensuelles à interannuelles) des gyres subtropical et subpolaire (via un mécanisme de Sverdrup topographique) et de la cellule de retournement (MOC, ajustement aux anomalies de transport d’Ekman). Aux échelles décennales, le gyre subpolaire s’intensifie lors de conditions NAO+ et BLK persistantes via un ajustement barocline aux flux de flottabilité et s’affaiblit pour AR via un ajustement barocline aux anomalies de rotationnel de vent. Ce dernier mécanisme explique aussi l’augmentation du gyre subtropical pour une NAO+ persistante et son affaiblissement pour un AR persistant. La réponse des gyres pour des conditions de NAO− persistantes est un déplacement vers le sud des gyres (l’intergyre gyre). L’intensité de la MOC est augmentée pour des conditions de NAO+ et BLK persistantes, dû à l’augmentation de la formation d’eau dense en mer du Labrador, et inversement pour NAO− et AR. Finalement, des bilans de contenu de chaleur dans la gyre subpolaire et les mers nordiques ont été effectués dans quatre modèles océaniques globaux. Les moyennes d’hiver de convergence océanique de chaleur dans la partie ouest de la gyre subpolaire sont positivement corrélées aux occurrences d’hiver de NAO−, ce qui est dû à la présence de l’intergyre, tandis que cette convergence est négativement corrélée aux occurrences d’AR, ce qui est dû à la réduction des deux gyres qui lui est associée. Les flux de chaleur vers l’océan dans la gyre subpolaire sont négativement corrélés aux occurrences d’hiver de la NAO+ et inversement pour la NAO−. Dans les mers Nordiques, ils sont positivement corrélés aux occurrences de BLK et, dans une moindre mesure, aux occurrences de AR. De plus, nous suggérons que la variabilité du contenu de chaleur dans la partie ouest du gyre subpolaire est la réponse décalée (lag de 6 ans) à l’intégration temporelle du forçage lié au régime NAO+, due à la combinaison de la réponse en phase (0-Lag) des flux de chaleur et à la réponse décalée (lag de 3 ans) de la convergence de chaleur
The aim of the PhD is to investigate the impacts of the large-Scale atmospheric variability on the North- Atlantic ocean circulation. This question has already been addressed in a large number of studies, in which the atmospheric variability is decomposed into modes of variability, determined by decomposing sea-Level pressure anomalies into Empirical Orthogonal Function (EOFs). These modes of variability are the North-Atlantic Oscillation (NAO), the East-Atlantic Pattern (EAP) and the Scandinavian Pattern (SCAN). EOF decomposition assumes that the modes are orthogonal and symmetric. The latter assumption, however, has been shown to be inadequate for the NAO. Hence, a different framework is used in this study to assess the atmospheric variability, the so-Called weather regimes. These are large-Scale, recurrent and quasi-Stationary atmospheric patterns that have been shown to capture well the interannual and decadal variability of atmospheric forcing to the ocean. Furthermore, they allow to separate the spatial patterns of the positive and negative NAO phases. Hence, these weather regimes are a promising alternative to modes of variability in the study of the ocean response to atmospheric variability. Using observations and numerical models (realistic or in idealised settings), we have shown that the Atlantic Ridge (AR), NAO− and NAO+ regimes drive a fast (monthly to interannual) wind-Driven response of the subtropical and subpolar gyres (topographic Sverdrup balance) and of the meridional overturning circulation (MOC, driven by Ekman transport anomalies). At decadal timescales, the subpolar gyre strengthens for persistent NAO+ and Scandinavian Blocking (BLK) conditions via baroclinic adjustment to buoyancy fluxes and slackens for persistent AR conditions via baroclinic adjustment to wind-Stress curl anomalies. The latter mechanism also accounts for the strengthening of the subtropical gyre for persistent NAO+ conditions and its weakening for persistent AR conditions. The gyres response to persistent NAO− conditions reflects the southward shift of the gyre system (the intergyre gyre). The MOC spins-Up for persistent NAO+ and BLK conditions via increased deep water formation in the Labrador Sea, and conversely for the NAO− and AR regimes. Last, heat budget calculations in the subpolar gyre and the Nordic Seas have been performed using four global ocean hindcasts. The winter averaged heat convergence in the western subpolar gyre is positively correlated with the NAO− winter occurrences, which is due to the intergyregyre circulation, while it is negatively correlated with AR winter occurrences, because of the wind-Driven reduction of both gyres. Downward surface heat flux anomalies are negatively correlated with NAO+ occurrences, and conversely for the NAO−. In the Nordic Seas, they are positively correlated with BLK and to a lesser extent AR occurrences. Furthermore, we suggest that the heat content variability in the western subpolar gyre is the signature of the delayed response (6-Year lag) to the time-Integrated NAO+ forcing, due to the combination of the immediate (0-Lag) response of surface heat flux and the lagged (3 year lag) response of ocean heat convergence

L’objet de cette thèse est l’étude des interactions entre l’océan et l’atmosphère aux échelles de temps décennales. On s’intéresse en particulier au rôle de la circulation thermohaline (ou MOC) dans la variabilité du climat dans des simulations couplées. Dans la première partie de la thèse, nous étudions les mécanismes à l’origine de la variabilité basse fréquence de la MOC dans le modèle du climat de l’IPSL. Nos résultats montrent que les fluctuations basse fréquence de la MOC sont essentiellement forcées par l’EAP, qui est le deuxième mode de variabilité atmosphérique dans l’Atlantique Nord. La MOC a également une influence significative sur l’atmosphère, qui se projette en été sur l’EAP du modèle, suggérant ainsi une faible rétroaction positive sur la MOC. Dans la deuxième partie de la thèse, la réponse atmosphérique d’été est analysée à l’aide d’expériences de sensibilité et des mécanismes physiques sont proposés. La réponse de l’atmosphère aux fluctuations basse fréquence de la MOC est caractérisée par une modification de la circulation subtropicale dans la zone de mousson Indo-Asiatique. Elle est également modulée par l’activité des tourbillons transitoires probablement à l’origine de la forte non linéarité de la réponse. Une influence significative de la MOC sur l’atmosphère est également détectée en hiver et se projette sur la NAO.

Une des conséquences du réchauffement climatique est la modification du flux d’eau douce reçu par l’océan. La circulation thermohaline est particulièrement susceptible de produire de la variabilité basse fréquence. Nous allons nous intéresser à l’impact du flux d’eau douce sur la circulation thermohaline et principalement sur sa variabilité décennale à millénaire. Dans l’océan deux paradigmes coexistent pour expliquer la variabilité observée : elle peut être endogéne ou exogéne. Plusieurs résultats notables apparaissent. Au cours de l’étude de la variabilité endogéne dans un modèle 2D latitude-profondeur, les mécanismes de croissance et d’oscillation d’un mode centenaire sont caractérisés. Ce mode, correspondant à l’advection d’une anomalie de salinité le long de la circulation, se nourrit par la rétroaction de la salinité sur l’advection. Un cycle d’oscillation millénaire apparaissant à travers une bifurcation période-infinie est caractérisé. De plus, nous montrons que l’oscillation centenaire est un précurseur de l’oscillation millénaire. Au cours de l’étude de la variabilité exogène, les perturbations optimales de la circulation océanique par la salinité de surface sont obtenues dans trois modèles de la circulation thermohaline un modèle latitude-profondeur, un modéle planétaire-géostrophique et un modéle aux équations primitives en configuration globale réaliste. En outre, par cette étude, nous avons obtenu une borne de modification de la circulation océanique à 0. 75 Sv et à 0. 03 PW
One of the consequences of the global warming is the modification of the freshwater flux get by the ocean. The thermohaline circulation is able to produce some low frequency variability. We are going to study the impact of the freshwater flux on the thermohaline circulation and mainly on the decadal to millennial variability. In the ocean two paradigms coexist for the explanation of the observed variability: it can be endogenous or exogenous. During the study of endogenous variability in a 2D latitude-depth model, the growth mechanism and the oscillation one of a centennial mode are characterized. This mode, corresponding to a salinity anomaly advected around the circulation, is feed by the positive salinity feedback on the advection. A millennial oscillation cycle which appears through an infinite-period bifurcation is characterized. Thus, we point out that the centennial oscillation is a precursor of millennial oscillation. During the study of the exogenous variability, the optimal perturbations of the sea surface salinity influencing the ocean circulation are performed in three models of the thermohaline circulation: a latitude-depth model, a planetary-geostrophic model and a primitive equation in global realistic configuration. Moreover, by this study et the optimal perturbations, we have fixed modification bound of the ocean circulation at 0. 75 Sv and at 0. 03 PW

Le role de la circulation thermohaline dans la variabilite du climat est etudie a l'aide de modeles numeriques oceaniques. On analyse d'abord l'influence de la parametrisation de la dissipation de quantite de mouvement et des conditions aux limites associees. Ces dernieres, provoquant des variations de presque un ordre de grandeur dans l'ascendance d'eau froide a la base du courant de bord ouest, se revelent preponderantes. Les modeles classiques (condition de non-glissement) generent par continuite des transports verticaux tres importants le long des bords, donc des cellules zonales et meridiennes tres intenses, des eaux de fonds peu froides, une thermocline peu marquee et un transport de chaleur faible. Les modeles atypiques, permettant des vitesses tangentielles le long des frontieres, reduisent les vitesses verticales et la dissipation de vorticite le long des bords : ceci favorise un meilleur accord entre regions de plongee d'eau et zones de convection profonde, des eaux de fond plus fraiches, une stratification plus marquee et un transport de chaleur intensifie. Sous condition de flux de chaleur (quasi) constant en surface, ces modeles produisent des oscillations inter-decennales tres amples et robustes a differentes parametrisations des processus sous-mailles ou du forcage (vent, relaxation realiste). Une etude extensive de sensibilite aux parametres revele un mecanisme geostrophique, tridimensionel, principalement amorti par la diffusion horizontale (les valeurs critiques etant proches de celles couramment utilisees a cette resolution). En contradiction avec certains mecanismes proposes dans la litterature, une excitation de la variabilite par l'instabilite barocline du courant de bord ouest dans la region de separation de la cote est mise en evidence et reproduite dans le modele minimal (2 1/2 couches) permettant cette instabilite. Malgre le nombre de processus negliges ou grossierement parametrises, ces modeles reproduisent un certain nombre des caracteristiques de la variabilite observee dans l'atlantique nord.

Les enregistrements sedimentaires des variations climatiques passees montrent des changements brutaux, notamment lors de la derniere periode glaciaire. Le logiciel analyseries nous a permis d'effectuer facilement des correlations entre differentes series temporelles, et de mieux comprendre la relation entre evenements de dansgaard-oeschger et evenements de heinrich. A l'aide de modeles climatiques simplifies, nous montrons que le role de la circulation thermohaline est sans doute crucial, non seulement pour ces evenements rapides de la derniere periode glaciaire, mais aussi lors des transitions climatiques majeures tout au long du quaternaire. Nous proposons ainsi un scenario, base sur l'existence de seuil dans le systeme ocean-atmosphere, qui explique de facon remarquable la position et la duree des periodes les plus chaudes au cours du dernier million d'annees. Avec un modele simple de calotte de glace, nous avons egalement reproduit certaines caracteristiques des evenements rapides de la derniere periode glaciaire. Puis nous avons presente quelques resultats concernant le cycle du carbone oceanique. En particulier, nous avons montre que la prise en compte de l'advection de matiere organique dissoute dans l'ocean diminuait notablement la sensibilite du systeme aux changements de circulation oceanique. Nous avons egalement discute de l'interet qu'il pouvait y avoir a utiliser les isotopes du carbone dans notre modele d'ocean, de maniere a mieux contraindre les changements de circulation. Enfin, nous avons presente quelques idees destinees a nous affranchir des parametrisations plus ou moins arbitraires que nous avons utilisees dans notre modele en boite de l'ocean: un modele simplifie de type elements finis pourrait constituer une alternative interessante aux modeles en boite d'ocean ou aux modeles bidimensionnels utilises pour l'etude des changements climatiques du quaternaire

Les modifications de la repartition latitudinale de l'insolation que la terre recoit du soleil sont a l'origine de variations cycliques de notre climat. Des oscillations plus rapides et abruptes du climat, de l'ordre du millier d'annees, et dont l'origine semble etre interne au systeme climatique ont egalement ete observees, au moins pour la derniere periode glaciaire. Afin de construire des modeles predictifs fiables, il est essentiel de comprendre quels sont les mecanismes intervenant dans les changements climatiques, et comment ils interagissent entre eux. Le but de ce travail a ete l'etude de l'evolution du climat pendant le dernier cycle climatique dans la region nord atlantique, lieu de la convection thermohaline et source de chaleur pour l'europe. Nous avons concentre notre attention sur la periode comprise entre 70 000 et 150 000 ans (stade isotopique marin 5), car elle a connu de grandes modifications de la repartition de l'insolation. La construction d'un cadre stratigraphique commun aux sites d'etude a ete une etape cruciale, et a ete basee sur l'analyse d'enregistrements de 1 8o benthiques. Ce travail a montre la presence d'une forte contribution locale associee aux formations de glace de mer dans les enregistrements des regions nordiques. Nous avons ensuite reconstruit les variations du 1 8o de l'ocean liees aux seuls changements du volume de glace depuis 150 000 ans. En comparant nos resultats aux reconstructions du niveau marin d'apres les terrasses coralliaires, nous avons etabli une courbe des variations du niveau marin au cours du dernier cycle climatique et ameliore sensiblement l'echelle de temps absolue de nos enregistrements. Enfin, l'etude de l'evolution de l'hydrologie de surface et profonde dans la region nord atlantique suggere que le gradient thermique entre hautes et basses latitudes, en modifiant les transports d'humidite vers les regions polaires, a un impact essentiel sur l'evolution du climat.

La variabilité climatique glaciaire et interglaciaire des hautes latitudes nord a été retracée à partir de l'étude des associations de foraminifères planctoniques, qui permettent, par le biais des fonctions de transfert, de calculer les paléotempératures de surface enregistrées dans les carottes marines. En parallèle, nous avons étudié la fraction détritique grossière, marqueur des évènements de décharges d'icebergs (IRD). Ces études ont été réalisées à très haute résolution afin de mettre en évidence l'existence d'une grande variabilité climatique en domaine marin et afin d'envisager des comparaisons avec la carotte de glace GRIP. Nos résultats montrent que l'évolution des températures océaniques superficielles est comparable à celle des températures atmosphériques enregistrées à GRIP et indiquent une grande variabilité au cours des derniers 125 000 ans. Les variations abruptes du système climatique sont liées aux oscillations du flux de chaleur et de sels amené par les courants superficiels vers les hautes latitudes nord. Les calottes de glace fragilisées par la montée des eaux chaudes nord atlantiques, se désintègrent et libèrent des IRD et de l'eau douce à l'océan. Pendant les évènements de décharges, les conditions hydrologiques superficielles sont froides et la circulation thermohaline est ralentie par l'apport d'eau de fonte d'icebergs. Lorsque l'essentiel de cette eau est résorbée, la circulation thermohaline est rétablie et un réchauffement se produit aussi bien en domaine océanique qu'en domaine atmosphérique. Le suivi des concentrations en éléments détritiques grossiers met en évidence, pendant le glaciaire, cinq évènements de décharges d'icebergs, contemporains des évènements de Heinrich. Ces évènements présentent deux phases de débâcle. La première phase atteste d'une source Fennoscandinave plus importante tandis que la deuxième phase met en évidence des débâcles synchrones de la Fennoscandinavie et de l'Islande. Nous avons montré ainsi que les fluctuations de la calotte fennoscandinave, plus fréquentes que celles de la Laurentides, sont responsables de la haute variabilité du système climatique au cours de la dernière période glaciaire comme pendant le dernier complexe interglaciaire.

Aux échelles de temps décennale à multidécennale, l'Atlantique Nord se caractérise par une modulation de sa température de surface à grande échelle modifiant les conditions climatiques des continents alentours, en particulier le Sahel, l'Amérique du Nord et l'Europe. En raison d'une faible couverture temporelle aux regards des échelles de temps considérées et d'un faible échantillonnage de la structure tridimensionnelle de l'océan, les observations ne permettent pas d'analyser en détail les origines de cette variabilité connue sous le nom d'Oscillation ou Variabilité Atlantique Multidécennale (AMV). Dans cette thèse, nous avons utilisé le modèle de climat CNRM-CM5 comme laboratoire numérique pour étudier d'une part les mécanismes physiques internes (par opposition à ceux forcés par les facteurs externes comme l'activité solaire, les gaz à effet de serre etc. ) qui engendrent cette variabilité et d'autre part la prévisibilité associée à cette variabilité. L'analyse d'une simulation de 1000 ans dite de contrôle (tous les forçages externes au système climatique sont maintenus constants) met en évidence que l'AMV simulée par ce modèle est principalement contrôlée par les fluctuations multidécennales de la circulation océanique méridienne de retournement (AMOC) et du transport de chaleur méridien associé. La variabilité de l'AMOC répond à l'excitation de modes de variabilité atmosphérique de type Est Atlantique (EAP) et Oscillation Nord Atlantique (NAO) en hiver. Ceux-ci déclenchent une réaction en chaîne de processus océaniques conduisant in fine ~30 ans plus tard à un événement d'AMOC/AMV. La nature même de ces processus contrôle l'échelle de temps de la variabilité. Plus précisément, nous avons mis en évidence le rôle crucial joué par les anomalies de densité océanique des 500 premiers mètres du gyre subpolaire sur les fluctuations de l'AMOC. Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés à l'estimation de la prévisibilité associée à l'AMV dans CNRM-CM5. Nous avons pour cela suivi une approche type " modèle parfait " en cherchant à " reprévoir ", par une méthode ensembliste, les variations de la simulation de contrôle. Nous avons montré à partir d'une série de métriques et de modèles statistiques, que, dans CNRM-CM5, l'AMOC et l'AMV sont prévisibles jusqu'à une échéance allant de 15 à plus de 30 ans en fonction des conditions initiales océaniques. Cette prévisibilité conditionnelle provient des anomalies de la densité du gyre subpolaire - plus précisément de sa composante salinité - et de leur évolution selon le mécanisme proposé. Finalement, nous trouvons que la prévisibilité océanique est associée à une prévisibilité sur les continents en termes de température de surface et circulation atmosphérique
At decadal to multidecadal timescale, the North Atlantic Ocean is characterized by a large-scale modulation of its surface temperature and heat/salt content. The latter, known as Atlantic Multidecadal Oscillation or Variability (AMV), is associated with anomalous climate conditions over the adjacent continents, especially over the Sahel, the north American continent and Europe. It is impossible from the sole observations to assess the origin of such a variability because of their short temporal coverage with respect to the involved timescale and because of their critical undersampling of the three dimensional states of the ocean. In this thesis, we have used the CNRM-CM5 climate model as a numerical lab to first investigate the internal mechanisms (as opposed to forced by external factors such as solar, greenhouse gazes etc. ) at the origin of the AMV and second to quantify the associated predictability. The analysis of a 1000-yr control simulation (external climate forcing maintained to a constant level) shows that the model AMV is mainly controlled by the multidecadal evolution of the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) and associated heat/salt transport. The AMOC low-frequency variability is forced by the excitation of wintertime atmospheric modes over the Atlantic, namely the East Atlantic Pattern and the North Atlantic Oscillation. Those kick a chain reaction of oceanic processes leading in fine about 30 years later to an AMOC/AMV event. Such a timescale is controlled by the ocean dynamics and thermodynamics intrinsic properties. More specifically, we insist on the critical role played by the density anomalies of the first 500-meter of the subpolar gyre in controlling a large part of the AMOC fluctuations. We then focus on the estimation of the predictability level of the AMV in CNRM-CM5. To do so, we adopt the so-called perfect model approach that consists in reforecasting the model itself via an ensemblist method. Based on the use of a series of metrics and simple statistical models, we show that the AMOC/AMV in CNRM-CM5 is predictable for leadtimes ranging from 15 to 30 years as a function of the oceanic initial conditions. Such a conditional predictability is linked to the evolution of the density anomalies of the subpolar gyre and more specifically its salinity component, in line with the above-documented proposed mechanism. The oceanic predictability is associated to some predictability over the continents in terms of surface temperature and atmospheric circulation

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.

L'objet de cette thèse est l'étude des fronts thermohalins de méso-échelle (20 à 60 km) dans la mer d'Irminger, comme marqueurs des interactions entre masses d'eau aux propriétés hydrologiques contrastées. Ce travail se focalise sur les mécanismes associés à la formation et à l'établissement des propriétés hydrologiques des fronts de surface dans une région-clef du gyre subpolaire, qui, située au carrefour entre les influences polaire, subpolaire et subtropicale, alimente en aval les zones de formation d'eau profonde impliquées dans la branche profonde de la circulation thermohaline. Ce travail est basé sur une approche originale qui combine trois jeux de données. Données de surface issues de navires d'opportunité, données de campagnes océanographiques, et modèle d'advection basé sur l'utilisation des champs de courant altimétriques, sont ainsi combinés pour effectuer une description dynamique et en trois dimensions des fronts observés. Une première étude est consacrée à la mise en évidence de l'origine dynamique des fronts. Concentrée dans deux zones spécifiques du bassin d'Irminger, dont l'une seulement est associée à un front climatologique, la frontogénèse se produit dans les régions de confluence locale du champ de courant. Cette analyse a permis de démontrer le rôle du brassage horizontal à méso-échelle dans la structuration des champs thermohalins de surface. Une seconde étude a mis en évidence l'extension verticale des fronts sous la couche mélangée, et identifié le rôle saisonnier des interactions air-mer dans l'établissement des propriétés thermohalines de surface, qui aux saisons stratifiées ne sont que partiellement le reflet des propriétés de subsurface.

The Southern Ocean is responsible for the majority of the global oceanic heat uptake. At the same time, higher latitude waters are strongly stratified by salinity. This thesis investigates steric height variability in the Southern Ocean from 2008 to 2017 by analysing potential temperature (✓) and practical salinity (S) profiles obtained from global ocean reanalyses. The work was performed using an innovative method called functional Principal Component Analysis (fPCA). This feature extraction procedure was applied on the ✓ and S profiles (2000 m depth) which have been transformed into B-spline functions beforehand. The resulting thermohaline modes reveal information about the general ✓ and S structure, and their variations have been analysed over time. By integrating density anomalies, steric height was computed and related to changes of the modes using a Multiple Linear Regression model. Lastly, steric height trends have been compared to total sea surface height (SSH) data from satellite altimetry. Despite recent increases in meltwater and atmospheric temperatures, steric height in Antarctic waters above 2000 m has recently dropped due to higher salt content, while subtropical waters farther north have mostly risen due to increased heat storage. Interannual steric height changes are clearly depicted in total SSH variability, but at present the dominant cause for the significant sea level rise south of 30°S is increased freshwater discharge from glaciers and ice sheets.
Oceano Antártico é responsável pela maior parte da absorção global de calor oceânico. Ao mesmo tempo, as águas de latitudes mais altas são fortemente estratificadas por salinidade. Esta tese investiga a variabilidade da altura estérica no Oceano Antártico de 2008 a 2017, analisando a temperatura potencial (✓) e os perfis práticos de salinidade (S) obtidos a partir de reanálises oceânicas globais. O trabalho foi realizado utilizando um método inovador denominado Análise de Componentes Principais Funcionais (fPCA). Este procedimento de extração de características foi aplicado nos perfis ✓ e S (profundidade de 2000 m) que foram transformados em funções B-spline previamente. Os modos termohalinos resultantes revelam informações sobre a estrutura geral ✓ e S, e suas variações foram analisadas ao longo do tempo. Ao integrar anomalias de densidade, a altura estérica foi calculada e relacionada às mudanças dos modos usando um modelo de regressão linear múltipla. Por último, as tendências da altura estérica foram comparadas aos dados da altura total da superfície do mar (SSH) da altimetria de satélite. Apesar dos recentes aumentos na água de degelo e nas temperaturas atmosféricas, a altura estérica nas águas da Antártica acima de 2000 m caiu recentemente devido ao maior conteúdo de sal, enquanto as águas subtropicais mais ao norte aumentaram principalmente devido ao aumento do armazenamento de calor. Mudanças de altura estérica interanual são claramente representadas na variabilidade SSH total, mas no momento a causa dominante para o aumento significativo do nível do mar ao sul de 30°S é o aumento da descarga de água doce das geleiras e mantos de gelo.