Variabilité interannuelle de l'eau modale à dix-huit degrés de l'Atlantique nord : contributions apportées par une simulation océanique ensembliste réaliste

Interannual variability of the North Atlantic Eighteen Degree Water : contributions from a realistic ensemble ocean simulation

• Auteur / Autrice : Olivier Narinc
• Direction : Thierry Penduff, Guillaume Maze
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement
• Date : Soutenance le 24/06/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble, Isère, France ; 2017-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Blayo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marine Hermann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Cravatte, Bablu Sinha
• DOI : 10.70675/3344aaf6zed0cz498fzad37z4b773b70c98e

Mots clés

Mots clés contrôlés

Océanographie

Atlantique (océan ; nord)

Mer -- Température

Interaction mer-atmosphère

Analyse multivariée

Mots clés libres

Modélisation ensembliste

Océanographie Physique

Analyse statistique

Statistical analysis

Physical oceanography

Ensemble modelling

Résumé

L'Eau à Dix-Huit Degrés (ou EDW, Eighteen Degree Water) est une eau modale située dans le gyre subtropical à l'ouest de l'Atlantique nord, au sud du Gulf Stream. Elle est couramment décrite comme étant formée par les échanges océan-atmosphère dans la couche de mélange hivernale, puis subductée et partiellement érodée le reste de l'année. L'EDW joue un rôle important dans les échanges océan-atmosphère dans le bassin nord-atlantique, et interagit avec la circulation de retournement méridienne de l'Atlantique (AMOC). De précédentes études ont montré que dans les simulations océaniques permettant la turbulence (résolution de 1/4° ou plus fine), une part significative de la variabilité interannuelle du gyre subtropical et de l'AMOC est intrinsèque à l'océan, c’est-à-dire indépendante de la variabilité atmosphérique. Notre étude utilise une simulation régionale océan/glace de mer ensembliste de 50 membres, 20 ans, à 1/4° avec flux air-mer identiques pour tous les membres de l'ensemble. En appliquant des méthodes existantes, il est tiré profit de la dimension ensembliste de la simulation afin d'évaluer les importances relatives de la variabilité intrinsèque et de la variabilité forcée par l'atmosphère dans la variabilité interannuelle de l'EDW. Nous montrons que notre simulation est en bon accord avec une analyse tridimensionnelle sur grille à 1/4° des champs de température, salinité et vitesse océaniques. Nous montrons que la quasi-totalité de la variabilité de l'EDW est forcée par l'atmosphère aux échelles annuelles et subannuelles, mais que la variabilité intrinsèque devient notable aux échelles interannuelles. Nous montrons aussi que les résultats obtenus dans la simulations ensembliste sont compatibles avec la variabilité observée, ce qui suggère que les observations de l'EDW sont entachées d'une variabilité intrinsèque importante et difficile à quantifier. En séparant le volume de l'EDW en un volume ventilé (sous la surface de contact entre l'EDW et l'atmosphère) et un volume subducté (le reste de l'EDW), nous décrivons le cycle annuel de variation de volume de l'EDW. Nous trouvons qu'en moyenne sur 20 ans et 50 membres, la formation et la destruction d'EDW sont proches de l'équilibre, que la variabilité forcée domine ces deux processus et que la variabilité intrinsèque est plus importante dans la destruction de l'EDW. D'autre part, la variabilité intrinsèque du volume d'EDW est marquée par un mode d'une durée typique de 12 ans, modulé chaque année par la formation de nouvelle EDW par ventilation. Dans l'ensemble, les résultats présentés dans cette thèse montrent que la description courante de la variabilité de l'EDW comme étant forcée par l'atmosphère est incomplète, et que la variabilité interannuelle de l'EDW comporte une part importante de variabilité intrinsèque, en particulier dans la destruction de cette eau modale.

The Eighteen Degree Water (EDW) is a mode water located in the western NorthAtlantic subtropical gyre, south of the Gulf Stream. It is typically described asformed in the winter mixed layer through air-sea exchanges, before being sub-ducted and partly eroded over the rest of the year. The EDW plays a signif-icant role in the air-sea exchanges of the North Atlantic basin, and interactswith the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC). Previous stud-ies have shown that in eddy-permitting simulations (resolution of 1/4° or finer),a significant part of the interannual variability of the subtropical gyre and ofthe AMOC is intrinsic to the ocean, meaning that it is independent from atmo-spheric variability and is driven by oceanic processes. The present study usesa realistically forced 20 year, 1/4°, 50-member regional ocean/sea-ice ensemblesimulation with identical air-sea fluxes for all ensemble members. By employingestablished methods that take advantage of the ensemble dimension we are ableto characterise the relative roles of intrinsic and atmospherically forced variabil-ity in the interannual variability of the EDW. Our simulation is shown to be ingood agreement with an observation-based 1/4°, 3-dimensional gridded analy-sis. Investigating average properties of the EDW, we show that while nearly allEDW variability is atmospherically forced at annual and subannual timescales,the intrinsic variability becomes significant at interannual timescales. Resultsobtained in the ensemble simulation are shown to be compatible with observedvariability, suggesting that EDW observations are affected by a significant anddifficult to quantify intrinsic variability. By separating the EDW volume intoa ventilated volume (below the area where EDW is in contact with the atmop-shere) and a subducted volume (the rest of the total volume), we were also ableto describe the yearly cycle of EDW volume change. We found that on averageover the 20 years of the simulation and over the 50 ensemble members, EDW for-mation is in near equilibrium with EDW destruction, and that forced variabilityis dominant in both processes although intrinsic variability plays a greater rolein EDW destruction. In addition, a 12-year timescale is apparent in the intrin-sic variability of EDW volume. The subducted volume carries this 12-year modeof intrinsic variability, modulated by the yearly addition of new EDW volumethrough ventilation. Overall, the results presented in this thesis show that thetypical description of EDW variability as atmospherically-driven is incomplete,and that intrinsic variability is also significant at interannual timescales, moreimportantly in the destruction of EDW.