Sources of the Atlantic Cold Tongue Interannual Variability
Sources de la variabilité interannuelle de la langue d'eau froide Atlantique
Résumé
The Atlantic cold tongue is a seasonal cooling of the sea surface temperature south of the Equator between the African coasts and around 30°W during the « cold season » (from May to October). The cooling occurs every year but its intensity, duration and spatial extent vary strongly from one year to another. In spite of the very strong coupling between the Atlantic cold tongue and the West African monsoon, the origin of the Atlantic cold tongue variability is not well described. This thesis aims at filling this gap by improving our understanding of the oceanic processes controlling the variability of the Atlantic cold tongue.
This study focuses on « intense » Atlantic cold tongue events, defined by abnormally strong (weak) cooling, preceded by negative (positive) zonal wind anomalies. Thus « canonical » being studied, that are the most frequent and probably similar in terms of mechanisms. This classification is applied to ten reanalyses and allows to select with good confidence, five events in each group.
These events are studied through realistic simulations. The use of on-line heat budget allows to identify the physical processes that control the formation of cold and warm events. Vertical mixing at the base of the mixed layer is the fundamental process controlling the interannual variability of the cold tongue. During cold events, it increases the cooling between March and July, while it remains weak during warm events. During boreal summer, vertical mixing anomalies are balanced by horizontal advection anomalies of opposite sign. So cold (warm) events are weakened (extended) at the end of the season.
This thesis highlights that it is more appropriate to focus on the wind energy flux because it is more directly related to the activation of vertical mixing, rather than on the surface wind stress. The wind energy flux is relevant since it is also shown to play a major role during intense « non-canonical » events. Finally, the modulation of the vertical velocity induced by the wind tends to adjust i) the mixed layer depth, ii) the intensity of the thermocline, and iii) the vertical shear of the zonal current. These are key parameters of vertical mixing and therefore the cooling rate. Thus, vertical velocity plays an indirect role in the establishment and interannual variability of the Atlantic cold tongue.
La langue d’eau froide Atlantique est un refroidissement saisonnier qui affecte les eaux superficielles au sud de l’équateur entre les côtes africaines et 30°W environ, pendant la « saison froide » (entre mai et octobre). Ce phénomène se produit tous les ans, mais son intensité, sa durée, ainsi que son extension spatiale sont très variables d’une année sur l’autre. En dépit du couplage très marqué qui lie la langue d’eau froide et les premiers stades de la mousson Africaine, les causes de cette variabilité interannuelle sont peu connues. Cette thèse a pour objectif de combler cette lacune en améliorant notre compréhension des processus océaniques contrôlant la variabilité interannuelle de la langue d’eau froide.
Cette étude se focalise sur les événements « intenses» de la langue d’eau froide, correspondant à des refroidissements anormalement forts (faibles), précédés par des anomalies négatives (positives) de vent zonal. On se focalise ainsi sur les événements dits « canoniques », les plus nombreux, et potentiellement similaires en terme de mécanisme. Cette classification, appliquée à une dizaine de ré-analyses, permet de retenir avec une robustesse certaine, cinq années dans chacune des classes.
Ces événements sont étudiés grâce à des simulations numériques réalistes. L’utilisation de bilans de chaleur nous a permis d’accéder aux processus physiques qui contrôlent la formation des événements froids et chauds. Le mélange vertical à la base de la couche de mélange apparaît comme le processus fondamental de la variabilité interannuelle de la langue d’eau froide. Lors des événements froids, il accroît le refroidissement entre mars et juillet, alors que son rôle reste discret lors des événements chauds. Au milieu de l’été boréal, les anomalies de mélange vertical sont contrebalancées par des anomalies d’advection horizontale de signes opposés. Ainsi les événements froids (chauds) ont tendance à être affaiblis (prolongés) en fin de saison.
Cette thèse précise montre qu’il est plus pertinent de s’intéresser au flux d’énergie cinétique qui est plus directement lié à l’activation du mélange vertical, que la tension de vent en surface. Le flux d’énergie cinétique semble d’autant plus pertinent qu’il joue aussi un rôle majeur lors des événements intenses « non canoniques » Enfin, la modulation de la vitesse verticale induite par le vent tend à ajuster i) la profondeur de la couche de mélange, ii) l’intensité de la thermocline, et iii) le cisaillement vertical de courant zonal. Ce sont des paramètres clés du mélange vertical et donc du taux de refroidissement. La vitesse verticale joue donc un rôle indirect dans l’établissement et la variabilité interannuelle de la langue d’eau froide.