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Audine Laurian Thèse dirigée par Alban Lazar et Gilles Reverdin Variabilité décennale de la salinité et échanges entre les tropiques et les subtropiques.

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1 Audine Laurian Thèse dirigée par Alban Lazar et Gilles Reverdin Variabilité décennale de la salinité et échanges entre les tropiques et les subtropiques de lAtlantique Nord

2 Introduction Téléconnexions océaniques Quelques courants associés à la circulation thermohaline (CTH) Transport de signaux de T et de S Surface Profond Fond Salinité > 36 psu

3 Des téléconnexions océaniques 3d Fonction de courant méridienne

4 Les téléconnexions océaniques dans la thermocline par advection: Subtropiques Tropiques Interannuel à décennal Variabilités tropicale et équatoriale (Gu et Philander 1997)

5 Interannuel à décennal Suggérée comme mécanisme capable datténuer la réduction de la CTH par transport des eaux salées subtropicales vers les hautes latitudes (Latif et al. 2000) Les téléconnexions océaniques dans la thermocline par advection: Tropiques Subtropiques

6 Evolution de la salinité dans lAtlantique Nord Anomalies de salinité observées entre les années 90 et les années 50 (Boyer et al. 2005) Tropiques + salés Advection des anomalies de S renforce la MOC Augmentation S aux hautes latitudes 20°N 40°N 60°N 80°N +

7 Problématique: Formation et advection danomalies de salinité dans la thermocline Anomalies de salinité observées entre les années 90 et les années 50 (Boyer et al. 2005) 20°N 40°N 60°N 80°N + Bon candidat à ladvection = anomalies compensées en densité (advectées par les courants): comportement proche des traceurs passifs Etude du mécanisme de téléconnexion (échelle de temps, physique, amplitude) 1. Génération des anomalies de S? 2. Circulation des anomalies de S?

8 Introduction 1.Définitions de lépice et dune anomalie de salinité compensée en densité 2.Modèle et description des anomalies de salinité en surface et en subsurface 3.Génération en surface des anomalies de salinité compensées en densité 3.1. Modèle analytique 3.2. Comparaison du modèle analytique à la simulation 4. Propagation des anomalies de salinité compensées en densité vers les hautes latitudes Synthèse et perspectives Plan

9 Une masse deau est dautant plus épicée (spicy) quelle est chaude et salée. Définition dune masse deau épicée - épice +

10 Définition dune masse deau épicée - épice + épice densité Une masse deau est dautant plus épicée (spicy) quelle est chaude et salée.

11 Anomalie de densité: Sur une isopycne: Anomalie dépice (spiciness): (Munk 1981; Flament 2002; Tailleux et al. 2005) Sur une isopycne: Sur une isopycne, une anomalie dépice est proportionnelle à une anomalie isopycnale de salinité (ou de température) Hypothèses: - densité linéaire - coefficients et constants (Tailleux et al. 2005) Définition dune anomalie dépice: lien avec les anomalies de salinité compensées en densité

12 Anomalie dépice = anomalie dont les signaux de T et de S se compensent en densité Pas danomalie de densité associée En 1 ère approximation, comparable a un traceur passif pour la dynamique, advectée par les courants moyens Subit la diffusion et se dissipe Anomalie de salinité = anomalie dépice + anomalie due au déplacement des isopycnes dans un champ de gradient de S S T Surface isopycnale Surface profondeur Propriétés des anomalies dépice

13 En surface: La barre supérieure dénote la climatologie mensuelle Définition dune anomalie de SSS Couche de mélange océanique

14 Sous la couche mélangée: La barre supérieure dénote la climatologie mensuelle Définition dune anomalie isopycnale de salinité sous la couche mélangée CMO

15 Mécanismes de génération dune anomalie isopycnale de salinité Modèle simple de subduction signaux de surface = signaux dans la thermocline Difficultés à relier surface et subsurface sur des surfaces isopycnales (Kessler 1999)

16 S T Un premier mécanisme de génération: Diffusion diapycnale à la base de la couche mélangée 1) Diffusion diapycnale à la base de la couche mélangée Luo et al. 2005; Yeager and Large 2006, 2007 Couche de mélange océanique SSSA SSTA

17 2) Subduction en fin dhiver Un second mécanisme de génération: Subduction en fin dhiver Couche de mélange océanique SSSA SSTA

18 2) Subduction en fin dhiver Un second mécanisme de génération: Subduction en fin dhiver Couche de mélange océanique S T

19 Introduction 1.Définitions de lépice et dune anomalie de salinité compensée en densité 2.Modèle et description des anomalies de salinité en surface et en subsurface 3.Génération en surface des anomalies de salinité compensées en densité 3.1. Modèle analytique 3.2. Comparaison du modèle analytique à la simulation 4. Propagation des anomalies de salinité compensées en densité vers les hautes latitudes Synthèse et perspectives Plan

20 Description de la simulation OGCM OPA 8.1 (Madec et al. 1998) Configuration ORCA2 (K. Rodgers) Flux de chaleur calculés à laide de formules bulk fondées sur les réanalyses journalières de NCEP/NCAR sur la période Permet détudier les échelles décennales Correction de flux deau douce Evolution de S la plus libre possible Moyennes mensuelles 10 à 50m dans les 250 premiers mètres Grille ORCA

21 Caractéristiques de surface: Modes de variabilité des anomalies de SSS en fin dhiver Structure spatiale en accord avec Mignot et Frankignoul (2003) Première EOF des anomalies de SSS en fin dhiver Composante principale associée

22 Fortes précipitations Forte évaporation Caractéristiques de surface: Modes de variabilité des anomalies de SSS en fin dhiver Première EOF des anomalies de SSS en fin dhiver Composante principale associée

23 Fortes précipitations Forte évaporation Salinification basse fréquence du Nord du gyre depuis 1960 (Curry et al. 2003; Boyer et al. 2005) Caractéristiques de surface: Modes de variabilité des anomalies de SSS en fin dhiver Première EOF des anomalies de SSS en fin dhiver Composante principale associée

24 Caractéristiques de surface: Modes de variabilité des anomalies de SSS en fin dhiver

25 CMO Premiers modes de variabilité des anomalies de salinité en subsurface en fin dhiver

26 Premiers modes de variabilité des anomalies de salinité de subsurface en fin dhiver CMO Anomalie de salinité: EOF1 45% Anomalie de salinité: EOF2 29%

27 Anomalie de salinité: EOF1 45% Anomalie de salinité: EOF2 29% ? Comparaison des premiers modes de variabilité des anomalies de salinité de surface et de subsurface en fin dhiver Distribution similaire mais amplitude différente

28 Introduction 1.Définitions de lépice et dune anomalie de salinité compensée en densité 2.Modèle et description des anomalies de salinité en surface et en subsurface 3.Génération en surface des anomalies de salinité compensées en densité 3.1. Modèle analytique 3.2. Comparaison du modèle analytique à la simulation 4. Propagation des anomalies de salinité compensées en densité vers les hautes latitudes Synthèse et perspectives Plan

29 Introduction 1.Définitions de lépice et dune anomalie de salinité compensée en densité 2.Modèle et description des anomalies de salinité en surface et en subsurface 3.Génération en surface des anomalies de salinité compensées en densité 3.1. Modèle analytique 3.2. Comparaison du modèle analytique à la simulation 4. Propagation des anomalies de salinité compensées en densité vers les hautes latitudes Synthèse et perspectives Plan

30 Mécanisme de génération schématisé: Diagramme T-S

31 Mécanisme de génération schématisé: Diagramme T-S Approximation des propriétés T-S par une droite

32 Cas dun refroidissement en surface sans variation de salinité en surface Refroidissement: SSTA < 0

33 Effet du refroidissement sur une isopycne donnée Avant refroidissement Après refroidissement

34 daprès Bindoff et McDougall 1994 Modulation du signe et de lamplitude des anomalies isopycnales de salinité Anomalie isopycnale de température > 0 Effet du refroidissement sur une isopycne donnée < 0

35 Modulation de lamplitude et du signe des anomalies en fonction de la pente Rapport de densité Effet du refroidissement sur une isopycne donnée: Cas dune masse deau aux propriétés différentes

36 Définition du rapport de densité Le rapport de densité méridien: en hiver (World Ocean Atlas 2005) Inversion de signe Modulation de lamplitude

37 Relation entre les anomalies de surface et les anomalies de subsurface: Changement de repère La relation entre les anomalies de surface et les anomalies de subsurface naît du changement de repère: Développement dun modèle analytique linéaire pour expliquer et analyser la formation des anomalies isopycnales de salinité dans la thermocline

38 Relation entre les anomalies de surface et les anomalies de subsurface: Schéma du changement de repère Couche de mélange océanique Flux atmosphériques Adv horizontale S T

39 Relation entre les anomalies de surface et les anomalies de subsurface: Schéma du changement de repère Couche de mélange océanique S T Déplacement (dl)

40 Couche de mélange océanique S T Relation entre les anomalies de surface et les anomalies de subsurface: Schéma du changement de repère Déplacement (dl)

41 Linéarisation de la salinité isopycnale mensuelle Couche de mélange océanique

42 Linéarisation de la salinité isopycnale mensuelle (1 mois = temps de restratification de la CMO) Couche de mélange océanique

43 Relation entre salinité isopycnale climatologique de surface et de subsurface Couche de mélange océanique

44 Relation entre anomalies de salinité en surface et en subsurface Prévision en fonction des paramètres de surface Relation contre-intuitive Couche de mélange océanique

45 Comment se déplacent les lignes daffleurement des surfaces isopycnales en hiver? Dans le gyre subtropical, en JFM, déplacements de 100 à 400 km Déplacement = écart à leur position climatologique dans la direction de : dl = f(SSTA, SSSA) + général que Nonaka et Sasaki (2007)

46 Introduction 1.Définitions de lépice et dune anomalie de salinité compensée en densité 2.Modèle et description des anomalies de salinité en surface et en subsurface 3.Génération en surface des anomalies de salinité compensées en densité 3.1. Modèle analytique 3.2. Comparaison du modèle analytique à la simulation 4. Propagation des anomalies de salinité compensées en densité vers les hautes latitudes Synthèse et perspectives Plan

47 Etude de lanomalie isopycnale de salinité sous la couche mélangée pour une année typique Anomalie dépice simulée: EOF = extrema de la composante principale Composante principale associée

48 Etude de lanomalie isopycnale de salinité en 1994 Mars 1994 SSSA, SSTA psu

49 Mars 1994 SSSA, SSTA psu Mars 1994 Déplacement (dl) Mars climatologique Mars 1994 Etude de lanomalie isopycnale de salinité en 1994

50 Mars 1994 SSSA, SSTA psu Mars 1994 Déplacement (dl) Mars climatologique Mars Etude de lanomalie isopycnale de salinité en 1994

51 Mars 1994 SSSA, SSTA psu Mars 1994 Déplacement (dl) + - Mars 1994 Etude de lanomalie isopycnale de salinité en 1994

52 Mars 1994 Mars 1994 SSSA, SSTA psu Mars 1994 Déplacement (dl) + - Avril 1994 SSSA + Etude de lanomalie isopycnale de salinité en 1994

53 Mars 1994 Mars 1994 SSSA, SSTA psu Mars 1994 Déplacement (dl) + - Avril 1994 SSSA + Etude de lanomalie isopycnale de salinité en 1994

54 Mars 1994 Mars 1994 SSSA, SSTA psu Mars 1994 Déplacement (dl) + - Avril 1994 SSSA + Etude de lanomalie isopycnale de salinité en 1994

55 Avril 1994 SSSA + Avril 1994 Anomalie simulée Dipôle - Au Sud de 14°N, décalé au Sud de 400km - Entre 30°N-36°N, décalage à lOuest de 100km Amplitude trop faible au Nord, trop forte au Sud Signe Etude de lanomalie isopycnale de salinité en 1994

56 Comparaison des premiers modes de variabilité des anomalies isopycnales de salinité en fin dhiver, analytiques et simulées Analytique Simulée

57 Qualités du modèle analytique Expliquer et prédire les caractéristiques des anomalies isopycnales de salinité dans la thermocline en fonction des paramètres de surface uniquement Permet dexpliquer la relation entre surface et subsurface Modèle utilisable dans toutes les régions de subduction tropicale et subtropicale Variabilité interannuelle à décennale des anomalies dépice sous la couche mélangée Amplitude, le plus souvent Distribution spatiale Description des anomalies isopycnales de salinité à léchelle du bassin

58 Densité non linéaire (cabelling) Anomalie isopycnale de salinité non passive Modulation de lamplitude des anomalies analytiques Améliorations du modèle analytique Si dl trop grand par rapport à létat moyen Pas de linéarisation du dl Amplification de lerreur si fort Dépendant du pas de temps de la simulation (1 mois)

59 Introduction 1.Définitions de lépice et dune anomalie de salinité compensée en densité 2.Modèle et description des anomalies de salinité en surface et en subsurface 3.Génération en surface des anomalies de salinité compensées en densité 3.1. Modèle analytique 3.2. Comparaison du modèle analytique à la simulation 4. Propagation des anomalies de salinité compensées en densité vers les hautes latitudes Synthèse et perspectives Plan

60 S T CMO Propagation dune anomalie isopycnale de salinité: Vision schématique

61 S T CMO Propagation dune anomalie isopycnale de salinité: Vision schématique

62 Dans le Pacifique Deser et al. 1996; Schneider et al. 2000; Yeager et Large 2007; Johnson 2006 etc Dans lAtlantique Lazar et al. 2001; Yeager et Large 2006 Etudes des régions équatoriales S T Propagation dune anomalie isopycnale de salinité: Historique et nouveautés S T CMO

63 Distribution horizontale des anomalies de salinité: cartes de variance pour 4 isopycnes dans la thermocline psu En accord avec Schneider 2000; Lazar et al. 2001; Yeager et Large 2004; etc Variance maximale sur

64 Distribution verticale des anomalies isopycnales de salinité: Carte de variance sous la couche mélangée Forte variance (0.2 psu) entre 150 et 250 mètres psu

65 Distribution verticale des anomalies isopycnales de salinité: Carte de variance sous la couche mélangée Forte variance (0.2 psu) entre 150 et 250 mètres psu

66 SSSA Anomalies de salinité sur la surface

67 psu 0 100m 200m 300m 400m 0 Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

68 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

69 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

70 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

71 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

72 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

73 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

74 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

75 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

76 0 100m 200m 300m 400m Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

77 0 100m 200m 300m 400m Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

78 0 100m 200m 300m 400m Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

79 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

80 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

81 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

82 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

83 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

84 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

85 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

86 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

87 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

88 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

89 0 100m 200m 300m 400m psu Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la verticale

90 Les plus fortes anomalies sont générées dans la région du maximum de salinité (de 0.1 à 0.3 psu) Cette région alimente les 250 premiers mètres de la thermocline du gyre subtropical Forte diminution du signal 0 100m 200m 300m 400m

91 Mise en évidence de la propagation jusque dans le Gulf Stream: corrélations laguées dans le temps Auto-corrélation laguée>0.8 ans T=0 +3 ans

92 Diagramme de Hovmüller des anomalies isopycnales de salinité le long de leur trajectoire Anomalies advectées par les courants moyens vers le Cape Hatteras en 6 ans (-70%) Forte diminution de lamplitude (physique + cabelling) Prédictibilité de la variabilité des caractéristiques isopycnales du Gulf Stream 6 ans à lavance

93 Introduction 1.Définitions de lépice et dune anomalie de salinité compensée en densité 2.Modèle et description des anomalies de salinité en surface et en subsurface 3.Génération en surface des anomalies de salinité compensées en densité 3.1. Modèle analytique 3.2. Comparaison du modèle analytique à la simulation 4. Propagation des anomalies de salinité compensées en densité vers les hautes latitudes Synthèse et perspectives Plan

94 Synthèse et perspectives Flux atmosphériques - Développement et généralisation dun modèle applicable à toutes régions de subduction tropicales/subtropicales - Description de la variabilité grande échelle des anomalies dans lAtlantique Nord - Prédictibilité des anomalies dans la thermocline en fonction des anomalies de surface Adv Horiz S T Laurian et al., Generation mechanism of poleward propagating spiciness anomalies in the North Atlantic subtropical gyre, soumis à J. of Geophys. Res. S T

95 Synthèse et perspectives Flux atmosphériques - Développement et généralisation dun modèle applicable à toutes régions de subduction tropicales/subtropicales - Description de la variabilité grande échelle des anomalies dans lAtlantique Nord - Prédictibilité des anomalies dans la thermocline en fonction des anomalies de surface Adv Horiz S T Laurian et al., Generation mechanism of poleward propagating spiciness anomalies in the North Atlantic subtropical gyre, soumis à J. of Geophys. Res. S T Validation du mécanisme avec des observations (ARGO) Validation du mécanisme dans dautres régions de subduction Rôle des petites échelles (double diffusion)

96 Synthèse et perspectives - Mise en évidence de propagation danomalies dans le gyre subtropical en 6 ans - Variabilité décennale - Prédictibilité de la variabilité des caractéristiques isopycnales du Gulf Stream 6 ans à lavance Laurian et al., Poleward propagation of spiciness anomalies in the North Atlantic Ocean, GRL, S T Flux atmosphériques S T Adv Horiz S T

97 Synthèse et perspectives - Mise en évidence de propagation danomalies dans le gyre subtropical en 6 ans - Variabilité décennale - Prédictibilité de la variabilité des caractéristiques isopycnales du Gulf Stream 6 ans à lavance Laurian et al., Poleward propagation of spiciness anomalies in the North Atlantic Ocean, GRL, Paramétrisation de leffet de la diffusion? (amélioration de la prédictibilité) Effets cumulés dans lespace et dans le temps des anomalies de salinité Impact vers les hautes latitudes? S T Flux atmosphériques S T Adv Horiz S T

98 Flux atmosphériques S T Adv Horiz S T Perspectives Flux atmosphériques S T Emergence des anomalies dans le Gulf Stream Impacts sur la densité de surface? Modification de la densité de surface dans le gyre subpolaire? Etude de sensibilité en cours dans un modèle couplé (en collaboration avec Juliette Mignot)

99

100 Impact de la résolution de la simulation: MERA-11, 1/3° Propagation de 40°W à 80°W dans le Sud du gyre subtropical Vitesse de propa differente, ampli idem Deplacer pour questions

101 Peut-on relier les anomalies dépice dans la thermocline à des signaux de surface ayant une variabilité connue? Mars 1994 SSSA Mars 1994 SSTA psu °C

102 Peut-on relier les anomalies dépice dans la thermocline à des signaux de surface ayant une variabilité connue? Mars 1994 SSSA Mars 1994 SSTA psu °C

103 Peut-on relier les anomalies dépice dans la thermocline à des signaux de surface ayant une variabilité connue? Mars 1994 SSSA Mars 1994 SSTA psu °C

104 Comparaison des anomalies de surface en 1994 avec les EOF associées On connaît la NAO et ses evolutions, La NAO force la surface Notre modele permet de predire les anomalies qui vont subducter et circuler. Besoin de la SSS (SMOS)

105 Définition de la spiciness Anomalie de densité: Sur une isopycne: Anomalie de spiciness: (Munk 1981; Flament 2002; Tailleux et al. 2005) Sur une isopycne: Sur une surface isopycnale donnée, une anomalie de spiciness est proportionnelle à une anomalie isopycnale de salinité (ou de température)

106 Couverture du réseau ARGO en octobre 2007 (3000 flotteurs) ( m)

107

108 Simulation de contrôle HH20: SSS Couleur: HH20; Contours: HH20-WOA05 SSS anormalement faible en toute saison entre 40°N et 50°N psu

109 Couleur: HH20; Contours: HH20-WOA05 Eaux de surface trop denses au printemps et en été entre 40°N et 50°N Simulation de contrôle HH20: SSD

110 HH20 (m/an) ORCA2 (m/an) Recirculation dans le gyre subtropical trop forte dans HH20 Simulation de contrôle HH20: Taux de ventilation

111 En surface: Dans la thermocline: La barre supérieure dénote la moyenne mensuelle sur la période Modèle analytique Définition dune anomalie de salinité en surface et en subsurface

112 3.1. Modèle analytique Migration des lignes daffleurement des surfaces isopycnales On définit cette migration par rapport à leur position moyenne mensuelle La migration est parallèle aux gradients horizontaux de :

113 2.1. Modèle analytique Migration des lignes daffleurement des surfaces isopycnales On définit cette migration par rapport à leur position moyenne mensuelle La migration est parallèle aux gradients horizontaux de : dl = F(SSTA,SSSA)

114 Perspectives Emergence des anomalies dépice dans le Gulf Stream Mécanisme S T Interactions air-mer CMO Surface isopycnale Les anomalies dépice générées dans la région du maximum de salinité émergent dans le Gulf Stream avec une amplitude qui peut atteindre 0.1 psu.

115 Perspectives Emergence des anomalies dépice dans le Gulf Stream Mécanisme S T CMO Surface isopycnale

116 Perspectives Emergence des anomalies dépice dans le Gulf Stream Mécanisme S T CMO Surface isopycnale Lorsquelles émergent dans la couche mélangée, les anomalies ont un (faible) impact climatique, du moins dans le Pacifique équatorial (Schneider 2004)


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