Contributions des processus physiques à la variabilité récente (1980-2015) des concentrations en nutriments dans le gyre subpolaire en Atlantique Nord

Contributions of physical processes to the recent variability (1980-2015) of nutrient concentrations in the North Atlantic Subpolar Gyre

• Auteur / Autrice : Alizée Dale
• Direction : Marion Gehlen, Douglas Wallace
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 26/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Reverdin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Gorgues, Jean-Eric Tremblay, Marina Lévy, Pascale Deniaud-Lherminier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Gorgues, Jean-Eric Tremblay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convection (océanographie)

Atlantique (océan ; nord)

Courants marins

Nutriments

Simulation par ordinateur

Circulation océanique

Mots clés libres

Gyre Subpolaire

Nemo-Pisces

Nutriments

Transport

Entrainement

Nao

Subpolar Gyre

Nemo-Pisces

Nutrients

Transport

Entrainment

Nao

Résumé

En Atlantique Nord, le gyre subpolaire (GSP) joue un rôle clé dans le cycle du carbone et la variabilité du climat. Il est le siège d'un bloom phytoplanctonique printanier vigoureux, entretenu par le transport saisonnier de nutriments et modulé par la lumière. Les macro-nutriments (NO3, PO4, DSi) sont principalement apportés à la couche de mélange (CM) par transport latéral depuis les hautes latitudes (principalement par les détroits de Davis et d'Hudson), et les basses latitudes par le Courant Nord-Atlantique (NAC), ou par transport vertical depuis la base de la CM où des concentrations plus élevées sont présentes. Il a été suggéré que ces processus d'approvisionnement varient en fonction de l'Oscillation Nord-Atlantique (NAO), un mode majeur de variabilité climatique naturelle. Lorsque l'indice de NAO est négatif, comme ce fut le cas du milieu des années 1990 à la fin des années 2000, les conditions physiques sont similaires à celles prévues sous changement climatique (i.e. réchauffement et réduction de la salinité et de la convection profonde (CP), ralentissement de la circulation méridienne de retournement de l'Atlantique, augmentation de la stratification). Dans la même période, une baisse des concentrations en nutriments a été observée dans toute la région, conduisant à l'hypothèse que les processus sous-jacents pourraient être similaires à ceux qui agissent sous changement climatique pour réduire les niveaux de nutriments dans la CM.L'objectif principal de cette thèse est d'analyser et de quantifier les contributions des processus dynamiques (i.e. le transport latéral et vertical) à la variabilité observée des concentrations en nutriments dans la CM du GSP entre 1980 et 2015. L'analyse utilise un modèle couplé physique-biogéochimie (NEMO-PISCES) discrétisé sur une grille au quart de degré. Une évaluation de la variabilité spatiale et temporelle des concentrations en nutriments et des principaux processus physiques du modèle, tels que la CP dans la mer du Labrador et le transport latéral d'eau et de nutriments, a été réalisée en comparaison avec des données d'observation. L'accent a d'abord été mis sur la mer du Labrador, qui est une région caractérisée par une CP hivernale intense et variable, cela en fait un laboratoire idéal pour distinguer le rôle de la variabilité de la CP hivernale de celui de la circulation du GSP et des apports Arctique. Malgré son affaiblissement, la contribution du transport de DSi arctique à travers les détroits de Davis et d'Hudson à la variabilité observée des nutriments s'est avérée négligeable (= 3 %). La CP a été identifiée comme le principal moteur de la baisse des concentrations de DSi pré-bloom en mer du Labrador. L'étude a ensuite été étendue à l'ensemble du GSP avec une évaluation de la variabilité récente des concentrations en nutriments dans la CM par l'analyse de la variabilité des transports latéraux et verticaux entre les périodes de forte NAO positive, de NAO négative et la période qui suit. Outre la variabilité temporelle des concentrations en réponse au forçage atmosphérique, des différences régionales apparaissent, avec une contribution dominée par le transport vertical dans les mers du Labrador et d'Irminger, induites par des variations de la profondeur de la CM. La variabilité des transports de nutriments traversant le GSP est cohérente avec la variabilité des nutriments au sein du GSP, mais découplée des nutriments transportés par le Gulf stream via le NAC à l'ouest de 38°N.Dans cette thèse, j'ai mis en évidence la prédominance du mélange vertical dans la variabilité contemporaine des concentrations de nutriments par rapport aux apports latéraux. Je montre qu'un ralentissement de la circulation générale associé à une stratification de la colonne d'eau conduit à l'affaiblissement des flux verticaux de nutriments. Ainsi, une réduction des concentrations futures en nutriments et potentiellement de la production primaire dans le GSP est attendue sous changement climatique.

The Subpolar Gyre (SPG) of the North Atlantic plays a key role in the carbon cycle and climate variability. It is the site of a vigorous spring phytoplankton bloom, maintained by the seasonal transport of nutrients in association with light. Macro-nutrients (NO3, PO4, DSi) are supplied predominantly to the mixed layer by lateral transport from high latitudes (mainly through the Davis and Hudson Straits), from lower latitudes by the North Atlantic Current, or by vertical transport from below the mixed layer where higher concentrations are present. These supply processes have been suggested to vary in response to the North Atlantic Oscillation, a major mode of natural climate variability. When the NAO index is negative, as it was the case from the mid-1990s to the end of the 2000s, physical conditions are similar to those projected under climate change (i.e. , warming and freshening, weakening of deep convection, slowing down of the Atlantic Meridional Overturning Circulation, increasing straatification. During the same period, a decline in macro-nutrient concentrations was observed throughout the region leading to the hypothesis that underlying processes could be similar to those acting under global warming to reduce mixed layer nutrient levels. The main objective of this thesis was to analyze and quantify the contributions of dynamic processes (i.e., lateral and vertical transport) to the observed variability in macro-nutrient mixed layer concentrations over the SPG between 1980 and 2015. The analysis used a coupled physical-biogeochemical model (NEMO-PISCES) discretized on a quarter-degree grid. An assessment of the model's representation of the spatial and temporal variability of macro-nutrient concentrations and the main physical processes, such as deep convection in the Labrador Sea, and the lateral transport of water and nutrients, was carried out in comparison with data from observations. An initial focus was on the Labrador Sea, which is a region characterized by deep, intense, and variable winter convection, making it an ideal laboratory for distinguishing the role of variability in deep winter convection from that of the Subpolar Gyre circulation and inputs from the Arctic Ocean. Despite some weakening, the contribution of changes of Arctic DSi transport through the Davis and Hudson Straits to observed nutrient variability was shown to be negligible (= 3%). Deep convection was identified as the main driver of the decline in pre-bloom DSi concentrations in the Labrador Sea. The study was extended next to the broader SPG, with assessment of the recent variability of macro-nutrient concentrations in the mixed layer through analysis of the variability of lateral and vertical transports between a period of strong positive NAO, a period of negative NAO, and the period following. In addition to the temporal variability of concentrations in response to atmospheric forcing, regional differences emerge, with a contribution dominated by vertical transport in the Labrador and Irminger Seas, led by variations in the depth of the mixed layer. Zonally-integrated nutrient transport east and north of the SPG are coherent with the variability of nutrient within the SPG but decoupled from nutrient transported by the Gulf stream via the North Atlantic Current west of 38°N. In this thesis, I highlighted the predominance of vertical mixing in the contemporary variability of nutrient concentrations compared with lateral inputs. I show that a slowing of the general circulation associated with stratification of the water column leading to the weakening of vertical nutrient fluxes, as is the case under projected climate change conditions, would lead to a reduction in macronutrient concentrations and potential future primary production in the SPG.