La région d'upwelling de frontière Est du Pacifique Sud-Est (SEP) est l'une des zones océaniques les plus productives sur le plan biologique à l'échelle mondiale, ce qui lui confère une grande importance pour la sécurité alimentaire et les activités socio-économiques. Ces dernières années, les vagues de chaleur marine ont attiré l'attention de la communauté scientifique en raison de leurs effets délétères, qui devraient être exacerbés par le changement climatique, un problème auquel le SEP est particulièrement vulnérable. Récemment, de nouveaux modes climatiques couplés air-mer ont été identifiés dans tous les principaux systèmes d'upwelling côtière et ont été baptisés Niños côtiers. Au large du Chili central, un tel mode, appelé Chile Niño/Niña, se produit et détermine une part substantielle de la variabilité locale de la température de surface de la mer. Améliorer notre capacité à prévoir de tels événements est un défi important qui a des implications sociétales claires pour les pays proches de la côte ouest de l'Amérique du Sud. Dans cette thèse, nous avons étudié les mécanismes sous-jacents de Chile Niño/Niña et ses changements prévus dans le cadre du changement climatique. Pour ce faire, nous avons utilisé des observations, des produits de réanalyse et un ensemble de modèles d'une grande complexité, allant de modèles conceptuels simples et de modèles basés sur des données, à des modèles climatiques complets. Un modèle régional couplé de complexité intermédiaire a également été développé. Nous constatons que l'oscillation du Pacifique Sud (SPO) et El Niño-Oscillation australe (ENSO) sont des précurseurs de Chile Niño/Niña, tandis que le mode méridien du Pacifique Sud (SPMM) y est étroitement lié. En outre, nous montrons que la variabilité quasi-annuelle de Chile Niño/Niña peut être interprétée comme résultant d'un processus de tonalité combinée entre ENSO et le cycle annuel, tandis que sa variabilité décennale découle en partie du rougissement océanique du bruit atmosphérique lié à la variabilité décennale du Pacifique tropical. Ensuite, en utilisant un ensemble de 62 modèles, nous démontrons que les modèles CMIP5 et 6 sont capables de simuler les principales caractéristiques spatio-temporelles de Chile Niño/Niña. Les modèles ont également tendance à simuler trop de Chile Niñas, ce qui se traduit par une asymétrie plus faible que dans les observations. Nous avons également étudié les changements des propriétés de Chile Niño/Niña dans le cadre du changement climatique en nous basant sur un ensemble de 36 modèles CMIP5/6. Nous constatons une augmentation modeste de sa variabilité, qui est due à une augmentation de l'amplitude plutôt qu'à une augmentation du nombre d'événements. Ces changements résultent d'une interaction entre des processus locaux et lointains, y compris une augmentation (diminution) de la variabilité ENSO (SPO) et des changements dans les processus locaux avec des effets opposés. Ensuite, en réalisant une série d'expériences avec un modèle atmosphérique régional couplé à une configuration océanique en dalle, nous constatons que les événements Chile Niño/Niña peuvent se produire en l'absence de dynamique océanique et peuvent résulter d'une dynamique purement interne. Les bilans thermiques de la couche de mélange révèlent que, si le rayonnement d'ondes courtes est un processus clé pour induire le développement de Chile Niño/Niña, il existe une diversité dans l'équilibre entre les processus de flux de chaleur et que le changement de la profondeur de la couche de mélange n'est pas nécessaire au développement de l'événement. Certains événements ont également besoin de la dynamique des océans pour atteindre une amplitude réaliste. Nous démontrons également son lien étroit avec le SPMM, ce qui suggère qu'il pourrait faire partie d'un mécanisme reliant la variabilité tropicale et celle des moyennes et hautes latitudes à des échelles de temps interannuelles à décennales. |
The eastern boundary upwelling region of the southeastern Pacific (SEP) is one of the most biologically productive oceanic areas on a global scale, which makes it highly important for food security and socio economic activities. Over recent years, marine heat waves have attracted the attention of the scientific community due to their deleterious impacts, which are projected to be exacerbated by climate change, an issue to which the SEP is particularly vulnerable to. Recently, new air-sea coupled climate modes have been identified in all major coastal upwelling systems and have been named Coastal Niños. They are thought to interact with basin-scale climate variability although it is not clear the extent to which current generation of global climate models realistically account for their statistical properties. Off Central Chile, such a mode, called Chile Niño/Niña, takes place and drives a substantial share of the local sea surface temperature variability. Improving our ability to predict these events is a significant challenge with clear societal implications for the countries close to the west coast of South America. In this thesis we investigated the underlying mechanisms of Chile Niño/Niña and its projected changes under climate change. For this we made use of observations, reanalysis products and a set of models of a wide range of complexities, from simple conceptual models and data-driven models, to full-physics climate models. A regional coupled model of intermediate complexity was also developed. We find that the South Pacific Oscillation (SPO) and the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) are precursors of Chile Niño/Niña, while the South Pacific Meridional Mode (SPMM) has a close connection with it. Further, we show that Chile Niño/Niña near-annual variability can be interpreted as resulting from a combination tone process between ENSO and the annual cycle, while its decadal variability partly stems from oceanic reddening of atmospheric noise linked to Tropical Pacific Decadal Variability. Following, using an ensemble of 62 models, we demonstrate that CMIP5 and 6 models are skillful in simulating the main spatio-temporal characteristics of Chile Niño/Niña. Models also tend to simulate too much Chile Niñas resulting in a weaker asymmetry than in the observations. We also investigated the changes of Chile Niño/Niña properties under climate change based on an ensemble of 36 CMIP5/6 models. We find a modest increase in its variability, which is shown to be due to an increase in amplitude rather than an increase in the number of events. These changes result from an interplay of local and remote processes, including an increase (decrease) in ENSO (SPO) variability and changes in local processes with opposite effects. Amongst the local processes investigated, only the changes on the thermocline feedback show a high correlation with the change in Chile Niño/Niña variability amongst the models, emphasizing the key role of mean stratification changes along the coast. Thereafter, by performing a set of experiments with a regional atmospheric model coupled to a slab ocean configuration, we find that Chile Niño/Niña events can take place in the absence of ocean dynamics and can arise from purely internal dynamics. Mixed-layer heat budgets reveal that, while shortwave radiation is a key process to induce Chile Nino/Nina development, there is a diversity in the balance between heat flux processes and that change in mixed layer depth is not necessary for its development. Some events also need ocean dynamics to reach realistic amplitudes. Overall, we show that Chile Niño/Niña variability involves a wide diversity of local processes, and can be sustained under varied forcing conditions. We also demonstrate its tight connection with the SPMM, which suggests it could be part of a mechanism linking tropical and mid-to-high latitude variability at interannual to decadal timescales. |