Motivations

Cette thèse aborde diverses thématiques liées aux mécanismes, à la modulation et à la prévision

d’ENSO. Chaque chapitre (du chapitre 2 au chapitre 6) aborde une thématique spécifique et peut être considéré indépendamment, bien que les thématiques soient liées et que le manuscrit suive une progression logique et technique (voir aussi le plan en section 1.4). Par ordre d’apparition, les thématiques suivantes

seront abordées :

- Ch.2 : Le processus de recharge-décharge dans l’océan Pacifique équatorial. - Ch.3 : Le rôle du couplage océan-atmosphère dans la formation d’ENSO.

- Ch.4 : La sensibilité d’ENSO à la stratification océanique.

- Ch.5 : Le rôle de l’état moyen sur lamodulation décennale d’ENSO. - Ch.6 : L’assimilation de données altimétriques dans les modèles d’ENSO.

Chapitre 2 : Dans les théories majeures d’ENSO, l’ajustement de l’océan équatorial à échelle de bassin permet l’oscillation entre phases El Niño et La Niña (Jin, 1997a). Cet ajustement consiste notamment en une évolution du contenu thermique équatorial (Warm Water Volume), qui intègre à échelle interannuelle la propagation et la réflexion des ondes océaniques équatoriales. Il a été décrit dans plusieurs études avec des degrés de complexité différents (e.g. Jin, 1997a; Clarke, 2010; Fedorov, 2010). Nous dériverons un modèle

d’évolution du WWV en nous appuyant sur ces études, avec des hypothèses supplémentaires permettant

d’obtenir des solutions simplifiées. Nous fournirons également un formalisme qui permet d’estimer, additionellement à l’ajustement de l’océan à échelle de bassin, le bilan d’énergie associé (Brown et Fedorov, 2010). Ce formalisme diffère des études précédentes car il considère les premiers modes baroclines d’un

océan continûment stratifié.

Chapitre 3 : L’interaction océan/atmosphere dans le Pacifique équatorial est un élément essentiel de la dynamique ENSO. Le formalisme des instabilités couplées a reçu une grande attention pour comprendre une telle interaction, car il permet d’identifier les échelles et processus dominants qui y sont associés (Neelin et al., 1998). Alors que les diagnostics existants sont basés sur l’analyse de stabilité temporelle, nous

implémenterons un diagnostique original (Huerre et Monkewitz, 1990) qui détermine par ailleurs la nature absolue ou convective des instabilités couplées. Ce diagnostic permettra de discuter le rôle de la variabilité

stochastique de l’atmosphère ainsi que le rôle des réflexions aux frontières dans la formation d’ENSO, qui

sont toujours en partie méconnus (e.g. Weisberg and Wang, 1997).

Chapitre 4 : La dynamique du cycle ENSO est sensible aux caractéristiques de la stratification océanique dans le Pacifique équatorial (Moon et al., 2004; Dewitte et al., 2007; 2009). Cette sensibilité est intéressante à comprendre pour appréhender les changements de dynamique d’ENSO dans un contexte de

réchauffement climatique global, pour lequel les projections des modèles montrent une augmentation significative de la stratification océanique dans le Pacifique équatorial (Timmermann et al., 1999; An et al., 2008). La stratification océanique moyenne modifie en particulier la projection du forcage en vent sur les premiers mode baroclines de l’océan, et ainsi leurs contributions à la dynamique océanique (Dewitte et al., 1999; Dewitte, 2000; Yeh et al., 2001). Nous proposons de traiter ce sujet dans un cadre conceptuel, où nous construirons un modèle réduit couplé qui retient la dynamique essentielle d’ENSO et prend en compte les

premiers modes baroclines d’un océan continûment stratifié. La stabilité du modèle permettra de documenter

la sensibilité d’ENSO à la stratification moyenne de l’océan, et en particulier aux caractéristiques de la thermocline équatoriale. Nous mettrons également en évidence certaines limitations provenant de

l’estimation statistique de la rétroaction de la thermocline (Zelle et al. 2004).

Chapitre 5 : Le cycle ENSO montre une modulation décennale de ses caractéristiques qui est reliée en partie aux changements des rétroactions de l’état moyen du Pacifique équatorial (An et Jin, 2001; Fedorov et Philander, 2001). Plusieurs diagnostics permettent, dans un cadre linéaire, d’étudier cette relation (Jin et al., 2006). Ces diagnostics peuvent s’appliquer par exemple dans les observations, les réanalyses ou les

projections climatiques. Ils permettent de comprendre comment l’état moyen module en partie la variabilité ENSO sur des échelles de temps décennales (An et Wang, 2000; An et Jin, 2000). Par ailleurs, il reste encore à déterminer les rétroactions qui seront les plus influentes pour le changement climatique à venir, afin de pouvoir se prononcer sur une amplification ou une réduction de l’activité ENSO (Collins et al., 2010). Nous utiliserons un modèle réduit couplé pour diagnostiquer les rétroactions de l’état moyen et la stabilité ENSO associée au cours des dernières décennies. Cette approche permettra notamment de comparer la sensibilité

d’ENSO à la stratification océanique, aux rétroactions atmosphériques et thermodynamiques. Nous discuterons aussi jusqu’à quel point notre diagnostic peut rendre compte de l’augmentation récente de l’occurrence des évènements El Niño du Pacifique Central, dont les mécanismes restent partiellement méconnus (Ashok et al., 2007; Yeh et al., 2009; Takahashi et al., 2011).

Chapitre 6 : La simulation et la prévision d’ENSO sont des sujets de grand intérêt, pour lequels les

méthodes d’assimilation de données qui prennent en compte les incertitudes des modèles et des observations peuvent fournir des améliorations significatives (Chen et Cane, 2008). Nous construirons et implémenterons un Filtre de Kalman d’Ensemble (Evensen, 2003) dans un modèle de complexité intérmédiaire du Pacifique équatorial déjà existant (Dewitte, 2000), afin d’assimiler des observations de niveaux de la mer et

d’initialiser des prévisions rétrospectives. Dans la continuité des autres chapitres, nous déterminerons les apports de la méthode d’assimilation sur la dynamique réduite d’ENSO qui est simulée par le modèle. Un élement clé que nous aborderons est la contrainte de l’ajustement de l’océan à échelle de bassin, qui suit le paradigme de recharge/décharge (Jin, 1997a; Meinen et McPhaden, 2000).

English Version

This thesis treats a various topics related to ENSO mechanisms, modulation and forecast. Each chapter (from chapter 2 to chapter 6) treats a specific topic and can be considered independently, though the thematics are related and the manuscript follows a logical and technical progession (see also the plan in section 1.4). In order of appareance, the following topics will be treated:

- Ch.2: The recharge-discharge process in the Pacific equatorial ocean. - Ch.3: The role of the ocean-atmosphere coupling on ENSO formation. - Ch.4: The sensitivity of ENSO to ocean stratification.

- Ch.5: The role of the mean state on the decadal modulation of ENSO. - Ch.6: The assimilation of altimetric data in ENSO models.

Chapter 2: In major ENSO theories, the adjustment of the equatorial ocean at basin scale permits the oscillation between phases of El Niño and La Niña (Jin, 1997a). This adjustment consists notably in an evolution of the equatorial heat content (Warm Water Volume), which integrates at interannual timescale the propagation and reflection of ocean equatorial waves. It has been described in various studies with different degrees of complexity (e.g. Jin ,1997a; Clarke, 2010; Fedorov, 2010). We will derive a model for the evolution of the WWV based on those studies, with supplementary hypotheses that permit to obtain simplified solutions. We will also provide a formalism that allows estimating, additionnaly to the ocean adjustment at basin scale, the associated energy budget (Brown and Fedorov, 2010). This formalism differs from previous studies because it considers the first baroclinic modes of a continuously stratified ocean.

Chapter 3: The ocean/atmosphere interaction in the equatorial Pacific is an essential feature of ENSO dynamics. The formalism of coupled instabilities has been given great focus to understand such interaction, because it permits to identify the leading scales and processes associated to it (Neelin et al., 1998). While existing diagnostics relate on temporal stability analysis, we will implement an original diagnostic (Huerre and Monkewitz, 1990) that further assesses the absolute or convective nature of coupled instabilities. This diagnostic will permit to discuss the role of atmospheric stochastic variability and the role of boundary reflections in the formation of ENSO, which are still partly unknown (e.g. Weisberg and Wang, 1997).

Chapter 4: The dynamics of the ENSO cycle is sensitive to the characteristics of the ocean stratification over the equatorial Pacific (Moon et al., 2004; Dewitte et al., 2007; 2009). This sensitivity is interesting to understand in order to apprehend changes in ENSO dynamics in a context of global warming, for which model projections evidence a significant increase in ocean stratification over the equatorial Pacific (Timmermann et al., 1999; An et al., 2008). The background stratification modifies in particular the projection of wind stress forcing onto the gravest ocean baroclinic modes, and as so their contributions to the ocean dynamics (Dewitte et al., 1999; Dewitte, 2000; Yeh et al., 2001). We propose to treat this topic in a conceptual framework, where we will design a reduced coupled model that retains the essential ENSO

dynamics and takes into account the gravest baroclinic modes of a continuously stratified ocean. The model stability will permit to document the sensitivity of ENSO to the background ocean stratification, and in particular to characteristics of the equatorial thermocline. We will also stress certain limitations arising from the statistical estimation of the thermocline feedback (Zelle et al. 2004).

Chapter 5: The ENSO cycle shows a decadal modulation of its characteristics that is related to some extent to changes in the retroactions of the equatorial Pacific mean state (An and Jin, 2001; Fedorov and Philander, 2001). Various diagnostics permit, in a linear framework, to study this relation (Jin et al., 2006). Those diagnostics can be used for example in observations, reanalyses or climate projections. They permit to understand how the mean state modulates in part the ENSO variability on decadal timescales (An and Wang, 2000; An and Jin, 2000). Also, there is still at this time the need to determine which feedbacks will be most influent for the future climate change, in order to give an opinion on an amplification or a reduction of the ENSO activity (Collins et al., 2010). We will use a reduced coupled model to diagnose mean state feedbacks and associated ENSO stability over the recent decades. This approach will permit notably to compare the sensitivity of ENSO to the ocean stratification, the atmospheric and thermodynamic feedbacks. We will also discuss to which extent our diagnostic can account for the recent increase in the occurrence of Central Pacific El Niño events, which mechanisms remain partially unknown (Ashok et al., 2007; Yeh et al., 2009; Takahashi et al., 2011).

Chapter 6: The simulation and forecast of ENSO is a topic of great interest, for which data assimilation methods that account for uncertainties in models and observations can provide significant improvements (Chen and Cane, 2008). We will design and implement an Ensemble Kalman Filter method (Evensen, 2003) in an already existing intermediate complexity model of the equatorial Pacific (Dewitte, 2000), in order to assimilate sea level observations and to initialize retrospective forecasts. In the continuity of the other chapters, we will assess the improvements from the assimilation method on the low-order ENSO dynamics that is simulated by the model. A key feature that we will overlook is the constraint of the ocean adjustement at basin scale, which follows the recharge/discharge paradigm (Jin, 1997a; Meinen and McPhaden, 2000).