Étude des mécanismes qui pilotent les variations du flux de chaleur latente à petite échelle dans le Nord-Ouest de l'Atlantique Tropical

Study of the mechanisms driving fine-scale latent heat flux variations in the Northwest Tropical Atlantic ocean

• Auteur / Autrice : Pablo Fernández
• Direction : Sabrina Speich
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
• Date : Soutenance le 29/11/2024
• 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 de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Reverdin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrea Doglioli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Meghan Cronin, Karen Heywood

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atlantique (océan ; centre-est)

Mer -- Température

Circulation océanique

Chaleur latente d'évaporation

Interaction mer-atmosphère

Mots clés libres

Atlantique Tropicale Nord-Ouest

Pétites échelles dans l'océan

Panache de l'Amazone

Downscaling du flux de chaleur latente

Sensibilité du flux de chaleur latente à la SST

Sensibilité du flux de chaleur latente aux courants de surface

Northwest Tropical Atlantic

Ocean fine-Scale

Amazon plume

Latent heat flux downscaling

Latent heat flux sensitivity to SST

Latent heat flux sensitivity to surface currents

Résumé

L'océan et l'atmosphère sont deux composantes essentielles du système climatique, influençant le stockage, la redistribution et l'échange de chaleur. Les échanges de chaleur entre l'air et la mer se classifient en flux radiatifs et turbulents. Les flux radiatifs proviennent des ondes électromagnétiques, tandis que les flux turbulents résultent du transfert de chaleur dû à des déséquilibres de température ou d'humidité, entraînant un flux de chaleur sensible et un flux de chaleur latente (LHF). Le LHF a un impact significatif sur la formation des nuages, les précipitations et les circulations globales, affectant la dynamique atmosphérique, comme le courant-jet des latitudes moyennes et les cyclones tropicaux. Cette thèse explore comment les fines échelles océaniques, telles que les tourbillons à méso-échelle et les fronts à sous-méso-échelle, influencent le LHF dans l'Atlantique tropical nord-ouest (NWTA) durant l'hiver boréal. Cette région, affectée par le courant chaud du Brésil Nord et le débit de l'Amazone, constitue un cadre naturel pour étudier les interactions air-mer. L'hiver boréal est choisi pour sa stabilité des alizés et la réduction des phénomènes synoptiques, permettant une observation claire des interactions à fine échelle. L'étude utilise trois approches : satellites/réanalyses, observations in situ et simulations couplées à haute résolution. La première partie développe un algorithme linéaire de réduction d'échelle du LHF basé sur la température de surface de la mer (SST) pour intégrer des caractéristiques à fine échelle dans un ensemble de données satellite. Elle révèle que le LHF varie significativement lorsque ces structures SST à échelle fine sont prises en compte, avec une augmentation de 33 % par °C, surtout près de la côte sud-américaine. Les contributions à cette sensibilité sont thermodynamiques (5 % par °C) et dynamiques (28 % par °C), les contributions dynamiques représentant la majorité des changements. La deuxième partie utilise des observations in situ des campagnes EUREC4A-OA/ATOMIC, analysant trois cas où les dispositifs ont traversé le panache de l'Amazone. Les résultats montrent que les vents de surface sont fortement influencés par les structures SST, contribuant de manière substantielle aux variations du LHF, tandis que les courants de surface et le dégagement de chaleur dû aux changements de stratification liés au panache jouent un rôle secondaire. Enfin, la troisième partie emploie une simulation couplée à haute résolution de la NWTA. Bien qu'elle ne parvienne pas à reproduire l'état moyen de l'océan, elle capture la sensibilité du LHF à la SST et aux courants de surface, ainsi que les contributions relatives des facteurs thermodynamiques et dynamiques. Le modèle souligne que la faible relation entre la SST à fine échelle et l'humidité spécifique est un facteur crucial de la variabilité du LHF, établissant également une limite inférieure pour la sensibilité du LHF à la SST à l'échelle sub-méso, non abordée dans les deux premières parties.

The ocean and the atmosphere are two important components of the climate system, influencing heat storage, redistribution, and exchange. Key to this processes are air-sea heat exchanges, categorized into radiative and turbulent heat fluxes. Radiative heat fluxes derive from electromagnetic waves, while turbulent heat fluxes arise from heat transfer between media due to imbalances in properties like temperature or humidity, leading to sensible heat flux and latent heat flux (LHF), respectively. LHF significantly impacts cloud formation, precipitation, and global circulations, with variations affecting atmospheric dynamics, such as the mid-latitude jet stream and tropical cyclones. The goal of this thesis is to explore the mechanisms by which oceanic fine-scales—such as mesoscale eddies and submesoscale fronts—affect LHF in the Northwest Tropical Atlantic (NWTA) during boreal winter. This region, influenced by the warm North Brazil Current and Amazon river discharge, provides a natural setting for examining air-sea interactions. Boreal winter is chosen due to stable trade winds and reduced synoptic-scale phenomena, allowing for clearer observation of fine-scale interactions. The investigation is conducted through three approaches requiring different types of data: satellites/reanalysis, in-situ observations, and high-resolution coupled simulations. The first part develops a linear LHF downscaling algorithm based on sea surface temperature (SST) to integrate fine-scale features into a coarse satellite/reanalysis dataset. It reveals that LHF varies significantly when these fine-scale SST structures are accounted for—a 33% increase per °C—especially near the South American coast. Both thermodynamic—related to SST variations, 5% per °C—and dynamic—linked to fine-scale SST-induced surface winds and humidity variations 28% per °C—contributions to this sensitivity are identified, with dynamic contributions accounting for the majority of LHF changes. The second part utilizes in-situ observations from the EUREC4A-OA/ATOMIC field campaigns, analyzing three cases where the sampling devices crossed the Amazon plume. The results indicate that surface winds are heavily influenced by SST structures, contributing substantially to LHF variations, while surface currents and heat release from plume-related stratification changes play second-order roles. Finally, the third part employs a high-resolution coupled simulation of the NWTA. While it struggles to accurately reproduce the ocean's mean state, it successfully captures the sensitivity of LHF to SST and surface currents and the relative contributions of thermodynamic and dynamic factors. The model highlights that the weak relationship between fine-scale SST and specific humidity is a crucial driver of LHF variability. It also allows to establish a lower bound for the submesoscale LHF sensitivity to SST, which was not targeted in the first two parts.