Réponse du système de courant de Humboldt aux réchauffements globaux passés: simulations régionales et paléo-observations du Miocène à l'Holocène

Response of the Humboldt current system to past global warming events: regional simulations and paleo-observations from the Miocene to the Holocene

• Auteur / Autrice : Hugo David
• Direction : Matthieu CarrÉ, François Colas
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
• Date : Inscription en doctorat le 15/10/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques

Mots clés

Mots clés libres

Changement climatique

Océan Pacifique

Upwelling

Enso

Modélisation

Paléoclimat

Paleoclimate

Upwelling

Pacific Ocean

Climate change

Modelling

Enso

Résumé

L'upwelling péruvien, dans le système de courant de Humboldt (SCH), génère la productivité la plus élevée au monde, les eaux tropicales les plus froides, et se trouve au cœur de la plus intense zone de minimum d'oxygène. El Niño et l'oscillation australe (ENSO), la principale source de variabilité climatique interannuelle à l'échelle globale, y produit les anomalies de température les plus élevées, en particulier au Pérou où les effets sont catastrophiques . Cependant, les modèles de système Terre représente le SCH avec des biais systématiques importants qui pourraient être responsables de l'inadéquation entre la trajectoire observée et celle simulée dans le Pacifique équatorial, avec des répercussions sur de nombreuses régions (Seager et al., 2019). En raison de ces conditions océanographiques extrêmes, qui tendent à se renforcer (Gutiérrez et al., 2011; Breitburg et al., 2018), et de son rôle majeur dans le système Terre, un effort combiné d'observations et de simulations est nécessaire dans cette région. Les réchauffements climatiques au cours de l'histoire de la Terre représentent des expériences en conditions réelles pour étudier la réponse du SCH à une vaste gamme de forçages radiatifs. Il faut remonter au Miocène tardif (~10-5Ma) pour retrouver un niveau de forçage radiatif lié aux gazs à effet de serre (GES) similaire à celui du 21e siècle (~450ppm) (Steinthorsdottir et al., 2021). Le SCH était alors plus chaud, alimentant grâce à la rétroaction de Bjerkness un climat moyen de type El Niño (Wara et al., 2005), et générant un climat côtier plus humide au Pérou et un écosystème aujourd'hui disparu (Ochoa et al., 2021). Le refroidissement actuel dans une partie du SCH est-il une réponse dynamique transitoire vers un état d'équilibre chaud similaire à celui du Miocène? L'augmentation (diminution) du contraste saisonnier d'insolation dans l'hémisphère Nord (Sud) généra une saisonnalité réduite et des conditions plus froids à l'Holocène moyen (Carré et al., 2014; Salvatecci et al., 2019), mais une saisonnalité accrue et des conditions plus chaude au dernier interglaciaire (Salvatecci e al., 2022; Carré et al., 2020) indiquant une réponse complexe au forçage orbital. Comprendre les mécanismes qui déterminent la réponse du SCH aux forçages externes requiert des simulations paléoclimatiques validées par des enregistrements paléoclimatiques (Braconnot et al., 2012). Cependant, les comparaisons modèles-données sont limitées dans le SCH car l'upwelling côtier n'est pas correctement représenté dans les modèles de CMIP6 utilisés par le GIEC en raison de leur basse résolution spatiale. L'objectif de ce doctorat est de combler ce fossé entre les simulations paléoclimatiques globales et les observations grâce à des simulations régionales de haute résolution de la circulation océanique et de la biogéochimie dans le SCH. L'étude sera focalisée sur 3 périodes de réchauffement global. Tandis que la période du Mio-Pliocène (8-3Ma) permet d'explorer la réponse aux GES, l'Holocène moyen (6ka) et du dernier interglaciaire (127ka) permettront d'éclairer la réponse su système aux changements de l'orbite terrestre. Une série de simulations océaniques de haute résolution des climatologies et d'évènements El Niño types passés seront effectuées. Les changements biogéochimiques et de circulation dans les simulations seront analysés et comparés aux enregistrements paléoclimatiques provenant de carottes sédimentaires marines et de bivalves fossiles. L'utilisation de simulations régionales est une approche nouvelle et prometteuse en paléoclimatologie. Les résultats attendus amélioreront 1) notre compréhension de la sensibilité du Pacifique tropical Est aux changements de conditions radiatives et 2) l'évaluation de la capacité modèles climatiques utilisés pour les projections futures,à reproduire des changements climatiques passés pour lesquels il existe des reconstructions paléoclimatiques fiables

The Peruvian upwelling in the Humboldt Current System (HCS) generates the highest productivity in the world, the coolest tropical surface waters, and is at the core of the most intense Oxygen minimum zone (OMZ). El Niño-Southern Oscillation, the primary source of the global interannual climate variability, produces here the most intense anomalies, especially in Peru where the impacts are devastating (SST anomalies up to 8°C, floods, anoxic events and mass mortality in the ecosystem). Earth System models (ESM) representations of the HCS have, however, strong biases thought to be responsible for the mismatch between projections and the observed trend in the equatorial Pacific which has impact on the whole planet (Seager et al., 2019). For these extreme oceanographic conditions that tend to increase (Breitburg et al., 2018; Gutiérrez et al., 2011), and its major role in the Earth system, a combined observational and modelling effort is required over the HCS. Warm climates of the Earth's history represent real world experimental conditions to study the HCS response to a broad range of radiative forcing. We need to go back to the late Miocene to find greenhouse gas (GHG) radiative forcing similar to the 21st century (~450ppm) (Steinthorsdottir et al., 2021). The HCS was then warmer, feeding permanent El Niño-like conditions through the Bjerkness feedback (Wara et al., 2005), allowing for a more humid coastal climate in Peru and a today extinct ecosystem (Ochoa et al., 2021). Is the current cooling a dynamical transient response towards a Miocene-like warm equilibrated state? The increased (decreased) seasonal contrast in the Northern (Southern) hemisphere lead to cooler conditions and reduced seasonality in the HCS during the mid-Holocene (Carré et al., 2014; Salvatteci et al., 2019), but to warmer conditions and increased seasonality in the Last Interglacial (LIG) maximum (Salvatteci et al., 2022; Carré et al. 2020), indicating that the HCS has no simple response either to the orbital forcing. Understanding the mechanisms driving the HCS response to external forcing requires paleoclimate simulations validated by paleoclimate observations (Braconnot et al., 2012). However, model-data comparisons are limited in the HCS because the coastal upwelling is not correctly represented in CMIP6 models used by the IPCC due to their low spatial resolution. The objective of this PhD project is to bridge the gap between global paleoclimate simulations and observations using high resolution modelling of the ocean circulation and biogeochemistry in the HCS. The study will focus on 4 periods of global warming. While the Mio-Pliocene (8-2Ma), and the last 1000 years will allow us to explore the response to GHG forcing, the Last Interglacial (~127ka), and the Mid-Holocene (~6ka) will provide insights into the response to changes in the Earth orbit. A series of regional simulations of past climatology and El Niño events will be performed using the CROCO and PISCES models for physics and biogeochemistry respectively, driven by global paleoclimate simulations of the IPSL-CM6 model and under the radiative forcing of each period. The circulation and biogeochemical changes will be analysed in the simulations and compared to paleoclimate records from ocean sediments and fossil bivalves. The use of regional modelling is a novel and promising approach in paleoclimate. The results are expected to radically improve 1) our understanding of the Eastern tropical Pacific sensitivity to changes in the radiative forcing and 2) the evaluation of climate model's ability to predict past climate changes that have been robustly reconstructed.