Mécanismes contrôlant les anomalies de température de surface de la mer et de précipitation au cours de deux années contrastées 2010 et 2012 dans l'Atlantique tropical

Mechanisms controling the sea surface temperature and precipitation anomalies during contrasted years, 2010 and 2012, in the tropical Atlantic

• Auteur / Autrice : Antonio Vasconcelos Nogueira Neto
• Direction : Hervé Giordani, Philippe Peyrille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère, climat
• Date : Soutenance le 06/03/2019
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre national de recherches météorologiques (France)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Précipitations (météorologie) -- Mesure

Mélange océanique

Bilan calorifique (géophysique)

Mots clés libres

Bilan de chaleur dans la couche de mélange océanique

Bilan d'eau atmosphérique

Atlantique tropical

Modélisation régionale

Oceanic mixed-layer budget

Atmospheric water budget

Tropical Atlantic

Regional modeling

Résumé

Peu d'études ont été consacrées à la documentation des processus pilotant l'évolution de l'ITCZ maritime sur l'Atlantique (AMI). La présente étude fournit une analyse de l'évolution de l'océan et de l'atmosphère de l'Atlantique tropicale pour deux années contrastées en Température de Surface de la Mer (TSM), 2010 et 2012, qui ont été respectivement les années les plus chaudes et les plus froides observées au cours de la période 1982-2015. Les mécanismes à l'origine des anomalies interannuelles et saisonnières de la TSM sont d'abord explorés via un bilan thermique dans la couche de mélange océanique (CMO) effectué à partir de flotteurs Argo, de données satellitaires et des réanalyses atmosphériques ERA-Interim pour la période 2007-2012. Le flux de chaleur latente en surface s'est avéré être sous-estimé de 20 W.m-2 conduisant à un mélange vertical erroné dans l'ensemble du domaine. La correction de ce flux de surface a permis d'assimiler le résidu à un mélange vertical turbulent à la base de la couche de mélange d'intensité réaliste. Une fois corrigé, le bilan de la CMO montre que les anomalies de TSM observées en 2010 et 2012 ont été générées par une anomalie de vent liée à une anomalie de flux de chaleur latente sur l'Atlantique nord en hiver. L'advection horizontale induite par le vent joue cependant un rôle fondamental pour équilibrer les flux de surface dans l'Atlantique Sud en 2012. Ces résultats montrent que l'Atlantique tropical nord est une région clé pour la génération des anomalies de TSM observées en 2010 et 2012. La deuxième partie de l'étude étudie la mise en place des anomalies pluviométriques de 2010 et 2012 et les mécanismes associés. En moyenne saisonnière, les précipitations de 2010 ont été plus intenses sur une grande partie du bassin tandis que celles de 2012 présentaient un dipôle méridien avec un maximum de précipitations décalé de 5° au nord par rapport à la climatologie. Un bilan d'eau intégré verticalement a montré que l'advection d'humidité est la principale contribution à l'anomalie de précipitation pour les deux années, notamment via l'anomalie de vent horizontal. À l'échelle intrasaisonnière, une analyse des régimes de pluie révèle que les pluies fortes étaient plus fréquentes en 2010 alors que en 2012 les pluies faibles étaient plus fréquentes. La relation entre les précipitations et certains facteurs clés tels que la TSM et l'eau précipitable dans la zone de l'AMI montrent qu'en 2010, le seuil de TSM pour le déclenchement des pluies est supérieur à celui de 2012. La relation eau précipitable - pluie montre également l'existence d'un seuil d'eau précipitable pour le déclenchement des pluies différent selon les années et selon la température de la troposphère. On montre ainsi que les conditions atmosphériques plus chaudes de 2010 ont contribué à "atténuer" l'effet de l'anomalie de TSM via le mécanisme de Clausius-Clapeyron. La pluie est également modulée par le tourbillon vertical qui est plus faible en 2010 qu'en 2012 à régimes de pluie équivalents, ce que souligne le rôle des perturbations atmosphériques. Une analyse spectrale des précipitations montre que les ondes d'Est Africaines, dans la gamme 2 - 10 jours, expliquent l'essentiel des différences observées dans la variabilité des pluies entre 2010 et 2012. Enfin, un ensemble de simulations réalisées avec le modèle atmosphérique à aire limitée Méso-NH a été utilisé pour comprendre les contributions de l'océan et de l'atmosphère aux anomalies de pluies de 2010 et 2012. Les pluies simulées en changeant la TSM de 2010 par celle de 2012 et en gardant les conditions latérales de 2010 sont très proches de celles de 2010. Ce comportement confirme que le facteur clé pour déterminer l'anomalie de pluie de 2010 n'est pas l'anomalie de TSM mais l'anomalie de vent horizontal et de température de la troposphère.

The Atlantic Marine ITCZ (AMI) is a regional manifestation of the ITCZ over the warm water of the tropical Atlantic oceans. Few studies have been devoted to document the processes driving the evolution of the SST and precipitation, most of which were centered on the eastern side of the basin. The present study provides an analysis of the evolution of the ocean and the atmosphere over the Western part of the Atlantic for two contrasted years in Sea Surface Temperature (SST), 2010 and 2012, that were respectively the warmest and coldest years observed during the 1982-2015 period. The causes of interannual and seasonal anomalies of SST are first explored via an oceanic mixed-layer (ML) heat budget performed from Argo floats, satellite-based data and ERAI-Interim atmospheric reanalysis for the period 2007-2012. The surface latent heat flux was found to be under-estimated by 20 W/m2 and conducted to erroneous vertical mixing in the whole domain. Correction of these surface fluxes yielded to residuals which were assimilated to vertical turbulent mixing at the mixed-layer base, which fell into realistic range. Once corrected, the ML budget shows that the observed SST anomalies in 2010 and 2012 were generated by anomalous wind stress and, consequently, anomalous latent heat flux in the north Atlantic during winter. The wind-induced horizontal advection plays a fundamental role in balancing the surface flux in the south Atlantic in 2012. The north tropical Atlantic appears as a key region for the generation of the SSTs pattern observed in 2010 and 2012. The second part of the study analyses the building of the 2010 and 2012 rainfall anomalies and the underlying mechanisms. On seasonal average, 2010 shows a more intense rainfall over the basin while 2012 exhibits a meridional dipole of precipitation with a rainfall maximum shifted 5 degrees north of its climatological location. An analysis of the water budget integrated vertically indicates that the anomalous vertical advection of moisture is the leading term that contributed to the precipitation anomalies for both years and that anomalous horizontal wind has the greatest contribution to this term. At the intraseasonal scale, an analysis of the precipitation regimes reveal that 2010 favoured more frequent heavy rainfall than 2012 while 2012 was characterised by more frequent lighter rain. The relationships between the precipitation and some key factors such as SST and precipitable water (PW) are analysed within the AMI to understand how deep convection was altered under different SST conditions. The main results is that the 2010 shows a higher SST threshold than 2012 for strong rainfall to occur. The precipitation - PW relationships shows the existence of a threshold of precipitable water too, which depends on the years and the tropospheric temperature. It is underlined that the atmospheric warmer conditions in 2010 vs 2012 acted to "damp" the SST anomaly via Clausius-Clapeyron mechanism, i.e. by increasing the water vapour saturation threshold of the atmosphere. A spectral analysis of precipitation revealed that African Easterly Waves at periods of 2-10 days explain most of the difference in the variability of precipitation between both years. Finally a set of simulation realised with the limited-area atmospheric model Meso-Nh was used to understand the contribution of the ocean and the atmosphere to the anomalous precipitation for 2010. Sensitivity experiments to the SST and initial/lateral boundary conditions were performed. The rainfall simulated by Meso-NH when forcing the model with the SST from 2012 and keeping the lateral boundary conditions to those of 2010 are very close to the rainfall obtained for 2010. It shows that the key factor to determine the 2010 rainfall anomaly is not the SST but the atmospheric properties provided by the lateral boundary conditions i.e. the anomalous horizontal wind and the tropospheric temperature.