Littérature scientifique sur le sujet « Changements thermohalins »

Le changement climatique d’origine humaine impacte déjà toutes les régions habitées de la planète. 90% de l’excès de chaleur associé aux activités humaines a été absorbé par l’océan depuis les années 1970, atténuant en grande partie le réchauffement atmosphérique, mais impactant fortement les sociétés humaines et la vie marine. Dans cette thèse, j’explore à l’aide d’ensembles de modèles de climat et de simulations numériques dédiées, où et quand les changements de température et de salinité dans l’océan intérieur deviennent assez grands pour être différenciés de la variabilité interne, ainsi que les mécanismes physiques associés. Nous trouvons ainsi que le signal climatique dans les masses d’eau de l’océan supérieur émerge entre la fin du XXème et les premières décennies du XXIème siècle. Les eaux modales des moyennes latitudes de l’hémisphère Sud émergent plus tôt que leurs homologues de l’hémisphère Nord. Le réchauffement associé à ces échelles de temps est principalement du à une absorption de chaleur transportée passivement dans l’océan intérieur. Dans les profondeurs de l’océan, les changements de circulation jouent un rôle plus important aux échelles de temps d’émergence du signal climatique. Le gain de flottabilité en surface dans les régions subpolaires provoque un ralentissement de la circulation méridienne de retournement. Cela réchauffe les eaux intérieures et abyssales de l’Océan Austral dès le milieu du XXème, venant s’ajouter au faible transport passif de chaleur, alors que cela le contre dans les profondeurs de l’Atlantique Nord et retarde l’émergence. Bien que les modèles de climat passent à côté de certains aspects importants de la réponse océanique au changement climatique, ils permettent d’apporter des éléments sur l’équilibre de processus en jeu, et suggèrent que l’influence humaine impacte déjà de grandes parties de l’océan
Human-induced climate change is already affecting every inhabited region of the planet. Yet, over 90% of the excess heat associated with human activities has been absorbed by the ocean since the 1970s, which acts to largely damp atmospheric warming, but has large impacts on human societies and marine life. In this thesis, I explore when and where thermohaline changes in the ocean interior become large enough to be unambiguously set apart from internal variability and investigate their associated physical drivers, using ensembles of climate models and dedicated numerical experiments. We find that the climate signal in the upper ocean water-masses emerges between the late 20th century and the first decades of the 21st. The Southern Hemisphere mid-latitude Mode Waters emerge before their Northern Hemisphere counterparts. The associated warming at these timescales is mostly caused by the uptake of heat from the atmosphere, passively transported into the ocean interior. In the deeper parts of the ocean, circulation changes play a more important role in the emergence timescales of the climate signals. Increased buoyancy gain at the surface in the subpolar areas cause a slowdown in the meridional overturning circulation. This warms the subsurface and abyssal waters in the Southern Ocean as soon as the mid-20th century, adding up to the weaker passive uptake of heat, but counteracts it in the deep North Atlantic over the 21st, delaying the emergence. Although climate models miss some important aspects of the ocean response to climate change, they allow to shed light on the balance of processes at play, and suggest anthropogenic influence has already spread to large parts of the ocean

La circulation thermohaline (THC) influe fortement sur le climat de l'Atlantique Nord. Le réchauffement climatique causé par les émissions anthropiques de CO2 risque d'altérer cette circulation océanique et donc le climat. Nous avons ici évalué ce risque grâce au modèle couplé tridimensionnel océan-atmosphère IPSL-CM4. Dans un premier temps nous avons résumé les principales théories concernant la THC. Nous avons ensuite validé la pertinence d'IPSL-CM4. L'analyse de simulations scénarios pour les siècles à venir a montré diminution significative de la THC dans ces simulations, qui est fortement amplifiée si la fonte du Groenland est prise en compte. L'analyse de divers scénarios prenant en compte ou non cette fonte des glaciers a aussi permis d'isoler de manière originale le rôle joué par les rétroactions de la THC. En dernier lieu, l'effet de la THC sur le climat a été quantifié. Il apparaît être plus faible que le réchauffement climatique, même localement sur l'Europe
The thermohaline circulation (THC) strongly influences the climate of the North Atlantic. The warming caused by the release of anthropic CO2 risks to affect this oceanic circulation and then the climate. We point here to evaluate this risk thanks to the tri-dimensional ocean-atmosphere IPSL-CM4 coupled model. In a first part we have done a survey of the principal theories concerning the THC. We have then validated the pertinence of IPSL-CM4 to lead our study. We have then analysed some scenario simulations for next centuries showing a significant diminution of the THC in those simulations, which is strongly magnified if the melting of Greenland is taken in account. The analysis of several scenarios taking into account or not this glacier melting has permitted to isolate in an original manner the role played by THC feedbacks. Last, the effect of the THC on the climate has been quantified in IPSL-CM4. It appears to be more slight that the global warming, even locally on Europe

La circulation thermohaline (THC) influe fortement sur le climat de l'Atlantique Nord. Le réchauffement climatique causé par les émissions anthropiques de CO2 risque d'altérer cette circulation océanique et donc le climat. Dans cette thèse nous proposons d'évaluer ce risque et de comprendre l'impact climatique de la THC dans le futur grâce au modèle couplé tridimensionnel océan-atmosphère-glace-de-mer-surface-terrestre IPSL-CM4. Dans un premier temps nous avons fait un tour d'horizon des principales théories et connaissances concernant la THC. Nous avons ensuite validé la pertinence d'IPSL-CM4 pour mener notre étude. Le rôle du sel est apparu primordial pour la dynamique de la THC. Nous avons ensuite mis en évidence la sensibilité de la THC au forçage global en eau douce de l'océan. Les différentes sensibilités des sites de convection de l'Atlantique Nord, liées principalement au processus de transport de sel, ont ainsi été mises en lumière dans IPSL-CM4. Nous nous sommes ensuite tourné vers l'analyse de simulations scénarios pour les siècles à venir. Il est apparu une diminution signicative de la THC dans ces simulations, qui est fortement ampliée si la fonte du Groenland est prise en compte. L'analyse de divers scénarios prenant en compte ou non cette fonte des glaciers a aussi permis d'isoler de manière originale le rôle joué par les rétroactions de la THC. En dernier lieu, l'effet de la THC sur le climat a été quantié dans IPSL-CM4 et apparaît être plus faible que le réchauffement climatique, même localement sur l'Europe. L'explication des mécanismes d'inuence de la THC sur le climat a aussi été clariée. L'impact de la THC sur le stockage de carbone dans l'océan a enn été évalué, et apparaît être très faible sur 140 ans. Tout ceci permet d'appréhender le rôle de la THC pour le climat et de son devenir dans le futur.

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'objectif de cette these est de determiner quels sont les processus oceaniques et atmospheriques qui controlent la variabilite saisonniere et interannuelle de la Temperature de Surface Oceanique (TSO) dans l'Ocean Indien Nord. Notre approche consiste a utiliser un modele de circulation generale oceanique force et a analyser les termes oceaniques et atmospheriques qui influencent la TSO, representee par la temperature de la couche melangee. Cette couche de surface est donc primordiale dans cette etude. S'assurer qu'elle est bien representee par le modele oceanique nous permet d'obtenir des resultats plus robustes concernant les variations potentiellement faibles de la TSO dans cette region. La premiere etape de notre travail consiste donc a mettre au point un atlas de profondeur de couche melangee oceanique a partir d'observations. Etant donne l'interet potentiel pour d'autres regions de l'ocean d'un tel champ, cet atlas est etabli a l'echelle globale. Grace a une methodologie innovante, basee sur le traitement direct de profils oceaniques individuels, ce nouvel atlas presente plus de details dans les structures oceaniques classiques et moins de biais que les atlas precedents. Cette etude montre egalement le role de la salinite sur la profondeur de la couche melangee. Ainsi, outre les regions de couches barrieres classiques, on met en evidence des zones de compensations
verticales en densite en hiver dans les gyres subtropicales et dans la zone de convergence subtropicale. On propose des mecanismes de formation de ces structures peu discutees precedemment.

L'analyse des bilans thermohalins de la couche melangee du modele d'ocean nous montre ensuite plusieurs preuves du role de l'Ocean Indien Nord dans la regulation de la TSO. Meme si le vent reste un facteur important dans le controle du cycle saisonnier de la TSO, plusieurs phenomenes oceaniques participent activement
a cette variabilite. En ete, dans l'ouest de la Mer d'Arabie, les upwellings oceaniques contribuent a diminuer considerablement la TSO et dominent la contribution atmospherique. A l'est de la Mer d'Arabie et dans le Golfe du Bengale, la salinite de surface est en grande partie controlee par les courants oceaniques de mousson. Les couches barrieres creees par ces changements de salinite en surface permettent de stocker de la chaleur sous la couche melangee et de la redistribuer par entrainement en hiver. A l'echelle interannuelle, a l'ouest de la Mer d'Arabie, les vents et le melange oceanique vertical participent aussi de maniere equivalente a la variabilite de la TSO. Cependant, les mecanismes de regulation de la TSO semblent etre plus complexes qu'a l'echelle saisonniere et necessitent une etude plus approfondie.

Cette etude a pour objectif de mettre en evidence le role de la circulation oceanique dans les liens climatiques interhemispheriques a partir des archives que sont les sediments marins des oceans austral et indien. Pour cela, j'ai tout d'abord reconstruit les paleoenvironnements marins des 300 derniers ka : les changements de la salinite en surface ont ete estimes a partir de la composition isotopique de l'oxygene des foraminiferes planctoniques n. Pachyderma s. Et g. Bulloides, les variations de la circulation thermohaline a partir de la composition isotopique du carbone du foraminifere benthique c. Wuellerstorfi, enfin, l'existence d'une debacle de la calotte antarctique a ete mis en evidence grace aux comptages des elements d'origine detritique. De plus, une etude micropaleonthologique realisee a l'universite de bordeaux 1 a permis de reconstruire les temperatures de surface. Puis, j'ai etabli une echelle de temps precise de ces enregistrements a partir de dates 1 4c et a partir de la correlation graphique de la composition isotopique de l'oxygene des foraminiferes benthiques avec une courbe de reference. Les resultats montrent l'existence d'au moins deux modes de circulation oceanique : un premier, lors des optima climatiques, est equivalent a celui de la periode actuelle tandis qu'un second, caracterise par un arret de la propagation d'eau profonde originaire de l'atlantique nord au niveau de l'ocean austral, prend place lors des periodes plus froides. Dans le premier mode, la circulation thermohaline peut jouer le role de lien climatique interhemispherique en diminuant les temperatures de l'ocean austral en surface lors d'une baisse de l'intensite de celle-ci. Pour les periodes froides la circulation profonde ne peut etre un lien climatique interhemispherique en particulier car il y a tres peu d'echange entre l'ocean austral et l'eau originaire de l'atlantique nord.

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