The Bay of Bengal (BoB) located in the Northern Indian Ocean is forced by intense seasonally reversing monsoon winds. Heavy rainfall and huge river runoff associated with the southwest monsoon makes the bay the freshest region in the tropical ocean. This surface fresh water flux induces strong near surface salinity stratification, which reduces the vertical mixing and maintains high sea surface temperatures that maintain deep atmospheric convection and rainfall. This intense near surface haline stratification has therefore profound implications on the air-sea exchanges, and on the climate of the neighboring countries. The goal of my thesis is to improve the description of the variability of Sea surface salinity (SSS) in the BoB and to understand the oceanic and atmospheric processes driving this variability at both seasonal and interannual timescales.
Existing climatologies allowed to reveal a marked seasonal cycle of SSS with an intense freshening of the northern part of the basin during fall that subsequently spreads along the western boundary of the basin. This fresh pool finally erodes during winter, to reach its minimal extent in spring. The paucity of in-situ SSS observations however prevented to monitor the interannual fluctuations around this seasonal picture. The recent development of SSS remote-sensing capabilities (with SMOS and AQUARIUS satellites) may help with that regard. However this is particularly challenging in the case of a small basin such as the Bay if Bengal, because of the potential contamination of the SSS signal in the near coastal environment by radio frequency interferences and land effects. A thorough validation of these satellite products to an exhaustive gridded in-situ dataset show that Aquarius accurately captures observed seasonal and interannual SSS evolution everywhere in the BoB while SMOS does not perform better than existing climatologies, advocating for drastic improvements of its SSS retrieval algorithm there. Analysis of Aquarius and the gridded in-situ product also reveals that the largest SSS fluctuations (both at seasonal and interannual timescales) occur at the head of the Bay near the Ganga-Brahmaputra river mouth and along the eastern coast of India shortly after the summer monsoon.
The short time span of the Aquarius data and the paucity of the in-situ observations however prevented a proper assessment of the mechanisms driving these seasonal and interannual SSS variability. To reach that goal, I therefore used a regional simulation of an ocean general simulation model, forced with altimeter-derived estimates of the river runoffs and precipitations over the past twenty years, and that accurately simulates the seasonal and interannual SSS fluctuations. My results show that the strong seasonal freshening that occurs shortly after the monsoon in the northern part of the Bay results primarly from the Ganges-Brahmaputra river discharge. Interannual fluctuations of this freshening are driven both by interannual variations of the Ganga-Bramaputra river runoffs right after the monsoon and by wind stress fluctuations from winter to spring. Horizontal advection by the southward flowing coastal current is responsible for the seasonal southward expansion of fresh pool from the northern BoB to the east coast of India. The interannual SSS variability in this region is remotely controlled by the Indian Ocean Dipole variability, that drives coastal Kelvin waves propagating to the eastern coast of India. These waves act to modulate the intensity of the coastal current and the related advection of fresh water from the northern part of the Bay. Contrary to what was thought before, we showed that the salt influx into the upper BoB (necessary to maintain its long-term haline equilibrium) occurs primarily through turbulent vertical exchanges with the underlying saltier waters, rather than by horizontal exchanges with the rest of the Indian ocean. |
Le Golfe du Bengale (GdB), dans l'océan indien Nord, est sous l'influence d'intenses vents de mousson, qui se renversent saisonnièrement. Les fortes pluies et les apports fluviaux associés à la mousson de Sud-Ouest font du GdB la région la moins salée des océans tropicaux. Ce flux d'eau douce génère une forte stratification en sel proche de la surface, qui contribue à limiter le mélange vertical, ce qui maintient des températures de surface élevées et favorise la convection atmosphérique et les pluies. Cette stratification en sel a ainsi des implications profondes sur les échanges air-mer et sur le climat des pays riverains. L'objectif de ma thèse est d'améliorer la description de la variabilité de la salinité de surface (SSS) du GdB, et de comprendre ses mécanismes aux échelles de temps saisonnières à interannuelles.
Les climatologies existantes ont permis de mettre en évidence un cycle saisonnier marqué de la SSS, avec un dessalement intense de la partie Nord du bassin pendant l'automne, suivi par une expansion de ces eaux dessalées le long du bord Ouest du bassin. Cette langue dessalée s'érode finalement pendant l'hiver, pour revenir à son extension minimale au printemps. Cependant, la rareté des observations in situ de SSS ne permet pas d'observer les fluctuations interannuelles autour de ce cycle saisonnier. Le développement récent de la télédétection spatiale de la SSS (missions SMOS et AQUARIUS) a ouvert de nouvelles opportunités à cet égard. Cette technologie reste toutefois délicate dans le cas d'un bassin de petite taille tel que le GdB, du fait des contaminations éventuelles du signal de SSS par les interférences radio et par les sources d'origine continentale. Une validation systématique des produits satellites par comparaison à un jeu de données in situ exhaustif montre qu'Aquarius capture de façon réaliste les évolutions saisonnières et interannuelles de la SSS partout dans le GdB. A l'inverse, SMOS ne parvient pas à restituer une salinité meilleure que les climatologies existantes. L'analyse des données Aquarius et de notre produit in situ révèlent également que les plus fortes fluctuations saisonnières et interannuelles de SSS apparaissent dans le Nord du GdB, près de l'embouchure du Gange-Brahmapoutre et le long du bord Ouest, peu après la mousson d'été.
La durée limitée des données Aquarius et la rareté des observations in situ empêchent une évaluation adéquate des mécanismes pilotant cette variabilité saisonnière et interannuelle. En conséquence, nous avons utilisé une simulation régionale d'un modèle de circulation océanique, forcé sur les vingt dernières années. Mes résultats montrent que les apports fluviaux du Gange-Brahmapoutre pilotent le fort dessalement saisonnier qui se produit peu après la mousson d'été dans le Nord du Golfe du Bengale. Les fluctuations interannuelles de ce dessalement sont pilotées par les variations interannuelles du débit du Gange-Brahmapoutre à l'issue de la mousson d'été, ainsi que par les fluctuations de la tension de vent en hiver et au printemps. L'advection horizontale induite par le courant de bord Ouest s'écoulant vers le Sud est responsable de l'extension de la langue d'eau dessalée depuis le Nord du GdB le long du bord Ouest. La variabilité interannuelle de la SSS dans cette région est forcée à distance par la variabilité du Dipôle de l'Océan Indien, qui déclenche des ondes de Kelvin côtières se propageant jusqu'au bord Ouest. Ces ondes modulent l'intensité du courant de bord et de son advection vers le Sud des eaux douces du Nord du GdB. Contrairement à ce qui était connu jusqu'alors, nous avons finalement montré que l'apport d'eau salée dans les couches superficielles du GdB (nécessaire pour l'équilibre à long terme de la SSS du bassin) se produit essentiellement via les échanges verticaux turbulents avec les eaux de subsurface salées, et non pas via les échanges horizontaux avec le reste de l'Océan Indien. |