La circulation de l'océan Atlantique Sud et sa variabilité à différentes échelles

The South Atlantic Ocean circulation and its variability at different scales

• Auteur / Autrice : Gastón Manta
• Direction : Sabrina Speich, Marcelo Barreiro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Météorologie, océanographie, sciences de l’environnement
• Date : Soutenance le 03/06/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau, Essonne ; 1968-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Dynamique et physique de l’atmosphère et de l’océan (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Bopp
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sabrina Speich, Marcelo Barreiro, Laurent Bopp, Alonso Hernández-Guerra, Sophie Cravatte, Gilles Reverdin, Martin Saraceno, Herlé Mercier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alonso Hernández-Guerra, Sophie Cravatte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sciences de l'environnement

Océanographie

Météorologie

Mots clés libres

Transport de chaleur

Tourbillons à mésoéchelle

Exportation de l’eau du plateau

Variabilité couplée

Heat transport

Mesoscale eddies

Shelf water export

Coupled variability

Résumé

L'océan, comme l'atmosphère, est un élément clé du système climatique qui redistribue la chaleur des basses vers les hautes latitudes. Il a également absorbé la majorité de la chaleur anthropique grâce à sa grande capacité thermique. La circulation méridienne de retournement de l'Atlantique (AMOC) est le principal mécanisme par lequel l'océan redistribue la chaleur et d'autres propriétés dans ce bassin. Historiquement, l'AMOC a fait l'objet d'une attention particulière dans son bassin nord en raison de sa grande contribution à la circulation mondiale et de son influence sur le climat en Europe et en Amérique du Nord. Au cours de la dernière décennie, les efforts d'observation de l'océan global et en particulier de l'Atlantique Sud ont augmenté, car ce bassin a la caractéristique unique d'exporter de la chaleur vers l'hémisphère Nord à travers l'équateur et connecte l'AMOC avec les autres bassins océaniques. Ce doctorat vise à améliorer la compréhension de la circulation dans l'océan Atlantique Sud du point de vue de l'océanographie physique, en utilisant le nombre croissant d'observations fournies par les flotteurs Argo, des mesures hydrographiques et des observations satellitaires. Le travail s'est concentré sur trois aspects différents de la circulation de l'Atlantique Sud. Dans la première partie, il s'agissait d'évaluer les transports méridiens de volume, d'eau douce et de chaleur (MHT) à 34.5°S dans l'Atlantique Sud lors du premier transect hydrographique GO-SHIP à cette latitude, en janvier 2017. Une cellule de retournement supérieure et une cellule de retournement abyssale sont identifiées avec une force de 15.64 ± 1.39 Sv et 2.4 ± 1.6 Sv, respectivement. La MHT nette vers le nord-est de 0.27 ± 0.10 PW, augmentant de 0.12 PW lorsque nous retirons les tourbillons de méso-échelle observés avec une climatologie dérivée de l'ensemble de données des flotteurs Argo. Nous attribuons cette différence à une prédominance anormale des tourbillons de cœur froid pendant la période de la campagne. Au cours de la deuxième partie du doctorat, l'analyse s'est concentrée sur la confluence Brésil-Malouines, qui est la région où des courants de bord ouest opposés et intenses, contributeurs majeurs du AMOC, se rencontrent et génèrent l'une des régions les plus énergétiques de l'océan mondial. Sur la base d'observations embarquées combinées à des données satellitaires et à un algorithme de suivi des tourbillons, nous analysons les échanges trans-plateau au cours du mois de mai 2016. Deux types d'exportation d'eau du plateau ont été observés, déclenchés par la dynamique de mésoéchelle: l'exportation des eaux peu profondes du panache du Rio de la Plata, entraînées hors du plateau par la rétroflexion du courant du Brésil, et le transport vers le large d’une couche d'eaux du plateau subantarctique situé sous la surface, qui s'est subductée à la confluence. Nous montrons que les courants géostrophiques dérivés de l'altimétrie par satellite au-dessus du talus peuvent être utiles pour suivre cette exportation hors plateau en subsurface. De plus, les profils de température et de salinité Argo montrent des preuves de ces deux types d'exportation d'eau du plateau, suggérant qu'il s'agit d'un phénomène relativement fréquent. La dernière partie de l'étude a consisté à étudier la variabilité naturelle couplée de l'océan et de l'atmosphère en appliquant l'analyse multivariée du spectre singulier (MSSA) au jeu de données ERA5. Nous avons identifié des oscillations interannuelles importantes de périodes de 12 et 5 ans, caractérisées par un modèle de propagation sud-ouest-nord-est dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. La nouveauté de ces résultats repose sur le fait que la méthode MSSA permet de caractériser l'évolution spatio-temporelle du mode de variabilité. Les résultats de ces travaux ont été résumés dans trois articles préparés pour des revues scientifiques internationales de rang A, dont deux d'entre eux ont déjà été publiés.

The ocean, like the atmosphere, is a key component of the climate system redistributing heat from lower to higher latitudes. Also, it has absorbed the majority of the anthropogenic heat through its large heat capacity. The Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) is the main mechanism in how the ocean redistributes heat and other properties across this basin. The AMOC has historically received special attention in its northern basin due to its large contribution to the global circulation and influence over the climate in Europe and North America. Over the last decade, the efforts to observe the global ocean and in particular the South Atlantic have increased, as this basin has the unique characteristic to export heat to the northern hemisphere across the equator and it connects the AMOC with the other ocean basins. This Ph.D. thesis aims to understand new insights from the South Atlantic Ocean circulation from a physical oceanography perspective, using the exponentially growing number of observations provided by the deployment of Argo floats, ship-based hydrography, and satellite observations. The study uses different new analyses applied to the ocean and to a recently released atmospheric reanalysis. The Ph.D. work has focussed on three different aspects of the South Atlantic Circulation. In the first part, it has aimed to assess the meridional volume, freshwater, and heat (MHT) transports at 34.5°S in the South Atlantic in the first GO-SHIP hydrographic transect at this latitude that took place in January 2017. An upper and an abyssal overturning cell are identified with a strength of 15.64 ± 1.39 Sv and 2.4 ± 1.6 Sv, respectively. The net northward MHT is 0.27 ± 0.10 PW, increasing by 0.12 PW when we remove the observed mesoscale eddies with a climatology derived from the Argo floats data set. We attribute this change to an anomalous predominance of cold-core eddies during the cruise period. The zonal changes in water masses properties and velocity denote the imprint of exchange pathways with both the Southern and the Indian oceans. During the second part of the Ph.D., the analysis focused on the Brazil-Malvinas Confluence, which is the region where opposing and intense western boundary currents, major contributors of the AMOC, meet along the Southwestern Atlantic slope. Based on shipborne observations combined with satellite data and an eddy tracking algorithm, we analyze the cross-shelf exchanges during May 2016. Two types of shelf water export were observed triggered by mesoscale dynamics: one was the export of shallow Rio de la Plata Plume waters driven off-shelf by the retroflection of the Brazil Current. An additional type of off-shelf transport consisted of a subsurface layer of Subantarctic Shelf Waters that subducted at the Confluence. We show that geostrophic currents derived from satellite altimetry over the slope can be useful to track this subsurface off-shelf export as they are significantly correlated with absolute velocity measurements at this depth. Moreover, Argo temperature and salinity profiles show evidence of these two types of shelf water export, suggesting this is a relatively frequent phenomenon. The last part of the study consisted of studying the natural coupled variability of ocean and atmosphere by applying the Multivariate Singular Spectrum Analysis (MSSA) to the ERA5 dataset. We identified prominent interannual oscillations of 12 and 5 year periods, characterized by a basinwide southwest-northeast anticlockwise propagation pattern. The novelty of these results relies on that MSSA allows characterizing the spatio-temporal evolution of the variability mode. The results of the Ph.D. work have been summarized in three papers prepared for international A-rated scientific journals. Two of them have already been published.