Audine Laurian Thèse dirigée par Alban Lazar et Gilles Reverdin Variabilité décennale de la...

Audine Laurian

Thèse dirigée par Alban Lazar et Gilles Reverdin

Variabilité décennale de la salinité et échanges entre les tropiques et les subtropiques de l’Atlantique Nord

Introduction

• Téléconnexions océaniques

• Quelques courants associés à la

circulation thermohaline (CTH)

• Transport de signaux de T et de S

Surface

Profond

Fond

Salinité > 36 psu

Des téléconnexions océaniques 3d

• Fonction de courant méridienne

0

250

500

1000

2000

3000

4000

5000

Les téléconnexions océaniques dans la thermocline par advection: Subtropiques Tropiques

• Interannuel à décennal

• Variabilités tropicale et équatoriale

(Gu et Philander 1997)

0

250

500

1000

2000

3000

4000

5000

• Interannuel à décennal

• Suggérée comme mécanisme capable d’atténuer la réduction de la CTH par transport des eaux salées subtropicales vers les hautes latitudes (Latif et al. 2000)

0

250

500

1000

2000

3000

4000

5000

Les téléconnexions océaniques dans la thermocline par advection: Tropiques Subtropiques

Evolution de la salinité dans l’Atlantique Nord

Anomalies de salinité observées entre les années 90 et les années 50

(Boyer et al. 2005)

Tropiques + salés

Advection des anomalies de S renforce la MOC

Augmentation S aux hautes latitudes

20°N 40°N 60°N 8

0°N

++

Problématique:Formation et advection d’anomalies de salinité dans la thermocline

Anomalies de salinité observées entre les années 90 et les années 50

(Boyer et al. 2005)

20°N 40°N 60°N 8

0°N

++

• Bon candidat à l’advection = anomalies compensées en densité (advectées par les courants): comportement proche des traceurs passifs

• Etude du mécanisme de téléconnexion (échelle de temps, physique, amplitude)

1. Génération des anomalies de S?

2. Circulation des anomalies de S?

Introduction

1.Définitions de l’épice et d’une anomalie de salinité compensée en densité

2.Modèle et description des anomalies de salinité en surface et en subsurface

3.Génération en surface des anomalies de salinité compensées en densité

3.1. Modèle analytique

3.2. Comparaison du modèle analytique à la simulation

4. Propagation des anomalies de salinité compensées en densité vers les hautes latitudes

Synthèse et perspectives

Plan

Une masse d’eau est d’autant plus épicée (spicy) qu’elle est chaude et salée.

Définition d’une masse d’eau épicée

- épice +

Définition d’une masse d’eau épicée

- épice +

épice

densité

Une masse d’eau est d’autant plus épicée (spicy) qu’elle est chaude et salée.

Anomalie de densité:

Sur une isopycne:

Anomalie d’épice (spiciness):

(Munk 1981; Flament 2002; Tailleux et al. 2005)

Sur une isopycne:

Sur une isopycne, une anomalie d’épice est proportionnelle à une anomalie isopycnale de salinité (ou de température)

dTdSd

dTdS

d

0

dTdSd

dTdSd 22

Hypothèses: - densité linéaire

- coefficients et constants (Tailleux et al. 2005)

Définition d’une anomalie d’épice:lien avec les anomalies de salinité compensées en densité

• Anomalie d’épice = anomalie dont les signaux de T et de S se compensent en densité

Pas d’anomalie de densité associée

En 1ère approximation, comparable a un traceur passif pour la dynamique, advectée par les courants moyens

• Subit la diffusion et se dissipe

• Anomalie de salinité = anomalie d’épice + anomalie due au déplacement des isopycnes dans un champ de gradient de S

S T

Surface isopycnale

1

Surfaceprofondeur

Propriétés des anomalies d’épice

• En surface:

000 SSSSSSSSSA

La barre supérieure dénote la climatologie mensuelle

Définition d’une anomalie de SSS

Couche de mélange océanique

0

0SSSA

0

000 SSISA • Sous la couche mélangée:

La barre supérieure dénote la climatologie mensuelle

Définition d’une anomalie isopycnale de salinité sous la couche mélangée

CMO

0ISA0

0

Mécanismes de génération d’une anomalie isopycnale de salinité

• Modèle simple de subduction signaux de surface = signaux dans la thermocline

• Difficultés à relier surface et subsurface sur des surfaces isopycnales (Kessler 1999)

S T

Un premier mécanisme de génération:

Diffusion diapycnale à la base de la couche mélangée

1) Diffusion diapycnale à la base de la couche mélangée

Luo et al. 2005; Yeager and Large 2006, 2007

Couche de mélange

océanique

SSSA SSTA

2) Subduction en fin d’hiver

Un second mécanisme de génération:

Subduction en fin d’hiver

Couche de mélange

océanique

SSSA SSTA

2) Subduction en fin d’hiver

Un second mécanisme de génération:

Subduction en fin d’hiver

Couche de mélange

océanique S T

Introduction








Plan

Description de la simulation

OGCM OPA 8.1 (Madec et al. 1998) Configuration ORCA2 (K. Rodgers)

• Flux de chaleur calculés à l’aide de formules bulk fondées sur les réanalyses journalières de NCEP/NCAR sur la période 1948-2002

Permet d’étudier les échelles décennales

• Correction de flux d’eau douce

Evolution de S la plus libre possible

• Moyennes mensuelles

10 à 50m dans les 250 premiers mètres

2x 2y z

Grille ORCA

Caractéristiques de surface:

Modes de variabilité des anomalies de SSS en fin d’hiver

Structure spatiale en accord avec Mignot et Frankignoul (2003)

Première EOF des anomalies de SSS

en fin d’hiverComposante principale associée

Fortes précipitations

Forte évaporation





Fortes précipitations

Forte évaporation

Salinification basse fréquence du Nord du gyre depuis 1960 (Curry et al. 2003; Boyer et al. 2005)





CMO

1SSS2SSS

1S2S

Premiers modes de variabilité des anomalies de salinité

en subsurface en fin d’hiver

Premiers modes de variabilité des anomalies de salinité

de subsurface en fin d’hiver

CMO

1SSS2SSS

1S2S

Anomalie de salinité: EOF1 45%




?

Comparaison des premiers modes de variabilité des anomalies de salinité de surface et de subsurface en fin d’hiver

Distribution similaire mais amplitude différente

Introduction








Plan

Mécanisme de génération schématisé:Diagramme T-S

Mécanisme de génération schématisé:Diagramme T-S

Approximation des propriétés T-S par une droite

Cas d’un refroidissement en surface sans variation de salinité en surface

Refroidissement: SSTA < 0

Effet du refroidissement sur une isopycne donnée

Avant refroidissement

Après refroidissement

d’après Bindoff et McDougall 1994

Modulation du signe et de l’amplitude des anomalies isopycnales de salinité

Anomalie isopycnale Anomalie isopycnale de température > 0de température > 0

Effet du refroidissement sur une isopycne donnée

< 0< 0

• Modulation de l’amplitude et du signe des anomalies en fonction de la pente

Rapport de densité

Effet du refroidissement sur une isopycne donnée:Cas d’une masse d’eau aux propriétés différentes

Définition du rapport de densité

Le rapport de densité méridien:

SST

SSSR

y

yy

en hiver (World Ocean Atlas 2005)*yR

• Inversion de signe

• Modulation de l’amplitude

• Modulation de l’amplitude

Relation entre les anomalies de surface et les anomalies de subsurface:Changement de repère

La relation entre les anomalies de surface et les anomalies de subsurface naît du changement de repère:

Développement d’un modèle analytique linéaire pour expliquer et analyser la formation des anomalies isopycnales de salinité dans la thermocline

),,,(),,,( tyxtsurfaceyx

Relation entre les anomalies de surface et les anomalies de subsurface:Schéma du changement de repère

Couche de mélange

océanique

Flux atmosphériques

Adv horizontale

S T


Couche de mélange

océanique

S T

Déplacement Déplacement (dl)(dl)

Couche de mélange

océanique

S T

S T


Déplacement Déplacement (dl)(dl)

Linéarisation de la salinité isopycnale mensuelle

0ISA

0S

0S

0SSS 0SSS0SSSA

)()()()(00

tSSStldtSSStSSS

Couche de mélange

océanique

Linéarisation de la salinité isopycnale mensuelle

0ISA

0S

0S

0SSS 0SSS0SSSA

)1()()()()(000

tStSSStldtSSStSSS

(1 mois = temps de restratification de la CMO)

Couche de mélange

océanique

)()1(00

tSSStS

)1()()()()(000

tStSSStldtSSStSSS

0ISA

0S

0S

0SSS 0SSS0SSSA

Relation entre salinité isopycnale climatologique de surface et de subsurface

Couche de mélange

océanique

)()1(00

tSSStS

)1()()()()(000

tStSSStldtSSStSSS

0ISA

0S

0S

0SSS 0SSS0SSSA

Relation entre anomalies de salinité en surface et en subsurface

)()()()1(00

tSSStldtSSSAtISA

Prévision en fonction des paramètres de surface Relation contre-intuitive

Couche de mélange

océanique

Comment se déplacent les lignes d’affleurement des surfaces isopycnales en hiver?

Dans le gyre subtropical, en JFM, déplacements de 100 à 400 km

JFM

JFMJFM

JFMJFM

SSD

SSDSSDlddl

Déplacement = écart à leur position climatologique dans la direction de :

dl = f(SSTA, SSSA)

SSD

+ général que Nonaka et Sasaki (2007)

Introduction








Plan

Etude de l’anomalie isopycnale de salinité sous la couche mélangée pour une année typique

Anomalie d’épice simulée: EOF1

1994

1994 = extrema de la composante principale

Composante principale associée

Etude de l’anomalie isopycnale de salinité en 1994

CSSTA

psuSSSA

4.0

25.0

Mars 1994 SSSA, SSTA

psu

)()()()1(00

tSSStldtSSSAtISA


psuMars 1994 Déplacement (dl)

Mars climatologique

Mars 1994

CSSTA

psuSSSA

4.0

25.0


)()()()1(00

tSSStldtSSSAtISA



Mars climatologique

Mars 1994

kmdl 200+-

CSSTA

psuSSSA

4.0

25.0


)()()()1(00

tSSStldtSSSAtISA



+-

Mars 1994 SSSld


)()()()1(00

tSSStldtSSSAtISA

Mars 1994 SSSld



+-

Avril 1994 SSSA + SSSld


)()()()1(00

tSSStldtSSSAtISA

Avril 1994 SSSA + SSSld

Avril 1994 Anomalie simulée

• Dipôle

- Au Sud de 14°N, décalé au Sud de 400km

- Entre 30°N-36°N, décalage à l’Ouest de 100km

• Amplitude trop faible au Nord, trop forte au Sud

• Signe


)()()()1(00

tSSStldtSSSAtISA

Comparaison des premiers modes de variabilité des anomalies isopycnales de salinité en fin d’hiver, analytiques et simulées

Analytique Simulée

Analytique Simulée

)()()()1(00

tSSStldtSSSAtISA

Qualités du modèle analytique

Expliquer et prédire les caractéristiques des anomalies isopycnales de salinité dans la thermocline en fonction des paramètres de surface uniquement

Permet d’expliquer la relation entre surface et subsurface

Modèle utilisable dans toutes les régions de subduction tropicale et subtropicale

Variabilité interannuelle à décennale des anomalies d’épice sous la couche mélangée Amplitude, le plus souvent Distribution spatiale

Description des anomalies isopycnales de salinité à l’échelle du bassin

)()()()1(00

tSSStldtSSSAtISA

• Densité non linéaire (cabelling) Anomalie isopycnale de salinité non passive Modulation de l’amplitude des anomalies analytiques

Améliorations du modèle analytique

)()()()1(00

tSSStldtSSSAtISA

• Si dl trop grand par rapport à l’état moyen Pas de linéarisation du dl Amplification de l’erreur si fort

• Dépendant du pas de temps de la simulation (1 mois)

SSS

Introduction








Plan

S T

CMO

Propagation d’une anomalie isopycnale de salinité:Vision schématique

S T

S T

CMO CMO

Propagation d’une anomalie isopycnale de salinité:Vision schématique

Dans le Pacifique

Deser et al. 1996; Schneider et al. 2000; Yeager et Large 2007; Johnson 2006 etc

Dans l’Atlantique

Lazar et al. 2001; Yeager et Large 2006

Etudes des régions équatoriales

S T

Propagation d’une anomalie isopycnale de salinité:Historique et nouveautés

S T

CMO CMO

Distribution horizontale des anomalies de salinité:cartes de variance pour 4 isopycnes dans la thermocline

3.1024 mkg

3.1027 mkg

3.1025 mkg

psu

En accord avec Schneider 2000; Lazar et al. 2001; Yeager et Large 2004; etc

Variance maximale sur 3.1026 mkg

3.1026 mkg

Distribution verticale des anomalies isopycnales de salinité:Carte de variance sous la couche mélangée

Forte variance (0.2 psu) entre 150 et 250 mètres

psu

psu

3.1026 mkg

SSSA

Anomalies de salinité sur la

surface

psu

0

100m

200m

300m

400m0

Anomalies de salinité isopycnales interpolées sur la

verticale

3.1026 mkg

3.1026 mkg0

100m

200m

300m

400m

psu


verticale

3.1026 mkg0

100m

200m

300m

400m


verticale

3.1026 mkg0

100m

200m

300m

400m

psu


verticale

Les plus fortes anomalies sont générées dans la région du maximum de salinité (de 0.1 à 0.3 psu)

Cette région alimente les 250 premiers mètres de la thermocline du gyre subtropical

Forte diminution du signal

0

100m

200m

300m

400m

Mise en évidence de la propagation jusque dans le Gulf Stream: corrélations laguées dans le temps

Auto-corrélation laguée>0.8

ansT=0

+3 ans

Diagramme de Hovmüller des anomalies isopycnales de salinitéle long de leur trajectoire

Anomalies advectées par les courants moyens vers le Cape Hatteras en 6 ans (-70%)

Forte diminution de l’amplitude (physique + cabelling)

Prédictibilité de la variabilité des caractéristiques isopycnales du Gulf Stream 6 ans à l’avance

Introduction








Plan



- Développement et généralisation d’un modèle applicable à toutes régions de subduction tropicales/subtropicales

- Description de la variabilité grande échelle des anomalies dans l’Atlantique Nord

- Prédictibilité des anomalies dans la thermocline en fonction des anomalies de surface

Adv Horiz

S T

Laurian et al., Generation mechanism of poleward propagating spiciness anomalies in the North Atlantic subtropical gyre, soumis à J. of Geophys. Res.

S T



- Développement et généralisation d’un modèle applicable à toutes régions de subduction tropicales/subtropicales

- Description de la variabilité grande échelle des anomalies dans l’Atlantique Nord

- Prédictibilité des anomalies dans la thermocline en fonction des anomalies de surface

Adv Horiz

S T

Laurian et al., Generation mechanism of poleward propagating spiciness anomalies in the North Atlantic subtropical gyre, soumis à J. of Geophys. Res.

S T

Validation du mécanisme avec des observations (ARGO)

Validation du mécanisme dans d’autres régions de subduction

Rôle des petites échelles (double diffusion)


- Mise en évidence de propagation d’anomalies dans le gyre subtropical en 6 ans

- Variabilité décennale

- Prédictibilité de la variabilité des caractéristiques isopycnales du Gulf Stream 6 ans à l’avance

Laurian et al., Poleward propagation of spiciness anomalies in the North Atlantic Ocean, GRL, 2006.

S T


S T

Adv Horiz

S TS T

S T

S T


- Mise en évidence de propagation d’anomalies dans le gyre subtropical en 6 ans

- Variabilité décennale

- Prédictibilité de la variabilité des caractéristiques isopycnales du Gulf Stream 6 ans à l’avance

Laurian et al., Poleward propagation of spiciness anomalies in the North Atlantic Ocean, GRL, 2006.

Paramétrisation de l’effet de la diffusion? (amélioration de la prédictibilité) Effets cumulés dans l’espace et dans le temps des anomalies de salinité Impact vers les hautes latitudes?

S T


S T

Adv Horiz

S TS T

S T

S T

S T


S T

Adv Horiz

S TS T

S T

S T

PerspectivesFlux

atmosphériquesS T

Emergence des anomalies dans le Gulf Stream Impacts sur la densité de surface? Modification de la densité de surface dans le gyre subpolaire?

Etude de sensibilité en cours dans un modèle couplé (en collaboration avec Juliette Mignot)

Impact de la résolution de la simulation:

MERA-11, 1/3°

Propagation de 40°W à 80°W dans le Sud du gyre subtropical

Vitesse de propa differente, ampli idem

Deplacer pour questions

Peut-on relier les anomalies d’épice dans la thermocline à des signaux de surface ayant une variabilité connue?

Mars 1994 SSSA

Mars 1994 SSTApsu

°C

Comparaison des anomalies de surface en 1994 avec les EOF associées

On connaît la NAO et ses evolutions,

La NAO force la surface

Notre modele permet de predire les anomalies qui vont

subducter et circuler.

Besoin de la SSS (SMOS)

Définition de la spiciness

Anomalie de densité:

Sur une isopycne:

Anomalie de spiciness: (Munk 1981; Flament 2002; Tailleux et al. 2005)

Sur une isopycne:

Sur une surface isopycnale donnée, une anomalie de spiciness est proportionnelle à une anomalie isopycnale de salinité (ou de température)

dTdSd

dTdS

d

0

dTdSd

dTdSddSd 222

),(),( ST

Couverture du réseau ARGO en octobre 2007

(3000 flotteurs) (0 2000 m)

Simulation de contrôle HH20: SSS

Couleur: HH20; Contours: HH20-WOA05

SSS anormalement faible en toute saison entre 40°N et 50°N

psu psu

psu psu

Couleur: HH20; Contours: HH20-WOA05

Eaux de surface trop denses au printemps et en été entre 40°N et 50°N

Simulation de contrôle HH20: SSD

HH20 (m/an) ORCA2 (m/an)

Recirculation dans le gyre subtropical trop forte dans HH20

Simulation de contrôle HH20: Taux de ventilation

• En surface:

000 SSDSSDSSD SSSSSSSSSA

000 SSDSSDSSD SSISA • Dans la thermocline:

La barre supérieure dénote la moyenne mensuelle sur la période1948-2002


Définition d’une anomalie de salinité en surface et en subsurface


Migration des lignes d’affleurement des surfaces isopycnales

On définit cette migration par rapport à leur position moyenne mensuelle

La migration est parallèle aux gradients horizontaux de :SSD


Migration des lignes d’affleurement des surfaces isopycnales

On définit cette migration par rapport à leur position moyenne mensuelle

La migration est parallèle aux gradients horizontaux de :SSD

SSD

SSDA

SSD

SSDSSDlddl

dl = F(SSTA,SSSA)

Perspectives

Emergence des anomalies d’épice dans le Gulf Stream

Mécanisme

S T

Interactions air-mer

CMO

Surface isopycnale

Les anomalies d’épice générées dans la région du maximum de salinité émergent dans le Gulf Stream avec une amplitude qui peut atteindre 0.1 psu.

Perspectives


Mécanisme

S T CMO

Surface isopycnale

Perspectives


Mécanisme

S T CMO

Surface isopycnale

Lorsqu’elles émergent dans la couche mélangée, les anomalies ont un (faible) impact climatique, du moins dans le Pacifique équatorial

(Schneider 2004)

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