Variabilité et changements de l'hydrographie et de la circulation de l'océan Austral subpolaire

Variability and Changes of Hydrography and Circulation in the Subpolar Southern Ocean

• Auteur / Autrice : Matthis Auger
• Direction : Jean-Baptiste Sallée
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océanographie
• Date : Soutenance le 31/01/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Damien Cardinal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rosemary Anne Morrow, Michael Meredith, Pierre Prandi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sarah Gille, Andrew Thompson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites scientifiques

Interaction mer-atmosphère

Mer -- Température

Hydrographie

Austral, Océan

Circulation océanique

Mots clés libres

Océan austral

Circulation subpolaire

Tendances de température

Changements à long terme

Altimétrie satellitaire

Variabilité saisonnière

Variabilité méso-échelle

Interactions océan-atmosphère-cryosphère

Southern Ocean

Satellite altimetry

Ocean-atmosphere-cryosphere interactions

Résumé

L’océan Austral est une région centrale pour la circulation océanique globale et le climat. Il est cependant également en première ligne du changement climatique, notamment par son absorption importante de chaleur et de carbone anthropique. Par conséquent, l’océan Austral a connu de grands changements dans sa structure hydrographique et sa circulation dans les dernières décennies. Sa région subpolaire, au sud du courant circumpolaire Antarctique, abrite une circulation grande échelle importante pour la production des masses d'eau et leur contenu de chaleur et de carbone, pour les interactions océaniques avec la banquise et les plateformes glaciaires, avec des conséquences sur l'élévation du niveau de la mer. C’est également une région très peu observée, en particulier en hiver lorsque celle-ci est couverte par la banquise. Par conséquent, la réponse locale de la circulation et de la structure hydrographique de l’océan Austral subpolaire à des interactions avec l’atmosphère, la cryosphère et la grande échelle est toujours sujette à de nombreuses recherches. Dans cette thèse, je contribue à observer la variabilité et les changements à long terme de l’hydrographie et de la circulation de l’océan Austral subpolaire, et à documenter les mécanismes qui contrôlent leur variabilité. J’observe d’abord les changements à long terme de la température de la couche supérieure de l’océan Austral, à partir de transects répétés par bateau pendant 25 années. En plus des changements déjà bien documentés, je montre le réchauffement et la remontée des eaux chaudes de subsurface, à une vitesse plus importante qu’estimée auparavant et de façon plus forte que la variabilité interannuelle. Je présente ensuite un jeu de données de hauteur de mer, qui consiste en six années de mesures sur l’ensemble de l’océan Austral au sud de 50°S. Ce jeu de données me permet d’explorer la variabilité de la circulation de l’océan Austral subpolaire, et notamment sur le cycle saisonnier de la circulation grande échelle et de l’activité méso-échelle sous la glace. À l’échelle saisonnière, la circulation des gyres de Weddell, de Ross et le courant de pente Antarctique sont principalement dictés par trois modes de variabilités, reliés à la tension de vent en surface et sa modulation par la glace de mer. La circulation de méso-échelle est faible sous la banquise hors du courant de pente Antarctique, alors que la zone marginale de glace semble favoriser la génération de tourbillons cycloniques. Les implications de ces résultats pour les mécanismes physiques de l’océan Austral et ses changements à long terme sont discutées.

The Southern Ocean is central to the global oceanic circulation and climate. This region is however on the frontline of human-induced climate change, through intense uptake of anthropogenic heat and carbon. Consequently, the Southern Ocean has experienced important changes in its hydrography and circulation over the last decades. Its subpolar part, south of the Antarctic Circumpolar Current, hosts large circulation systems of importance for the production of water masses and their associate heat and carbon content, for ocean interactions with sea-ice and ice-shelves, and consequently for global mean sea level. Observations are still sparse in that region, particularly in wintertime when it is covered by sea ice. Thus, the regional response of the subpolar Southern Ocean hydrography and circulation to interactions with the atmosphere, cryosphere, and background circulation at various spatial and time scales is still under active research.In this thesis, I contribute to observing the variability and long-term changes of the hydrography and circulation of the subpolar Southern Ocean, and to unveil the mechanisms driving their variability. I first observe the long-term temperature changes in the upper layer of the Southern Ocean, from repeated ship-based measurement transects over 25 years. Besides previously documented trends, I refine the monitoring on the still poorly observed warming and shallowing of the warm subsurface water of the Southern Ocean. The long term warming is stronger than interannual variability, and the shallowing rate is 3 to 9 times the previously estimated one. In a second part, I develop and exploit an ocean topography dataset, spanning six years of measurements over the whole Southern Ocean south of 50°S. This dataset allows me to explore the variability of the subpolar Southern Ocean circulation, particularly the seasonal cycle of the large-scale circulation and the mesoscale variability under sea ice. At the seasonal scale, the circulation of the Weddell and Ross gyres, and the Antarctic Slope Current are mainly dictated by three modes of variability, principally linked to the surface stress of the wind on the surface of the ocean and its modulation by the sea ice. The mesoscale variability is weak outside the energetic Antarctic slope current in the pack ice, while the marginal ice zone seems to be a region with enhanced cyclonic eddies generation. The implications of these results on the physical processes of the Southern Ocean and its long-term changes are discussed.