Lien entre la variabilité tropicale aux échelles interannuelles à multi-décennales et l'évolution du climat moyen au cours de l'Holocène

Link between the tropical variability on interannual to multi-decadal time scales and the evolution of the mean climate during the Holocene

• Auteur / Autrice : Isma Abdelkader di Carlo
• Direction : Pascale Braconnot, Mary Elliot, Olivier Marti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 13/03/2024
• 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 : Franck Bassinot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Vidal, Matthieu Lengaigne, Jérôme Vialard, Thibaut Caley
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Vidal, Matthieu Lengaigne

Mots clés

Mots clés contrôlés

El Nino-oscillation australe

Océanographie

Simulation par ordinateur

Climat

Climat tropical

Paléoclimatologie

Mots clés libres

Paléoclimatologie

Modélisation climatique

El Niño-Southern Oscillation

Variabilité Tropicale

Océanographie

Paleoclimatology

Climate modelling

El Niño-Southern Oscillation

Tropical Variability

Oceanography

Résumé

L'océan Pacifique tropical constitue le cœur d'action d'ENSO, le principal mode de variabilité climatique tropical. Malgré l'incertitude de l'impact du changement climatique sur son évolution, des indices suggèrent que le système climatique moyen exerce une influence sur sa variabilité. Les observations ne permettent pas d'étudier les liens entre les changements des caractéristiques du climat moyen et de changements à long terme. Je me suis intéressée à l'évolution d'ENSO sur les derniers 6000 ans. Pour cette période, de nombreuses archives climatiques à haute résolution (coraux, spéléothèmes, bivalves) permettent d'étudier ces changements de variabilité. Des simulations transitoires issues de modèles, les mêmes que ceux utilisés pour les projections futures, offrent de nouvelles possibilités d'étudier les changements long-termes.J'ai porté un intérêt particulier à la rétroaction de la thermocline, qui pourrait expliquer la faible variabilité d'ENSO à l'Holocène. J'ai employé un outil lagrangien qui m'a permis d'identifier les variations de trois sources majeures alimentant la thermocline du Pacfique équatorial, principalement issues du Pacifique sud. Contrairement aux hypothèses avancées, l'évolution de la température de ces sources n'a pas semblé suffisante pour expliquer le changement observé dans la thermocline équatoriale Pacifique au cours de l'Holocène.Une autre partie de ma thèse a porté sur l'examen de la diversité d'ENSO. En utilisant des méthodes distinctes pour caractériser les événements El Niño de l'est (EP) et du centre (CP) Pacifique, des résultats opposés ont été obtenus concernant l'évolution sur 6000 ans du ratio de variance de EP sur CP. Les métriques de diversité d'ENSO, lorsqu'elles sont correctement interprétées, ont révélé une augmentation de la variance d'ENSO au cours de l'Holocène, avec une expansion spatiale à l'ouest et à l'est du Pacifique. Les différences entre métriques sont à l'origine de résultats contradictoires dans la littérature.Ensuite, j'ai exploré les changements de téléconnexions avec l'océan Indien, en examinant particulièrement l'interaction entre ENSO et le dipôle de l'océan Indien (IOD) en prenant en compte les variations de l'orbite terrestre, les gaz à effet de serre et les calottes glaciaires. En analysant une simulation transitoire sur deux millions d'années, j'ai montré une corrélation négative entre la variabilité d'ENSO et de l'IOD en fonction de la longitude du périhélie. Pendant les périodes de forte variabilité d'ENSO et de l'IOD, l'état moyen et principalement la saisonnalité influence le développement de chaque mode de variabilité. De plus, j'ai établi que l'ouest de l'océan Indien avait sa propre réponse à l'insolation, et que l'est de l'océan Indien dominait la variabilité de l'IOD.Je suis revenue à l'Holocène dans la dernière partie de ma thèse, avec cinq simulations transitoires. J'ai confirmé comment la variabilité d'ENSO évolue en lien avec les changements d'état moyen et ai montré que les résultats sont plus incertains dans le secteur indonésien. Je trouve une plus forte cohérence dans les résultats de changements de téléconnexion par l'atmosphère au cours des derniers 6000 ans, via la circulation de Walker et la zone de convergence intertropicale (ITCZ). La comparaison avec des spéléothèmes dans le secteur indonésien montre un accord avec les changements dans la position de l'ITCZ. Les interprétations des changements hydrologiques des coraux ont souligné la complexité régionale du secteur indonésien.En conclusion, les différents volets abordés dans cette thèse mettent en évidence l'importance de considérer la variabilité dans un contexte d'état moyen changeant, soulignant le rôle crucial des simulations transitoires pour comprendre les changements chaotiques au fil du temps. Les résultats ouvrent de nouvelles portes pour analyser la variabilité climatique dans le long terme en tenant compte des particularités de chaque reconstruction climatique.

The center of action of ENSO, the main mode of tropical interannual variability, is located in the tropical Pacific Ocean. Despite the uncertainty regarding the impact of climate change on its evolution, indications suggest that the climate mean state influences its variability. Observations do not allow for the study of connections between changes in mean climate characteristics and long-term changes. I focused on the evolution of ENSO over the last 6000 years. For this period, numerous high-resolution climate archives (corals, speleothems, bivalves) allow for the study of these variability changes. Transient simulations from models, the same ones used for future projections, offer new possibilities to study long-term changes.I paid particular attention to the thermocline feedback, which could explain the reduced ENSO variability in the Holocene. I used a Lagrangian tool that allowed me to identify variations in three major sources feeding the equatorial Pacific thermocline, mainly from the South Pacific. Contrary to the hypotheses put forth, the temperature evolution of these sources did not seem sufficient to explain the observed change in the Pacific equatorial thermocline during the Holocene.Another part of my thesis focused on examining the diversity of ENSO. Using distinct methods to characterize El Niño events in the eastern (EP) and central (CP) Pacific, opposing results were obtained regarding the evolution over 6000 years of the EP to CP variance ratio. When properly interpreted, ENSO diversity metrics revealed an increase in ENSO variance during the Holocene, with spatial pattern that expands to the west and east of the Pacific. Differences between metrics are the source of contradictory results in the literature.Next, I explored teleconnection changes with the Indian Ocean, particularly examining the interaction between ENSO and the Indian Ocean Dipole (IOD), taking into account variations in Earth's orbit, greenhouse gases, and ice sheets. Analyzing a transient simulation over two million years, I showed a negative correlation between ENSO and IOD variability based on the longitude of the perihelion. During periods of strong ENSO and IOD variability, the mean state and primarily seasonality influenced the development of each variability mode. Furthermore, I established that the western Indian Ocean had its own response to insolation, and the eastern Indian Ocean drove IOD variability on orbital timescales.I returned to the Holocene in the last part of my thesis, with five transient simulations. I confirmed how ENSO variability evolves in connection with changes in the mean state and showed that results are more uncertain in the Indonesian sector. I found greater consistency in the results of atmospheric teleconnection changes over the last 6000 years, via the Walker circulation and the Intertropical Convergence Zone (ITCZ). Comparison with speleothems in the Indonesian sector showed agreement with changes in the position of the ITCZ. Interpretations of coral hydrological changes emphasized the regional complexity of the Indonesian sector.In conclusion, the various aspects addressed in this PhD thesis highlight the importance of considering variability in a changing mean state context, emphasizing the crucial role of transient simulations in understanding chaotic changes over time. The results open new avenues for analyzing long-term climate variability, taking into account the specificities of each climate reconstruction.