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Thèse Année : 2023

Interactions between kelvin and tropical instability waves in the equatorial pacific ocean

Interactions entre les ondes de kelvin et les ondes d'instabilité tropicale dans l'océan pacifique équatorial

Résumé

The tropical mean climate is the result of a tight interplay between the ocean and overlaying atmosphere. Any perturbations of this subtle balance can trigger intense oceanic and atmospheric responses, resulting in a strong climate variability over a wide range of time scales. In particular, the Eastern Equatorial Pacific (EEP) is home to the El Niño/Southern Oscillation (ENSO), the strongest year-to-year climate fluctuation with widespread effects on global climate, weather patterns and societies. Despite tremendous progress in ENSO research over the last two decades, considerable challenges remain to understand its newly recognized pattern diversity and temporal complexity. Nonlinear processes and associated time scales interactions have been pointed out as a source of irregularity for ENSO and the climate variability in general. Among others, high frequency oceanic processes such as the intraseasonal tropical variability have been suggested to play a significant role in ENSO onset, evolution, termination, spatial diversity and temporal complexity. In particular, intraseasonal Kelvin waves (IEKWs) and Tropical Instability Waves (TIWs) are essential components of the tropical Pacific coupled climate variability. While downwelling IEKWs are precursors of ENSO, TIWs can contribute to its asymmetry by mixing more/less warm off-equatorial and cold tongue waters during La Niña/El Niño. While both Kelvin waves and TIWs have long been recognized to be part of a complex interplay of time scales interactions in the equatorial Pacific, far fewer studies have highlighted the potential for interactions between them. Yet the few studies that have addressed this issue have suggested that their interaction can lead to strong impacts in the eastern equatorial Pacific. The purpose of this thesis is to provide a better picture of the nonlinear interactions occurring at intraseasonal time scales between the transient TIWs mesoscale activity and equatorial Kelvin Waves. By documenting for the first time their interaction from satellite observations over a period spanning almost 30 years, we evidence that 42% of the variance of TIWs-induced intraseasonal sea level anomalies are associated with Kelvin Waves activity. Then, the analysis of two types of simulations' ensembles of the tropical Pacific basin, one with the full mesoscale activity associated with the presence of TIWs, the other without non-linear terms in the momentum equation to damp the TIWs variability, reveals a strongly asymmetric response of TIWs to the passage of IEKWs between their two different phases. In particular, we observe that the passage of upwelling IEKWs induces a much larger increase in the barotropic instabilities in the upper-ocean and baroclinic instabilities in the subsurface layer than of downwelling IEKWs. In addition, we show that the interaction between TIWs and IEKWs can promote substantial changes in nonlinear heat advection in the eastern equatorial Pacific, which may have strong implications for the oceanic teleconnection between the western and eastern Pacific and the low-frequency variability in this key region for the ENSO.
Le climat tropical moyen est le résultat d'une interaction étroite entre l'océan et l'atmosphère. Toute perturbation de cet équilibre subtil peut déclencher d'intenses réponses océaniques et atmosphériques, entraînant une forte variabilité climatique sur une large gamme d'échelles de temps. En particulier, le Pacifique equatorial est (EEP) siège de l'Oscillation Australe El Niño (ENSO), la plus forte fluctuation climatique interannuelle avec des effets généralisés sur le climat mondial, les phénomènes météorologiques et les sociétés. Malgré les progrès considérables réalisés dans la recherche sur ENSO au cours des deux dernières décennies, de nombreux défis subsitent pour comprendre sa diversité et sa complexité temporelle nouvellement reconnues. Au coeur de cette complexité, les processus océaniques à haute fréquence sont susceptibles de jouer un role important. En particulier, les ondes de kelvin intrasaisonnières (IEKWs) et les ondes d'instabilité tropicales (TIWs) sont des composantes essentielles de la variabilité climatique couplée du Pacifique tropical. Alors que les IEKWs de downwelling sont des précurseurs d'ENSO, les TIWs peuvent contribuer à son asymétrie en mélangeant les eaux plus/moins chaudes hors équatoriale avec les eaux de la cold tongue pendant La Niña/El Niño. Bien que le role des ondes de Kelvin et des TIWs sur ENSO aient été largement étudié de manière séparée, la question de leur interaction reste peu abordée dans la litterature. Outre l'intérêt d'étudier cette question pour mieux comprendre les intéractions d'échelles dans le Pacifique tropical, documenter les processus associés à la dissipation des ondes de Kelvin équatorial represente aussi un objectif pertinent pour l'étude de la teleconnection océanique aux échelles intrasaisonnière le long de la côte ouest de l'Amérique du Sud. Cette thèse vise à mieux comprendre les mécanismes d'interactions non linéaires aux échelles de temps intrasaisonnières entre l'activité mésoéchelle des TIWs et les ondes de Kelvin équatoriales. Elle tire partie de prés de 30 ans de données altimétrique. Nous montrons en particulier que 42% de la variance des anomalies intrasaisonnières du niveau de la mer induites par les TIWs sont associées à l'activité des ondes de Kelvin. En combinant données altimétrique et de température de surface de la mer, nous montrons par ailleurs que ce mode est associé à des niveaux d'advection non-lineaire de chaleur comparable à ceux produits pendant El Niño. Afin de documenter les mécanismes en jeux lors de ces interactions, des simulations numériques sont réalisées à l'aide d'un modèle océanique du Pacifique tropical. L'activité mésoéchelle des TIWs est atténué dans les simulations ou les termes non-linéaires des équations de moments sont remplacés par un terme de diffusion horizontal. En comparant aux simulations de controle pour lesquelles le niveau d'activité des TIWs est réaliste, il est possible de diagnostiquer l'effet du mode d'intéraction sur les processus à partir de l'analyse d'un budget d'énergie cinétique turbulente. Les résultats montrent une asymmetrie marquée de la contribution des instabilités barotropes et baroclines entre les IEKWs d'upwellings et de downwelling. En outre, nous montrons que l'interaction entre les TIWs et les IEKWs peut favoriser des changements significatifs de l'advection non linéaire de chaleur dans le Pacifique équatorial oriental, en accord avec les observations. Nous discutons les implications de nos résultats pour la compréhension de la téléconnexion océanique entre le Pacifique occidental et oriental, ainsi que sur la dynamique ENSO.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04354299 , version 1 (19-12-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04354299 , version 1

Citer

Maria Gabriela Escobar Franco. Interactions between kelvin and tropical instability waves in the equatorial pacific ocean. Oceanography. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2023. English. ⟨NNT : 2023TOU30140⟩. ⟨tel-04354299⟩
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