Probl´ematique et questions soulev´ees

Probl´ematique

La variabilit´e intrins`eque oc´eanique est encore mal caract´eris´ee dans le contexte de l’oc´ean global. L’int´egration de mod`eles d’oc´ean globaux `a haute-r´esolution, sur de longues p´eriodes, est rest´ee pendant longtemps difficilement abordable `a cause des moyens de calcul que cela n´ecessite. La r´esolution au 1/4◦ _{permet la simulation de la}

CHAPITRE 1. INTRODUCTION 35

variabilit´e intrins`eque dans le mod`ele r´ealiste NEMO (Penduff et al., 2011; Gr´egorio et al., 2015), mais c’est une ´etape transitoire vers de plus hautes r´esolutions. En effet, un mod`ele au 1/4◦ <sub>ne r´esout que partiellement les tourbillons de m´eso-´echelle</sub> aux moyennes latitudes (Hallberg, 2013). Les moyens techniques et informatiques actuels permettent de r´esoudre l’oc´ean global sur plusieurs d´ecennies avec le mod`ele NEMO au 1/12◦_{. Une telle r´esolution permet ainsi d’investiguer plus finement le} rˆole des tourbillons dans la circulation g´en´erale et dans l’ajustement de l’oc´ean aux variations du for¸cage atmosph´erique. De mˆeme, cette augmentation de r´esolution pourrait am´eliorer la repr´esentation de la variabilit´e intrins`eque oc´eanique, dont l’origine et les processus `a l’oeuvre dans sa g´en´eration sont encore mal compris.

Une des motivations de l’´etude de la variabilit´e intrins`eque est la probable sous- estimation de la variabilit´e oc´eanique basse-fr´equence dans les mod`eles de climat. Les mod`eles utilis´es dans le projet CMIP5, qui ont servi `a dresser les conclusions du cinqui`eme rapport d’´evaluation du GIEC (IPCC, 2013), utilisent des compo- sants oc´eaniques laminaires avec, au mieux, une r´esolution au 1/2◦<sub>. La composante</sub> oc´eanique intrins`eque a donc des chances d’ˆetre absente de ces mod`eles - on peut toutefois nuancer ce point en s’appuyant sur le fait que le couplage pourrait sti- muler certains modes intrins`eques oc´eaniques grandes-´echelles. Au pr´ealable d’une utilisation de mod`eles d’oc´ean `a haute-r´esolution coupl´es `a l’atmosph`ere, il convient donc de caract´eriser les ph´enom`enes oc´eaniques pouvant produire de la variabilit´e intrins`eque oc´eanique. Ils sont en effet susceptibles de modifier en retour la r´eponse du syst`eme climatique coupl´e `a haute-r´esolution.

Le niveau de la mer et la temp´erature de surface

Nous d´ecidons de nous int´eresser plus particuli`erement `a la variabilit´e du niveau de la mer, source d’informations sur la dynamique oc´eanique de surface (car pro- portionnelle `a la fonction de courant g´eostrophique). Le niveau de la mer refl`ete principalement la variabilit´e du premier mode barocline et de la thermocline prin- cipale (Wunsch, 1997). Le niveau de la mer est en outre observ´e `a l’´echelle globale par altim´etrie depuis une vingtaine d’ann´ees d’observations. La longueur de ces s´e- ries temporelles permet d’aborder avec une assez bonne pr´ecision, les questions de la variabilit´e inter-annuelle de la SLA, et de l’´el´evation r´egionale du niveau de la mer. La r´esolution spatiale des donn´ees altim´etriques permet ´egalement d’observer les tourbillons de m´eso-´echelle, et dans une certaine mesure, de r´ealiser des analyses relatives `a la turbulence oc´eanique.

La compr´ehension de la variabilit´e de la SLA constitue un enjeu important face au changement climatique en cours. En effet, l’´el´evation du niveau global des oc´eans est principalement dˆu `a l’expansion thermique de l’oc´ean et `a la fonte des glaciers conti- nentaux, affect´es par les activit´es humaines (Church et al., 2013). Les changements r´egionaux, estim´es sur les vingt ans de donn´ees altim´etriques, refl`etent quant `a eux principalement les variations dynamiques de SLA associ´ees `a la variabilit´e interne du syst`eme climatique (Stammer et al., 2013). Cette variabilit´e interne constitue ´ega- lement une source d’incertitudes dans les pr´evisions climatiques des changements r´egionaux du niveau de la mer (Hu and Deser, 2013), dont certaines r´egions du globe sont sensibles `a de faibles variations (p. ex. l’archipel des Maldives). L’impact

de la variabilit´e intrins`eque oc´eanique sur ces incertitudes n’a pour l’instant pas ´et´e consid´er´e dans les simulations climatiques.

La temp´erature de surface est de mˆeme un indicateur de variabilit´e interne du syst`eme climatique : les modes intrins`eques `a l’atmosph`ere sont susceptibles d’avoir une signature sur la SST (p. ex. NAO, SAM), tout comme les modes de variabilit´e coupl´es du syst`eme oc´ean/atmosph`ere (p. ex. ENSO, PDO), et les modes oc´ea- niques potentiellement intrins`eques (p. ex. AMO). La contribution de la variabilit´e intrins`eque oc´eanique, spontan´ement g´en´er´ee par les non-lin´earit´es oc´eaniques, `a la variabilit´e totale de SST est m´econnue et reste `a quantifier.

Questions soulev´ees

Dans ce manuscrit de th`ese, nous envisageons d’apporter des r´eponses `a quatre questions principales, d´eclin´ees en sous-questions.

— De quel type est la variabilit´e intrins`eque oc´eanique ?

Est-elle purement l’expression d’un chaos d´eterministe (spectre continu) ? Est- elle caract´eris´ee par des oscillations quasi-p´eriodiques comme le sugg`erent les ´etudes id´ealis´ees sur la variabilit´e des courants de bord-ouest ? Quelle est la va- lidit´e du mod`ele d’Hasselman pour d´ecrire le continuum du spectre oc´eanique lorsque l’on consid`ere un oc´ean turbulent ?

— Quelles sont les ´echelles spatio-temporelles impliqu´ees ?

Existe-t-il une organisation grande-´echelle de la variabilit´e intrins`eque oc´ea- nique `a l’image des modes atmosph´eriques ? Quelle est la part de la dyna- mique tourbillonnaire dans la variabilit´e intrins`eque ? Quelles ´echelles de temps atteint-elle : inter-annuelles, d´ecennales, multi-d´ecennales ?

— Quelle est l’influence de la r´esolution du mod`ele sur les caract´eris- tiques de la variabilit´e intrins`eque oc´eanique ?

Les mod`eles de climat CMIP5 sous-estiment-ils la variabilit´e oc´eanique ? En quoi l’augmentation de la r´esolution 1/4◦ <sub>→ 1/12</sub>◦ <sub>modifie-t-elle les caract´e-</sub> ristiques de la variabilit´e intrins`eque ?

— Quels m´ecanismes sont `a l’oeuvre dans un oc´ean r´ealiste parmi ceux identifi´es dans des contextes id´ealis´es ?

Le m´ecanisme de transfert d’´energie cin´etique `a travers les ´echelles de temps, induit par l’advection non-lin´eaire de quantit´e de mouvement, est-il spon- tan´ement `a l’oeuvre dans l’oc´ean ? Quelle est la validit´e du m´ecanisme de l’oscillateur turbulent dans les courants du Gulf Stream et du Kuroshio ?