La Méditerranée Nord-Occidentale, ou bassin Liguro-Provençal, est l'un des rares sièges de la convection océanique profonde, un phénomène localisé et intermittent dans l'océan global. Ce phénomène est d'une importance primordiale pour la redistribution verticale de chaleur, de dioxyde de carbone et d'éléments biogéochimiques par l'océan, et donc pour le climat et la biologie marine. Le travail de thèse s'inscrit dans le cadre du programme HyMeX, il vise à caractériser le phénomène de convection dans le bassin Liguro-Provençal à partir du cas d'étude de l'année 2012-2013 et à comprendre l'impact de la variabilité intrinsèque océanique et de la dynamique de méso-échelle sur la convection en 2012-2013 et aux échelles climatiques.
Pour répondre à ces questions, on a développé deux approches numériques novatrices. On a réalisé des simulations d'ensemble à état initial perturbé pour documenter l'impact de la variabilité intrinsèque océanique sur la convection. L'outil de raffinement de maille AGRIF a été implémenté dans le modèle régional NEMOMED12 pour documenter l'impact de la méso-échelle sur la convection océanique profonde et sur la circulation thermohaline.
Le travail de thèse a tout d'abord porté sur l'estimation du taux de convection et de restratification océanique lors de l'hiver 2012-2013 et des incertitudes associées. Une Expérience de Simulation d'un Système d'Observations (OSSE) a été développée pour estimer l'erreur d'observation totale sur la mesure des transformations d'eaux profondes. On conclut à la validité des observations du réseau MOOSE pour estimer les taux de convection et de restratification. On caractérise d'année 2012-2013 comme exceptionnellement convective avec un taux de convection de 2.3pm0.5Sv (1Sv=10^6m^3/s) et on estime un taux de restratification de 0.8pm0.4Sv.
On utilise par la suite les observations de la période 2012-2013 pour évaluer le modèle numérique NEMOMED12. Il reproduit la chronologie de la convection profonde de Janvier à Mars 2013, sa localisation principalement au large du Golfe du Lion bien qu'avec un biais vers le Sud. Il reproduit de façon réaliste le taux de convection mais pas la salinisation et le réchauffement des eaux profondes, en partie en raison d'une surestimation de la perte de chaleur en surface.
On étudie l'impact de la variabilité intrinsèque océanique sur la convection profonde. Elle module largement la géographie du patch convectif, en particulier dans l'océan intérieur. Aux échelles climatiques, la variabilité intrinsèque module largement la variabilité interannuelle du taux de convection. En moyenne climatologique, elle module aussi la géographie de la convection, mais elle impacte marginalement son intensité et les propriétés des eaux profondes formées.
Enfin, on étudie l'impact de la dynamique de méso-échelle sur la convection profonde lors de la période 2012-2013 et sur la circulation thermohaline lors de la période historique 1979-2013. Sur le cas d'étude de 2012-2013, la méso-échelle augmente le réalisme de la convection. On a montré sur cette période qu'elle augmente l'impact de la variabilité intrinsèque océanique sur la convection. Sur les deux périodes, elle diminue l'intensité moyenne de la convection et réduit les transformations des eaux profondes. Elle modifie la circulation moyenne des courants de bord et de plusieurs tourbillons de méso-échelle du bassin, ce qui a un large impact sur la flottabilité de la colonne d'eau et donc sur la convection profonde. Son impact aux échelles de temps hebdomadaire à interannuelle module aussi fortement la géographie du phénomène de convection profonde. Par ailleurs, sur la période historique, elle augmente les échanges avec le bassin Algérien, ce qui modifie les propriétés de ses masses d'eau. Enfin, sur
cette période, elle a un large impact sur la
Transition Est-Méditerranéenne. Ces éléments sont susceptibles d'altérer les échanges atmosphère-océan et le climat côtier voire régional Méditerranéen. |
The northwestern Mediterranean sea, also named the Liguro-Provençal basin, is one of the few places where ocean deep convection occurs, as it is a localized and intermittent phenomenon in the global ocean. This phenomenon is of paramount importance for the vertical redistribution of heat, carbon dioxyde and biogeochemical elements, and therefore for climate and marine biology. The PhD has been done in the framework of HyMeX programme, it aims at characterizing the ocean deep convection phenomenon in the Liguro-Provençal basin from the year 2012-2013 case study and at understanding the impact of ocean intrinsic variability and mesoscale dynamics on deep convection in the 2012-2013 period and at climatic timescales.
To investigate those issues, we have developped two novel numerical approaches. We have carried out perturbed initial state ensemble simulations in the Mediterranean sea to assess the impact of ocean intrinsic variability on convection. In addition, AGRIF refinement tool has been implemented within NEMOMED12 regional model to assess the impact of mesoscale on ocean deep convection and thermohaline circulation.
The PhD work has first focused on the estimation of the deep water formation and restratification rate during winter 2012-2013 and on their associated uncertainties. An Observing System Simulation Experiment (OSSE) was developed to estimate the total observation error on the measurement of dense water volume transformations. We conclude on the validity of MOOSE network observations to estimate the deep convection and restratification rate. We characterize the period 2012-2013 as an exceptionally convective with a deep water formation rate of 2.3pm0.5Sv (1Sv=10^6m^3/s) and we estimate for the first time a spring restratification rate of 0.8pm0.4Sv.
We then use observations from the period 2012-2013 to evaluate NEMOMED12 model. It reproduces the chronology of deep convection from January to March 2013, its location mostly off the Gulf of Lions although with a southward shift. It reproduces accurately the deep convection rate, but not the deep water saltening and warming signal, partly due to a surface heat loss overestimation.
We study the impact of ocean intrinsic variability on ocean deep convection. It largely modulates the mixed patch geography, in particular in the interior ocean. At climatic timescales, intrinsic variability largely modulates the deep convection rate interannual variability. On average over the historical period, it also modulates the mixed patch geography, but it impacts marginally its magnitude and the properties of the deep water formed.
Finally, we study the impact of mesoscale dynamics on deep convection over the period 2012-2013 and on thermohaline circulation over the historical period 1979-2013. In the 2012-2013 case study, mesoscale improves the simulated convection realism. We show in that period that it also increases the impact of ocean intrinsic variability on deep convection. In both periods it decreases the mean deep convection rate and it reduces deep water transformations. It modifies mean boundary current and mesoscale eddy circulation, which impacts largely the water column buoyancy and therefore deep convection. Its impact at weekly to interannual timescales also strongly modulates geography of the deep convection phenomenon. Also, in the historical period, it increases exchanges with the Algerian basin, which modifies water mass properties. Finally, it impacts largely in that period the Eastern Mediterranean Transient. Those elements are likely to alter air-sea interactions and the coastal to regional Mediterranean climate. |