Simple models for understanding the mechanisms and modulation of ENSO

• Auteur / Autrice : Sulian Thual
• Direction : Boris Dewitte, Nadia Ayoub
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Interactions océan-atmosphère et climat
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction mer-atmosphère

Assimilation de données (géophysique)

El Niño (courant)

Mots clés libres

Oscillation Australe El Niño

Modes Baroclines

Modèles Conceptuels

Modèles de Complexité Intermédiaire

Assimilation de Données

Filtre de Kalman d'Ensemble

Variabilité Décennale

Résumé

L'Oscillation Australe El Niño (ENSO pour El Niño Southern Oscillation) est la fluctuation climatique la plus intense sur Terre après le cycle saisonnier. L'observation, la compréhension et la prévision de cette fluctuation aux retombées mondiales sont des enjeux scientifiques majeurs. Cette thèse documente divers aspects d'ENSO tels que ses mécanismes, sa modulation et sa prévision. Ces divers aspects sont abordés en développant une hiérarchie de modèles du Pacifique équatorial, de complexité croissante, qui s'étend de modèles conceptuels à une méthode d'assimilation de données dans un modèle de complexité intermédiaire. Nous étudions dans un premier temps les mécanismes de formation d'ENSO. Nous développons une dérivation alternative du modèle conceptuel de recharge/décharge où ENSO résulte d'un ajustement de la thermocline équatoriale à échelle de bassin. Nous implémentons par ailleurs un diagnostic original dans un modèle d'instabilités couplées équatoriales, ce qui met en avant un nouveau mécanisme de formation d'ENSO où les réflexions aux frontières océaniques jouent un rôle secondaire. La stratification moyenne de l'océan contribue à la modulation décenalle des caractéristiques d'ENSO. Cette relation est abordée dans un nouveau modèle réduit qui prend en compte les premiers modes baroclines d'un océan continûment stratifié. L'espace des solutions du modèle est exploré, indiquant un contrôle de la stabilité d'ENSO par les caractéristiques de la thermocline équatoriale. La sensibilité à la stratification au cours des dernières décennies est mise en perspective avec la sensibilité aux rétroactions thermodynamiques et atmosphériques. Nous soulignons en particulier certaines limitations des méthodes usuelles d'estimation de la rétroaction de thermocline dans le Pacifique central. Finalement, nous implémentons une méthode de Filtre de Kalman d'Ensemble dans un modèle intermédiaire du Pacifique équatorial déjà existant, afin d'assimiler des observations de niveau de la mer et d'initialiser des prévisions rétrospectives d'ENSO. Nous montrons que la contrainte majeure du modèle porte sur les modes de bassin qui sont associés au processus de recharge/décharge du Pacifique équatorial. Notre travail fournit un formalisme pour diagnostiquer la modulation des caractéristiques d'ENSO dans les observations, les prévisions et projections climatiques. Les résultats soutiennent la nécessité d'étendre la compréhension des mécanismes d'ENSO, afin de rendre compte de la diversité des régimes observés et d'améliorer les prévisions.

The El Niño Southern Oscillation (ENSO) is the most intense climatic fluctuation on Earth after the seasonal cycle. The observation, understanding and forecast of this fluctuation with worldwide impacts are major scientific issues. This thesis (entitled ''Simple Models for Understanding the Mechanisms and Modulation of ENSO'') documents various aspects of ENSO such as its mechanisms, its modulation and its forecast. Those various aspects are tackled by developing a hierarchy of models of the equatorial Pacific, of increasing complexity, ranging from conceptual models to a data assimilation method in an intermediate complexity model. We study at first mechanisms of ENSO formation. We develop an alternative derivation of the recharge/discharge conceptual model where ENSO arises from a basin-wide adjustment of the equatorial thermocline. We also implement an original diagnostic in a model of equatorial coupled instabilities, which evidences a new mechanism of ENSO formation where reflections at the ocean boundaries are secondary. The background ocean stratification contributes to the decadal modulation of ENSO characteristics. This relation is adressed in a new reduced model that takes into account the gravest baroclinic modes of a continusouly stratified ocean. The space of model solutions is explored, indicating a control on ENSO stability by characteristics of the equatorial thermocline. The sensitivity to stratification over the recent decades is put in perspective with the sensitivity to thermodynamic and atmospheric feedbacks. We stress in particular certain limitations of usual methods of estimation of the thermocline feedback in the central Pacific. Finally, we implement an Ensemble Kalman Filter method in an already existing intermediate model of the equatorial Pacific, in order to assimilate sea level observations and to initialize retrospective forecasts. We show that the major model constraint is on the basin modes that are associated to the recharge/discharge process of the equatorial Pacific. Our work provides a formalism to diagnose the modulation of ENSO characteristics in observations, climate projections and forecasts. Results support the need to extent the understanding of ENSO mechanisms, in order to account for the diversity of observed regimes and to improve forecasts.