Variabilité de l'Atlantique Nord dans un modèle couplé idéalisé : L'Oscillation Multidécennale Atlantique

par Quentin Jamet

Thèse de doctorat en Océanographie physique

Sous la direction de Alain Colin de Verdière.

Soutenue le 27-11-2015

à Brest , dans le cadre de École doctorale Sciences de la mer (Plouzané, Finistère) , en partenariat avec Laboratoire de physique des océans (Plouzané, Finistère) (laboratoire) .

Le président du jury était Patrice Klein.

Le jury était composé de Patrice Klein, Jérôme Sirven, Nicholas Hall, Thierry Huck, Guillaume Gastineau, David Ferreira.

Les rapporteurs étaient Jérôme Sirven, Nicholas Hall.


  • Résumé

    Aux échelles multidécennales, le mode de variabilité principal de l'Atlantique Nord est connu sous le nom de AMO (Atlantic Multidecadal Oscillation). Il est révélé par les observations océaniques, mais les causes qui lui donnent naissance restent mal comprises. Certaines études décrivent l'AMO comme un mode océanique forcé par l'atmosphère, d'autres études décrivent l'AMO comme un mode intrinsèque à l'océan. Ce désaccord majeur est fortement lié aux approches utilisées par ces différentes études, i.e. analyses statistiques de données issues de modèles climatiques ou d'observations vs. expériences de sensibilité à l'aide de simulations idéalisées. Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons aux mécanismes de variabilité basse fréquence de l'Atlantique Nord dans une série de simulations. Trois configurations couplées du MITgcm sont intégrées, avec une résolution horizontale de 4°, 2° et 1° (pour l'océan et l'atmosphère). La géométrie de l'océan est idéalisée. Le fond est plat, et l'Atlantique est représenté par un petit bassin, délimité par deux barrières méridiennes, orthogonales l'une à l'autre. Ces trois configurations reproduisent toutes une variabilité de la MOC (Meridional Overturning Circulation) dans l'Atlantique entre 30-40 ans, associée à la propagation d'ondes de Rossby de grande échelle à travers le petit bassin. Cette variabilité persiste dans des expériences d'océan seul. Dans nos simulations, la variabilité basse fréquence de l'Atlantique Nord est donc générée pas des processus internes à l'océan. Augmenter la résolution horizontale renforce par ailleurs le couplage océan-atmosphère, avec une NAO (North Atlantic Oscillation) qui devient significativement corrélée à la MOC deux ans plus tard à 1°. Ces corrélations sont mises en évidence dans la plupart des modèles climatiques, ainsi que dans les observations. Certaines études en déduisent alors que la variabilité océanique est forcée par l'atmosphère. Cependant, les expériences de sensibilité au couplage air-mer réalisées dans cette étude démontrent que de telles corrélations n'induisent pas de causalité. Elles illustrent la nécessité d'interpréter les résultats d'analyses statistiques avec précaution, lorsqu'il s'agit d'identifier l'origine de la variabilité basse fréquence de l'Atlantique Nord. L'origine interne de la variabilité océanique par instabilité barocline de grande échelle est ensuite approfondie à l'aide de deux méthodes : une approche diagnostique (bilan de variance) et une approche prognostique (analyse locale de stabilité linéaire). L'approche diagnostique permet de caractériser la variabilité qui se développe dans le modèle non-linéaire. L'approche prognostique consiste à calculer les modes propres de la circulation océanique moyenne, dans l'hypothèse quasigéostrophique. Nous montrons que la prise en compte de la viscosité turbulente dans l'analyse locale permet une meilleure cohérence avec les solutions du modèle non-linéaire. Nous interprétons finalement les ondes de Rossby, qui se propagent à travers le petit bassin, comme émanant d'une instabilité barocline de bord est.

    mots clés mots clés

  • X
  • Titre traduit

    North Atlantic variability in an idealized coupled model : the Atlantic Multidecadal Oscillation


  • Résumé

    At multidecadal time-scales, the principal mode of variability in the North Atlantic is referred to as the AMO (Atlantic Multidecadal Oscillation). It is revealed by oceanic observations, but its origin remains unclear. Some studies describe the AMO as an oceanic mode forced by the atmosphere, while other studies describe the AMO as an intrinsic oceanic mode. This significant disagreement mainly results from the methods that are used by these different studies, i.e statistical analysis of observations and climate models data vs. idealized simulations and sensitivity experiments.In this PhD thesis, we focus on mechanisms that drive the low frequency North Atlantic variability in a range of simulations. Three coupled configurations of the MITgcm are integrated, with horizontal resolution of 4°, 2° and 1° (in both the ocean and the atmosphere). The idealized oceanic geometry is a flat bottom, with two meridional boundaries that delimit a small basin, comparable to the Atlantic. All these three configurations reproduce a 30-40 year variability of the Atlantic MOC (Meridional Overturning Circulation), associated with large scale Rossby waves that travel across the small basin. This variability remains in ocean-only experiments. The North Atlantic oceanic variability in these simulations is then intrinsically driven.Furthermore, increasing the horizontal resolution strengthen the ocean-atmosphere coupling, with a NAO (NorthAtlantic Oscillation) that becomes significantly correlated to the MOC two years latter at 1°. Such correlations are usually found in most climate models and observations. Some studies then infer that the oceanic variability is forced by the atmosphere.Nevertheless, our sensitivity experiments to ocean-atmosphere coupling highlight that correlations do not necessarily imply causality. These experiments provide a relatively simple and illustrating example. They show that significant lag correlations can be misleading for the identification of driving processes in the context of North Atlantic low frequency variability.The intrinsic oceanic variability is investigated in terms of large scale baroclinic instabilities with two methods: a diagnostic approach (variance budget) and a prognostic approach (local stability analysis). The diagnostic approach aims to characterize the oceanic variability that develop in the non-linear model. The prognostic approach aims to identify the normal modes of the oceanic mean state, in the quasi-geostrophic framework. Taking into account the turbulent viscosity in the stability analysis increases the consistency with the non-linear model solutions. We finally interpret the origin of large scale Rossby waves that travel across the small basin, as a baroclinic instability of the eastern boundary.


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