Influence des petites échelles océaniques associées au Gulf Stream sur les interactions air-mer et impact sur la variabilité atmosphérique de l'Atlantique Nord

• Auteur / Autrice : Marie Piazza
• Direction : Laurent Terray, Julien Boe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère et surfaces continentales
• Date : Soutenance le 30/01/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gulf Stream

Atlantique (océan ; nord)

Changements climatiques

Interaction mer-atmosphère

Mots clés libres

Couplage océan-atmosphère

Variabilité climatique aux moyennes latitudes

Gulf Stream

Interaction air-mer de petite échelle

Route dépressionnaire de l'Atlantique Nord

Front océanique

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'analyser l'influence des petites échelles spatiales de la température de surface de la mer (SST) au niveau d'un front océanique sur la variabilité du climat aux moyennes latitudes. Nous nous intéressons à l'effet du front de SST associé au Gulf Stream sur la couche limite atmosphérique marine et la troposphère libre, et sur la variabilité atmosphérique de grande échelle sur le bassin Atlantique Nord et l'Europe. L'approche utilisée repose sur la réalisation d'expériences numériques avec un modèle d'atmosphère global à haute résolution (environ 50 km aux moyennes latitudes), d'abord en configuration forcée par des SST journalières observées puis en configuration couplée avec un modèle d'océan dynamique. La première partie de cette thèse s'intéresse aux effets du forçage océanique de petite échelle spatiale et aux échelles de temps saisonnières à inter-annuelle sur l'atmosphère localement, et sur la variabilité de grande échelle sur le bassin Atlantique Nord. Deux ensembles (quatre membres) d'expériences forcées sont réalisées, l'une avec des SST globales à haute résolution (0.25°) et la deuxième où les SST sont lissées à 4° dans la région du Gulf Stream, de façon à filtrer la variabilité spatiale de petite échelle dans la zone de front. Localement, le modèle capture la réponse au forçage de petite échelle de la SST sur les variations de vent de petite échelle en hiver, mais la sous-estime d'un facteur 1/3 par rapport aux observations. L'évaluation du modèle par rapport aux réanalyses montrent que la variabilité spatiale de grande échelle (courant jet, régimes de temps) est bien reproduite par le modèle aux moyennes latitudes sur l'Atlantique Nord et l'Europe. La comparaison entre les deux expériences montre que les variations spatiales de petite échelle de la SST dans la région du Gulf Stream influencent en profondeur la colonne atmosphérique jusqu'à la troposphère libre (convergence des vents par ajustement hydrostatique en pression dans la couche limite, augmentation des flux de chaleur turbulents à la surface par la déstabilisation de la couche limite, augmentation des précipitations convectives sur la face chaude et diminution sur la face froide du front). Localement, les tempêtes extra-tropicales montrent un renforcement de la route dépressionnaire sur la partie sud (chaude) du front, et une diminution sur la partie nord (froide). Sur le reste du bassin Euro-Atlantique Nord, la réponse des tempêtes extra-tropicales aux petites échelles de SST dépend de la circulation de grande échelle. En particulier, nous montrons qu'une augmentation des tempêtes fortes sur le bassin Méditerranéen est associée à un renforcement du jet subtropical dans cette région. Nos analyses suggèrent que le déplacement et l'intensification de ce jet provient du changement d'occurrence des déferlements d'ondes de Rossby sur l'Atlantique Nord. La deuxième partie de cette thèse s'intéresse à l'effet des rétroactions atmosphériques sur les petites échelles spatiales de SST, et la sensibilité de l'interaction air-mer de petite échelle au couplage océan-atmosphère. Pour cela, on réalise des expériences de sensibilité à la résolution du front de SST dans la région du Gulf Stream avec le modèle couplé à haute résolution. Dans le modèle, le front est décalé vers le nord du fait d'un décollement tardif de la côte. L'intensité de l'interaction air-mer de petite échelle n'est pas significativement modifiée par rapport à la configuration forcée. Cependant l'effet des rétroactions atmosphérique, notamment via les flux turbulents à la surface, sur l'état moyen du front océanique tend à lisser le gradient de SST. La route dépressionnaire est également impactée et montre une augmentation du nombre de tempêtes et de leur intensité moyenne par rapport aux expériences forcées. La réponse des tempêtes au front de SST montre une augmentation locale du nombre de trajectoires de tempêtes, et une diminution significative sur l'Europe.

This thesis aims at analyzing the influence of small-scale spatial variability of the sea surface temperature (SST) over an oceanic front on the climate variability at mid-latitudes. We focus on the effect of the Gulf Stream SST front on the marine atmospheric boundary layer and the free troposphere, and on the large-scale atmospheric variability over the Euro-North Atlantic basin. We follow an approach based on numerical experiments with a high resolution (approximately 50 km at mid-latitudes) global atmospheric model, first forced with daily observed SST then coupled with a dynamical oceanic model. The first part of this thesis deal with the effects of small-scale oceanic forcing on the atmosphere locally and on the large-scale variability over the North Atlantic, at seasonal to inter-annual timescales. Two ensembles (with 4 members) of forced simulations are performed, the first one with global SST at high resolution (0.25°) and the other one with smoothed SST at 4° in the Gulf Stream region, in order to filter the small-scale spatial variability on the frontal area. Locally, the model captures the response of the SST small-scale forcing on the small-scale spatial variability of wind-speed at surface during winter, but with an underestimation of about 1/3 compared to the observations. The evaluation of the model compared to reanalysis shows that the large-scale spatial variability (jet stream, weather regimes) is well reproduce at mid-latitudes over North Atlantic and Europe. Comparison between the two experiments shows that the influence of small-scale spatial variations of the SST in the Gulf Stream region deeply affect the atmospheric column and reach the free troposphere (wind convergence at surface due to pressure adjustment in the boundary layer, turbulent heat fluxes at surface increase due to boundary layer destabilization, convective precipitations increase on the southern (warmer) part of the front and decrease on the northern (cooler) part). Locally, extra-tropical storms show an increase of the storm track on the warmer part of the front and a weakening on the cooler part. Over the Euro-North Atlantic domain, the storm track response to small-scale SST gradients show a strong dependency to the large-scale flow. In particular, we show that the strengthening of intense storm-tracks over the Mediterranean Sea is associated with a reinforcement of the sub-tropical jet in this region. Our analysis suggest that the displacement and reinforcement of the jet come from changes of Rossby wave breaking occurrences over the North Atlantic. The second part of this thesis deal with the influence of atmospheric feedbacks onto the small-scale SST spatial variability, and with the sensitivity of the small-scale air-sea interaction to the ocean-atmosphere coupling. We perform sensitivity experiments to the SST resolution in the Gulf Stream region with a coupled model at high resolution. Compared to the observations, the model show a northward shift of the front. Small-scale air-sea interaction strength is not significantly changed compared to the forced configuration. However the atmospheric feedbacks effects on the mean state of the front act to smooth the gradient, especially via turbulent heat fluxes at surface. The storm track is also impacted and show an increase in storm tracks density and intensity compared to forced experiments. The influence of the small-scale spatial variability of SST in the Gulf Stream region on the extra-tropical storms show a local increase of tracks, with a decrease over Europe.