/ Modes of climate variability in the Tropical Pacific ocean, quantification of non-linearities and rôle on climate shifts
Modes de variabilité climatique dans l'océan Pacifique tropical : quantification des non-linéarités et rôle sur les changements de régimes climatiques
Résumé
ENSO is the dominant mode of climate variability in the Pacific, having widespread socio-economical impacts. ENSO characteristics have been observed to exhibit substantial irregular variability from decadal to millennial timescales. The origin of such richness in ENSO variability timescales is likely due to the combined effects of timescales interaction processes within the tropical Pacific (through self-sustained nonlinear dynamics) and to external forcing (e.g. volcanic activity, changes in greenhouse gases...). In this thesis, we propose a new statistical framework that allows documenting high statistical moments in observed and simulated timeseries and that provides a robust estimation of nonlinearity in the tropical coupled system. As a first step, from the analysis of long-term CGCM simulations and extended reconstructed SST data sets, it is demonstrated that an interaction between interdecadal mean state changes in the tropical Pacific and extreme El Niño events probability occurs. This supports the hypothesis of ENSO variability being rectified at a wide range of frequencies by the slowly varying mean state through nonlinear processes phase-locked to the seasonal cycle alternatively in the Western and Eastern tropical Pacific. We then question to which extent the increase in greenhouse gases can alter the ENSO properties with a focus on its nonlinear character. Taking advantage of the IPCC database and different projections scenarios, nonlinearities are diagnosed in a model ensemble; and a relevant metric of the change in nonlinearity due to climate change is defined. This new metric allows highlighting a zonal see-saw in nonlinearity patterns associated with the change in El Niño characteristics observed in recent years. The traditional 20th century El Niño fingerprint, localized in the Cold Tongue, is robustly displaced westward in a warmer climate leading to El Niño Modoki-type patterns. We relate this switch in El Niño types to a change in nonlinearity pattern from present-day climate to a warmer climate. Secondly, we focused on the eastern tropical Pacific and the Humboldt Current System modelling and especially on the ability of Galapagos Islands and intra-seasonal activity in rectifying their mean state. Unlike recent studies, we put into perspective the role of this archipelago in altering this regional mean state. On the other hand, the intra seasonal Kelvin waves activity has the potential to revitalize the local mean circulation, the vertical stratification and therefore the Eastern Pacific dynamics, which in turn may have the potential to affect ENSO through upscaling effects.
Dans cette thèse, nous nous sommes consacrés au problème d'interaction d'échelles selon deux angles distincts : d'une part une approche globale et grande échelle du système climatique qui nous a permis d'étudier la modulation basse fréquence d'ENSO, d'autre part une démarche plus locale au cours de laquelle nous avons étudié plus particulièrement la dynamique du Pacifique tropical est et du système de courants de Humboldt au large du Pérou. La première partie a été motivée par une approche relativement récente dans la communauté des climatologues. Il s'agit de la question cruciale de la variabilité basse fréquence d'ENSO, et de la possibilité que celle-ci puisse émerger " simplement " du système climatique tropical, sans action extérieure qu'elle soit stochastique ou en lien avec la variabilité des plus hautes latitudesDans ce contexte particulier, il est alors question de mécanismes nonlinéaires pour expliquer comment la stabilité d'ENSO peut être influencée par la variabilité climatique. Ceci a servi d'hypothèse de travail pour l'ensemble de cette thèse. Nous avons ainsi abordé la possibilité qu'ENSO pouvait être rectifié sur des échelles de temps longues (interdécennales) par la modulation de la nonlinéarité elle-même. Pour cela, nous avons utilisé des méthodes mathématiques originales qui nous ont permis d'une part de détecter des changements brusques (statistiquement significatifs) de l'état moyen du Pacifique tropical et d'autre part d'accéder à un proxy de la nonlinéarité intégrée dans le système tropical. En combinant ces deux démarches, nous avons pu mettre en évidence une boucle de rétroaction auto entretenue sur des échelles de temps longues qui serait pilotée par des mécanismes nonlinéaires qui auraient la capacité de faire interférer diverses échelles temporelles et ainsi de transférer l'énergie des basses fréquences (état moyen du pacifique tropical) vers les hautes fréquences (oscillation australe) et vice-versa. Dans la seconde partie de cette thèse nous nous sommes focalisés sur la modélisation climatique du Pacifique tropical oriental. En effet, cette région, pourtant au cœur des préoccupations de la communauté scientifique en raison de son écosystème parmi les plus productifs de la planète, reste mal connue du point de vue des processus océanographiques et climatiques. En particulier, les modèles climatiques globaux présentent des biais importants dans cette région en terme d'état climatologique moyen. Nous avons testé, dans une approche de modélisation haute résolution, différentes sources possibles de ces biais : les caractéristiques bathymétriques des îles Galápagos (mal représentées dans les modèles globaux) capables de par leur position équatoriale de modifier la circulation régionale moyenne et donc le bilan thermodynamique; ou alors les processus associés aux mélanges turbulents (et par extension les processus nonlinéaires) à l'aide d'un modèle régional. Pour ce faire, nous avons procédé à des expériences de sensibilité qui nous ont permis d'une part de relativiser le rôle de l'archipel des Galápagos comme source de biais et d'autre part de mettre en exergue le rôle de la variabilité intra-saisonnière dans la rectification de l'état moyen du Pacifique tropical est.
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