Influence of tropical instability waves on climate variability in the eastern tropical Pacific
Influence des ondes tropicales d'instabilité sur la variabilité climatique du Pacifique tropical Est
Résumé
Tropics are regions of strong air-sea coupling, in which disturbances of the apparent steady state lead to intense oceanic and atmospheric responses, resulting in a strong climate variability over a wide range of timescales. In the tropical Pacific, the El Niño - Southern Oscillation (ENSO) is the main driver of the interannual variability. The modulation of ocean thermo-dynamics and atmospheric circulation that characterize ENSO can have disastrous ecological and socio-economical impacts. It is therefore of the utmost importance for populations to forecast ENSO events well in advance, and improve the reliability of ENSO projections in our future climate. One way to improve our understanding of ENSO dynamics is to assess its interactions with fine and short scale processes in the ocean and atmosphere. In the tropical eastern Pacific Ocean, Tropical Instability Waves (TIWs) are the main source of mesoscale and intraseasonal variability. These long waves characterized by a wavelength of a thousand kilometers and timescales of ~40 days propagate westward along the equator, advecting and mixing heat, momentum, salinity, and biological tracers. As such, they are a source of non-linearity that affects the tropical spatio-temporal variability. The purpose of this thesis is to provide a better picture of the interactions between the transient mesoscale activity associated with TIWs, and larger-scale climate variability in the eastern tropical Pacific. To do so, a methodology to subtly remove TIWs in numerical simulations of the tropical eastern Pacific is developed and implemented in the CROCO regional ocean model. This methodology, which relies on the online nudging of meridional surface currents toward a prescribed climatology, is thoroughly validated. Limitations are discussed, in particular regarding its potential impact on Rossby waves. Nevertheless, the methodology gives satisfying results while barely impacting other processes. Comparing these experiments to similar control simulations in which TIWs freely develop makes it possible to evaluate and quantify the impact of TIWs on the eastern tropical Pacific mean state and variability. This methodology is applied on an 1/12° ocean-only forced model, and in a 1/14° ocean - 1/4° atmosphere coupled model, using CROCO as the oceanic component, WRF as the atmospheric component and OASIS as the coupler. The analysis of these simulations reveal the existence of direct and indirect effects of TIWs on larger spatial-scales and longer time-scales of the tropical eastern Pacific basin. First, TIWs modify the mean near-surface equatorial temperature distribution through (1) a direct nonlinear dynamical heating at a rate of 0.34 °C/month and (2) an indirect cooling effect of -0.10 °C/month linked to the weakening and deepening of the equatorial undercurrent (EUC) in presence of TIWs. Second, due to their phase locking with the seasonal cycle, TIWs feed back onto the seasonal cycle of the main thermo-dynamical features. The amplitude of near-surface equatorial temperature is decreased by 0.4 °C, due to the TIW-induced warming of equatorial waters in boreal summer and fall. TIWs also modulate the EUC seasonal cycle by stabilizing and weakening it year-round, preventing what appears to be an unrealistic re-intensification found in boreal fall in some non-eddy resolving models. Third, a preliminary study based on the 2015-2018 ENSO case study tends to show a complex TIW-induced modulation of La Niña amplitude and duration arising from a combination of increased nonlinear dynamical heating and mixing. TIWs also seem to modulate the typical ENSO feedbacks which determine the life cycle of ENSO events. In this thesis, the interactions between TIWs and larger-scale climate variability is studied, and the methodology and results that have emerged could serve as a basis for improving parameterizations of non-resolved TIW effects in low-resolution global climate models.
Les tropiques sont des régions d'intense variabilité climatique impliquant une large gamme d'échelles temporelles. Dans le Pacifique tropical, l'Oscillation Australe - El Niño (ENSO) est le principal moteur de la variabilité interannuelle. En modulant la thermodynamique océanique et la circulation atmosphérique, ENSO peut avoir de désastreux impacts écologiques et socio-économiques. Il est donc primordial de pouvoir prévoir cet évènement à l'avance, et d'améliorer la fiabilité des projections d'ENSO dans notre climat futur. Pour ce faire, il est nécessaire de comprendre ses interactions avec les processus océaniques et atmosphériques de fine échelle. Dans l'océan Pacifique tropical Est, les ondes d'instabilité tropicales (TIWs) sont la principale source de variabilité méso-échelle et intra-saisonnière. Ces ondes, de 1000-km de longueur d'onde et de période de ~ 40 jours, se propagent vers l'Ouest le long de l'équateur, advectant et mélangeant chaleur, quantité de mouvement, salinité et traceurs biologiques. Elles sont ainsi une source de non-linéarité qui module la variabilité tropicale. L'objectif de cette thèse est d'améliorer notre compréhension des interactions qui relient TIWs et variabilité climatique grande échelle du Pacifique tropical. Pour ce faire, une méthodologie supprimant subtilement les TIWs des simulations numériques océaniques est développée et implémentée dans le modèle océanique CROCO. Cette méthodologie repose sur le rappel des courants méridiens de surface vers une climatologie prescrite. Bien qu'ayant un potentiel impact sur les ondes de Rossby, cette méthodologie donne de satisfaisants résultats. En comparant ces expériences à des simulations de contrôle dans lesquelles les TIWs se propagent librement, nous pouvons évaluer et quantifier l'impact des TIWs sur l'état moyen et la variabilité du Pacifique tropical. Cette méthodologie est appliquée sur un modèle océanique forcé au 1/12°, et dans un modèle couplé océan (1/14°) -- atmosphère (1/4°), utilisant CROCO comme composante océanique, WRF comme composante atmosphérique et OASIS comme coupleur. L'analyse de ces simulations révèle les effets directs et indirects qu'ont les TIWs sur de plus grandes et longues échelles spatiales et temporelles du Pacifique tropical. Premièrement, les TIWs modifient la répartition de la température équatoriale de surface via (1) un réchauffement non linéaire direct de 0.34 °C/mois et (2) un refroidissement indirect de -0.10°C/mois lié à l'affaiblissement et à l'approfondissement du sous-courant équatorial (EUC) en présence de TIWs. Deuxièmement, en raison de leur synchronisation avec le cycle saisonnier, les TIWs rétroagissent sur le cycle saisonnier des principales composantes thermo-dynamiques du bassin. L'amplitude de la température équatoriale de surface est réduite de 0.4 °C, en raison du réchauffement des eaux équatoriales par les TIWs en été et en automne boréaux. Les TIWs modulent également le cycle saisonnier de l'EUC, le stabilisant et l'affaiblissant tout au long de l'année, ce qui empêche sa ré-intensification probablement irréaliste en automne boréal, obtenue par certains modèles basse résolution. Troisièmement, une étude préliminaire du cycle ENSO de 2015-2018 pointe une modulation complexe de l'amplitude et de la durée de La Niña par les TIWs. Cette modulation résulterait de l'augmentation de l'advection non linéaire de chaleur et du mélange vertical par les TIWs. Les TIWs semblent également moduler les rétroactions qui déterminent le cycle de vie des événements ENSO. Dans cette thèse, les interactions entre les TIWs et la variabilité climatique à plus grande échelle sont étudiées. La méthodologie et les résultats qui en découlent peuvent servir de base à l'amélioration des paramétrisations des TIWs dans les modèles climatiques globaux de basse résolution.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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