Influence de la salinité sur la dynamique couplée océan-atmosphère de l'océan Atlantique tropical

Influence of salinity on the coupled ocean-atmosphere dynamics of the tropical Atlantic Ocean

• Auteur / Autrice : Manon Gevaudan
• Direction : Julien Jouanno, Fabien Durand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Hervé Giordani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Jouanno, Fabien Durand, Gaëlle de Coëtlogon, Sabrina Speich, Sébastien Masson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Reverdin, Gregory Foltz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Salinité

Atlantique (océan)

Interaction mer-atmosphère

Mots clés libres

Stratification en sel

Interactions air-mer

Amazone

ZCIT

Barrière de sel

Convection atmosphérique

NEMO-OASIS-WRF

Salinity stratification

Air-sea interactions

Amazon

ITCZ

Barrier layers

Atmospheric convection

NEMO-OASIS-WRF

Résumé

L'océan Atlantique tropical présente une salinité de surface très contrastée, avec notamment une faible salinité de surface dans l'ouest et le centre du bassin. Cette faible salinité est due à d'importants apports d'eau douce provenant de fortes précipitations dans la zone de convergence intertropicale et de grands fleuves tels que l'Amazone, l'Orénoque et le Congo. Il en résulte une forte stratification en sel qui peut influencer le mélange vertical, et donc la température de surface de la mer et les flux air-mer. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de la salinité - et en particulier de la forte stratification en sel - sur le climat de l'océan Atlantique tropical. Pour ce faire, un modèle couplé océan-atmosphère au 1/4° de la région est développé, utilisant NEMO comme composante océanique, WRF comme composante atmosphérique et OASIS comme coupleur. L'utilisation d'un modèle couplé océan-atmosphère permet de prendre en compte toutes les interactions air-mer et les processus de rétroaction, dont l'impact sur le climat régional a déjà été mis en évidence et qui sont au cœur de cette étude. Une série de tests de sensibilité a ensuite été menée avec ce modèle, afin d'évaluer l'impact de processus de plus en plus fins. Tout d'abord, l'impact de la stratification en sel totale sur la température de surface de la mer et sur les flux air-mer est évalué en la retirant du modèle. Ensuite, les fleuves Amazone et Orénoque, contributeurs majeurs à la stratification en sel dans l'Atlantique tropical, sont retirés du modèle. La variabilité interannuelle du débit des fleuves est ensuite étudiée pour quantifier l'impact des crues extrêmes de l'Amazone. Enfin, l'expérience sans stratification en sel est menée dans un climat futur, où plusieurs des variables clés identifiées dans le climat actuel sont très distinctes de leur état actuel, permettant une compréhension plus profonde des processus en jeu. De ces tests de sensibilité se dégage un mécanisme dans l'Atlantique tropical nord-ouest en été, similaire quelle que soit la force de la stratification en sel. La présence de la stratification en sel diminue le refroidissement par mélange vertical, ce qui entraîne une augmentation de la température de surface de la mer. Ce réchauffement est ensuite modéré par une rétroaction négative de l'atmosphère : la réponse océanique est atténuée par le biais d'une diminution du flux thermique, qui est principalement due à une augmentation de la perte de chaleur latente, mais aussi à une réduction du rayonnement solaire atteignant la surface de l'océan, en lien avec une augmentation de la convection profonde et de la couverture nuageuse et des précipitations associées. Le changement de température final est déterminé par l'équilibre entre le réchauffement dû au mélange vertical et le refroidissement dû à la rétroaction atmosphérique, les deux dépendant du type de test de sensibilité. Cependant, le changement de température de surface de la mer résultant est toujours relativement faible (0,5°C au maximum). En hiver, les impacts de la stratification en sel sont beaucoup plus faibles, probablement en raison d'une couche mélangée plus profonde en cette saison. Des changements de température de surface de la mer sont finalement observés dans la région de la langue d'eau froide, liés à des modifications de la profondeur de la thermocline. Des variations de température en subsurface sont présentes tout au long de l'année, mais la saisonnalité de l'apparition de l'upwelling détermine le moment où les changements de température apparaissent à la surface. Dans cette thèse, l'impact de la stratification en sel sur le climat moyen de l'Atlantique tropical est étudié, mais le modèle développé ici pourrait être adapté pour étudier l'impact de la stratification en sel sur les cyclones. En effet, le panache de l'Amazone est traversé par de nombreux cyclones tropicaux, et l'impact de la stratification en sel qui lui est associée reste controversé.

The tropical Atlantic Ocean has a highly contrasted surface salinity, with low surface salinity in the western and central parts of the basin. This low salinity is due to an important freshwater supply from large rivers such as the Amazon, Orinoco and Congo, and from heavy precipitation in the intertropical convergence zone. This results in a strong salinity stratification that may influence the vertical mixing, and thus the sea surface temperature (SST) and air-sea fluxes. The aim of this thesis is to investigate the influence of salinity - and especially the strong salinity stratification - on the tropical Atlantic Ocean climate. To do so, a 1/4° coupled ocean–atmosphere model of the region is developed, using NEMO as the ocean component, WRF as the atmospheric component and OASIS as the coupler. The use of a coupled ocean-atmosphere model allows to take into account all the air-sea interactions and feedback processes, which have been shown to impact the regional climate and are at the heart of this study. A series of sensitivity experiments is then conducted with this model, in order to assess the impact of increasingly detailed processes. First, the impact of the total salinity stratification on SST and air-sea fluxes is assessed by removing it from the model. Then, the Amazon and Orinoco rivers, major contributors to salinity stratification in the tropical Atlantic, are removed from the model. Interannual variability of river discharge is then studied to quantify the impact of Amazon extreme floods. Finally, the experiment without salinity stratification is conducted in a future climate, where several of the key variables identified in the present climate are very distinct from their present state, allowing a deeper understanding of the processes at stake. From these sensitivity tests, a consistent mechanism emerges in the northwestern tropical Atlantic in summer. The presence of salinity stratification decreases the cooling by vertical mixing, which leads to an increase in SST. This warming is then damped by a negative feedback from the atmosphere: the oceanic response is mitigated by a decrease in net heat flux. This decrease in net heat flux is primarily due to an increase in latent heat loss, but also to a reduction in shortwave radiation reaching the ocean surface, related to an increase in deep convection and associated cloud cover and precipitation. The final change in SST is determined by the balance between the warming due to the vertical mixing and the cooling due to the atmospheric feedback, both depending on the sensitivity test. However, the resulting SST change is always relatively small (0.5°C maximum). In winter, the impacts of salinity stratification are much weaker, most probably because of a deeper mixed layer at this time. SST changes are finally observed in the cold tongue region, related to changes in the thermocline depth. Subsurface temperature changes are present throughout the year, but the seasonality of upwelling occurrence dictates the timing of SST changes. In this thesis, the impact of salinity stratification on the mean tropical Atlantic climate is studied, but the model developed here could be adapted to study the impact of salinity stratification on the cyclones. Indeed, the Amazon plume is crossed by numerous tropical cyclones, and the impact of its associated salinity stratification remains controversial.