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

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

Des téléconnexions océaniques 3d 250 500 1000 2000 3000 Fonction de courant méridienne 4000 5000

Les téléconnexions océaniques dans la thermocline par advection: Subtropiques  Tropiques Interannuel à décennal Variabilités tropicale et équatoriale (Gu et Philander 1997) 250 500 1000 2000 3000 4000 5000

Les téléconnexions océaniques dans la thermocline par advection: Tropiques  Subtropiques Interannuel à décennal Suggérée comme mécanisme capable d’atténuer la réduction de la CTH par transport des eaux salées subtropicales vers les hautes latitudes (Latif et al. 2000) 250 500 1000 2000 3000 4000 5000

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

Problématique: Formation et advection d’anomalies de salinité dans la thermocline Bon candidat à l’advection = 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? + Anomalies de salinité observées entre les années 90 et les années 50 (Boyer et al. 2005) 20°N 40°N 60°N 80°N

Plan Introduction Définitions de l’épice et d’une anomalie de salinité compensée en densité Modèle et description des anomalies de salinité en surface et en subsurface 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

Définition d’une masse d’eau épicée Une masse d’eau est d’autant plus épicée (spicy) qu’elle est chaude et salée.

Définition d’une masse d’eau épicée densité épice Une masse d’eau est d’autant plus épicée (spicy) qu’elle est chaude et salée.

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

Propriétés des anomalies d’épice S T Surface isopycnale Surface profondeur Anomalie d’épice = anomalie dont les signaux de T et de S se compensent en densité Pas d’anomalie de densité associée En 1ère approximation, comparable a un traceur passif pour la dynamique, advectée par les courants moyens Subit la diffusion et se dissipe Anomalie de salinité = anomalie d’épice + anomalie due au déplacement des isopycnes dans un champ de gradient de S

Définition d’une anomalie de SSS En surface: Couche de mélange océanique La barre supérieure dénote la climatologie mensuelle

Définition d’une anomalie isopycnale de salinité sous la couche mélangée CMO La barre supérieure dénote la climatologie mensuelle

Mécanismes de génération d’une 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)

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 SSSA SSTA Couche de mélange océanique S T

Un second mécanisme de génération: Subduction en fin d’hiver Couche de mélange océanique SSSA SSTA

Un second mécanisme de génération: Subduction en fin d’hiver Couche de mélange océanique S T

Plan Introduction Définitions de l’épice et d’une anomalie de salinité compensée en densité Modèle et description des anomalies de salinité en surface et en subsurface 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

Description de la simulation OGCM OPA 8.1 (Madec et al. 1998) Configuration ORCA2 (K. Rodgers) Flux de chaleur calculés à l’aide de formules bulk fondées sur les réanalyses journalières de NCEP/NCAR sur la période 1948-2002  Permet d’étudier les échelles décennales Correction de flux d’eau douce Evolution de S la plus libre possible Moyennes mensuelles 10 à 50m dans les 250 premiers mètres Grille ORCA

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

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

Caractéristiques de surface: Modes de variabilité des anomalies de SSS en fin d’hiver Forte évaporation Fortes précipitations Première EOF des anomalies de SSS en fin d’hiver Composante principale associée  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 d’hiver

Premiers modes de variabilité des anomalies de salinité en subsurface en fin d’hiver CMO

Premiers modes de variabilité des anomalies de salinité de subsurface en fin d’hiver Anomalie de salinité: EOF1 45% CMO Anomalie de salinité: EOF2 29%

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

Plan Introduction Définitions de l’épice et d’une anomalie de salinité compensée en densité Modèle et description des anomalies de salinité en surface et en subsurface 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 Introduction Définitions de l’épice et d’une anomalie de salinité compensée en densité Modèle et description des anomalies de salinité en surface et en subsurface 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

Mécanisme de génération schématisé: Diagramme T-S

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

Cas d’un refroidissement en surface sans variation de salinité en surface Refroidissement: SSTA < 0

Effet du refroidissement sur une isopycne donnée Après refroidissement Avant refroidissement

Anomalie isopycnale de température > 0 Effet du refroidissement sur une isopycne donnée Anomalie isopycnale de température > 0 < 0 d’après Bindoff et McDougall 1994  Modulation du signe et de l’amplitude des anomalies isopycnales de salinité

Effet du refroidissement sur une isopycne donnée: Cas d’une masse d’eau aux propriétés différentes Modulation de l’amplitude et du signe des anomalies en fonction de la pente  Rapport de densité

Définition du rapport de densité Le rapport de densité méridien: Inversion de signe Modulation de l’amplitude Modulation de l’amplitude en hiver (World Ocean Atlas 2005)

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 d’un modèle analytique linéaire pour expliquer et analyser la formation des anomalies isopycnales de salinité dans la thermocline

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

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

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

Linéarisation de la salinité isopycnale mensuelle Couche de mélange océanique

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

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

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

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

Plan Introduction Définitions de l’épice et d’une anomalie de salinité compensée en densité Modèle et description des anomalies de salinité en surface et en subsurface 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

Etude de l’anomalie isopycnale de salinité sous la couche mélangée pour une année typique Anomalie d’épice simulée: EOF1 1994 1994 = extrema de la composante principale Composante principale associée

Etude de l’anomalie isopycnale de salinité en 1994 Mars 1994 SSSA, SSTA psu

Etude de l’anomalie isopycnale de salinité en 1994 Mars 1994 SSSA, SSTA psu Mars 1994 Déplacement (dl) Mars climatologique Mars 1994

Etude de l’anomalie isopycnale de salinité en 1994 Mars 1994 SSSA, SSTA psu Mars 1994 Déplacement (dl) + - Mars climatologique Mars 1994

Etude de l’anomalie isopycnale de salinité en 1994 Mars 1994 SSSA, SSTA psu Mars 1994 Déplacement (dl) Mars 1994 + -

Etude de l’anomalie isopycnale de salinité en 1994 Mars 1994 SSSA, SSTA Avril 1994 SSSA + psu Mars 1994 Déplacement (dl) Mars 1994 + -

Etude de l’anomalie isopycnale de salinité en 1994 Mars 1994 SSSA, SSTA Avril 1994 SSSA + psu Mars 1994 Déplacement (dl) Mars 1994 + -

Etude de l’anomalie isopycnale de salinité en 1994 Mars 1994 SSSA, SSTA Avril 1994 SSSA + psu Mars 1994 Déplacement (dl) Mars 1994 + -

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

Comparaison des premiers modes de variabilité des anomalies isopycnales de salinité en fin d’hiver, analytiques et simulées Analytique Simulée Analytique Simulée

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 d’expliquer la relation entre surface et subsurface  Modèle utilisable dans toutes les régions de subduction tropicale et subtropicale Variabilité interannuelle à décennale des anomalies d’épice sous la couche mélangée Amplitude, le plus souvent Distribution spatiale  Description des anomalies isopycnales de salinité à l’échelle du bassin

Améliorations du modèle analytique Densité non linéaire (cabelling)  Anomalie isopycnale de salinité non passive  Modulation de l’amplitude des anomalies analytiques Si dl trop grand par rapport à l’état moyen  Pas de linéarisation du dl  Amplification de l’erreur si fort Dépendant du pas de temps de la simulation (1 mois)

Plan Introduction Définitions de l’épice et d’une anomalie de salinité compensée en densité Modèle et description des anomalies de salinité en surface et en subsurface 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

Propagation d’une anomalie isopycnale de salinité: Vision schématique CMO S T

Propagation d’une anomalie isopycnale de salinité: Vision schématique CMO CMO S T S T

Propagation d’une anomalie isopycnale de salinité: Historique et nouveautés CMO CMO S T S T Dans le Pacifique Deser et al. 1996; Schneider et al. 2000; Yeager et Large 2007; Johnson 2006 etc Dans l’Atlantique Lazar et al. 2001; Yeager et Large 2006  Etudes des régions équatoriales

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

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

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

Anomalies de salinité sur la surface psu SSSA Anomalies de salinité sur la surface

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Forte diminution du signal 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 100m 200m 300m 400m

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

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 l’amplitude (physique + cabelling) Prédictibilité de la variabilité des caractéristiques isopycnales du Gulf Stream 6 ans à l’avance

Plan Introduction Définitions de l’épice et d’une anomalie de salinité compensée en densité Modèle et description des anomalies de salinité en surface et en subsurface 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

Synthèse et perspectives Flux atmosphériques Développement et généralisation d’un modèle applicable à toutes régions de subduction tropicales/subtropicales Description de la variabilité grande échelle des anomalies dans l’Atlantique Nord Prédictibilité des anomalies dans la thermocline en fonction des anomalies de surface Adv Horiz S T S T Laurian et al., Generation mechanism of poleward propagating spiciness anomalies in the North Atlantic subtropical gyre, soumis à J. of Geophys. Res.

Synthèse et perspectives Flux atmosphériques Développement et généralisation d’un modèle applicable à toutes régions de subduction tropicales/subtropicales Description de la variabilité grande échelle des anomalies dans l’Atlantique Nord Prédictibilité des anomalies dans la thermocline en fonction des anomalies de surface Adv Horiz S T S T Laurian et al., Generation mechanism of poleward propagating spiciness anomalies in the North Atlantic subtropical gyre, soumis à J. of Geophys. Res. Validation du mécanisme avec des observations (ARGO) Validation du mécanisme dans d’autres régions de subduction Rôle des petites échelles (double diffusion)

Synthèse et perspectives S T Flux atmosphériques Adv Horiz Mise en évidence de propagation d’anomalies dans le gyre subtropical en 6 ans Variabilité décennale Prédictibilité de la variabilité des caractéristiques isopycnales du Gulf Stream 6 ans à l’avance Laurian et al., Poleward propagation of spiciness anomalies in the North Atlantic Ocean, GRL, 2006.

Synthèse et perspectives S T Flux atmosphériques Adv Horiz Mise en évidence de propagation d’anomalies dans le gyre subtropical en 6 ans Variabilité décennale Prédictibilité de la variabilité des caractéristiques isopycnales du Gulf Stream 6 ans à l’avance Laurian et al., Poleward propagation of spiciness anomalies in the North Atlantic Ocean, GRL, 2006. Paramétrisation de l’effet de la diffusion? (amélioration de la prédictibilité) Effets cumulés dans l’espace et dans le temps des anomalies de salinité Impact vers les hautes latitudes?

Perspectives Emergence des anomalies dans le Gulf Stream Flux atmosphériques S T Flux atmosphériques Adv Horiz 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)

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

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

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

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

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)

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

Couverture du réseau ARGO en octobre 2007 (3000 flotteurs) (0  2000 m)

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

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

Définition d’une anomalie de salinité en surface et en subsurface 3.1. Modèle analytique Définition d’une anomalie de salinité en surface et en subsurface En surface: Dans la thermocline: La barre supérieure dénote la moyenne mensuelle sur la période1948-2002

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

Migration des lignes d’affleurement des surfaces isopycnales 2.1. Modèle analytique Migration des lignes d’affleurement 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)

Perspectives Emergence des anomalies d’épice dans le Gulf Stream Mécanisme Les anomalies d’épice générées dans la région du maximum de salinité émergent dans le Gulf Stream avec une amplitude qui peut atteindre 0.1 psu. Interactions air-mer S T CMO Surface isopycnale

Perspectives Emergence des anomalies d’épice dans le Gulf Stream Mécanisme S T CMO Surface isopycnale

Perspectives Emergence des anomalies d’épice dans le Gulf Stream Mécanisme S T CMO Surface isopycnale Lorsqu’elles émergent dans la couche mélangée, les anomalies ont un (faible) impact climatique, du moins dans le Pacifique équatorial (Schneider 2004)