Impact du changement climatique sur la circulation océanique dans les systèmes d'upwelling de bord Est de l'hémisphère Sud

Impact of climate change on the oceanic circulation in the Eastern Boundary Upwelling Systems of the South Hemisphere

• Auteur / Autrice : Carlos Conejero García
• Direction : Boris Dewitte, Véronique Garçon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère et Surfaces Continentales
• Date : Soutenance le 26/05/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales (Toulouse ; 1995-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Upwelling

Hémisphère sud

Effets du climat

Circulation océanique

Mots clés libres

Modèles couplés de circulation générale

Téléconnection équatoriale

Variabilité naturelle

Coupled General Circulation Models

Equatorial Teleconnection

Natural Climate Variability

Résumé

Parmi les océans du monde, les Systèmes d'Upwelling de Bord Est (EBUS, de l'anglais ''Eastern Boundary Upwelling Systems'') présentent un intérêt particulier car ils relient les bassins océaniques tropicaux aux latitudes moyennes et sont donc soumis à de fortes fluctuations associées à la fois à la variabilité naturelle du climat et au forçage anthropique. Comprendre comment le réchauffement climatique modifie la circulation océanique et les écosystèmes marins dans les EBUS reste un défi scientifique en raison de la complexité des processus en jeu. La génération actuelle de modèles couplés de circulation générale souffre encore des limitations associées à la non prise en compte de manière réaliste de certains aspects de la dynamique des upwellings côtiers et de la circulation à méso-échelle. Dans cette thèse, nous avons étudié les processus de formation du pattern de changement climatique et de la variabilité naturelle dans le Pacifique Sud-Est (SEP, de l'anglais ''South East Pacific'') sur la base de simulations numériques de dernière génération mises à disposition de la communauté pour étudier le changement climatique en présence de la variabilité climatique interne. Ces ressources incluent le CESM Large Ensemble (CESM-LENS) modèle réalisé par le NCAR aux Etats Unis et des simulations à long terme du climat mondial résolvant la méso-échelle réalisées au Centre IBS Center for Climate Physics (ICCP) en Corée du sud. En supposant un quasi-équilibre entre le forçage radiatif externe et les processus de couche de mélange de la circulation de l'océan de surface, il est possible d'identifier les processus océaniques et atmosphériques responsables de la tendance de la température de surface de la mer (SST, de l'anglais ''Sea Surface température'') sur la période 2006-2100. Nous montrons tout d'abord que la localisation latitudinale du réchauffement minimum de la SST dans le SEP s'écarte significativement de celle prédite par la théorie pour laquelle le refroidissement évaporatif maximum est contrôlé par le pattern de chaleur latente climatologique (précipitations moyennes). Le bilan de chaleur des simulations CESM-LENS révèle que l'advection océanique est responsable du pattern de réchauffement de type El Niño dans la région équatoriale et le long des côtes du Pérou et du Chili. Le centre de la zone de réchauffement minimum est principalement déterminé par le refroidissement relatif du flux de chaleur latente et le rayonnement solaire, partiellement compensé par l'advection méridienne de l'océan. Les détails de la tendance au réchauffement le long des côtes du Pérou et du Chili résultent également d'un équilibre entre l'advection induite à la fois par le changement des courants d'Ekman et la compensation géostrophique. Les résultats révèlent également que le pattern de changement climatique de la SST a une projection significative sur les modes de variabilité naturelle dans le SEP, ce qui suggère qu'il peut être compensé par la variabilité naturelle. Dans une suite de simulations de modèles à haute résolution, nous étudions la téléconnection océanique d'ENSO (de l'anglais ''El Niño Southern Oscillation'') le long des côtes du Pérou et du Chili sur le flux turbulent, considéré ici comme une source de variabilité naturelle dans le SEP. Nous avons montré en particulier que l'ENSO peut alimenter l'énergie de la circulation à des échelles de temps décennales le long des côtes du Pérou et du Chili en modulant les instabilités du système de courants côtiers. Globalement, la thèse illustre la complexité des processus associés à la téléconnection équatoriale dans le SEP à différentes échelles de temps, qui ne sont pas encore accessibles à partir du système d'observations actuel trop court.

Among the world oceans, the Eastern Boundary Upwelling Systems (EBUS) are of particular interest because they connect the tropical ocean basins with the mid-latitudes and so are subject to large fluctuations associated with both the natural climate variability and the anthropogenic forcing. Understanding how global warming will modify the oceanic circulation and the marine ecosystems in the EBUS remains a scientific challenge due to the complex of processes at play. Current generation of Coupled General Circulation Models (CGCMs) still suffers limitations associated to not resolving realistically some aspects of the coastal upwelling dynamics and mesoscale circulation. Still they remain powerful tools to better understand the formation of climate change patterns in a key region of the world for the Earth's radiation budget. In this thesis, we have investigated processes of formation of the climate change pattern and of natural variability in the EBUS of the South Hemisphere, with particular emphasis in the South Eastern Pacific (SEP). We take advantage on latest generation resources to the community for studying climate change in the presence of internal climate variability, including the CESM Large Ensemble performed by NCAR and meso-scale-resolving global climate long-term simulations performed at the IBS Center for Climate Physics. Assuming quasi-equilibrium between the radiative external forcing and mixed layer and upper-ocean processes, oceanic and atmospheric processes responsible for the SST trend over the period 2006-2100 are derived. It is first shown that the latitudinal location of the minimum warming in the SEP deviates significantly from that predicted by theory for which maximum evaporative cooling is controlled by the pattern of mean climatological latent heat/precipitation. The explicit heat budget of the CESM-LE simulations reveals that advection forms the El Niño-like warming pattern in the equatorial region and along the coast of Peru and Chile, while the minimum warming center is mostly determined by the relative cooling of both latent heat and solar radiation, partly compensated by meridional advection. Details in the warming trend along the coast of Peru and Chile are also shown to result from a balance between advection induced by both change in Ekman currents and geostrophic compensation. The results also reveal that the SST climate change pattern has a significant projection on the patterns of natural variability in the SEP (i.e. El Niño and the South Pacific Meridional Mode), suggesting that it can be off-set by natural variability. In a suite of high-resolution model simulations we investigate the ENSO oceanic teleconnection along the coast of Peru and Chile on the turbulent flow, considered here as a source of natural variability in the SEP. It is shown in particular that ENSO can fuel energy in the circulation at decadal timescales along the coast of Peru and Chile through modulating instabilities in the coastal current system. Overall, the thesis illustrates the complex of processes associated to the equatorial teleconnection in the SEP at different timescales, which are not yet accessible from the current too-short observing system.