Interactions between Tropical Cyclones and the Ocean : linking event scale processes to climate scale consequences
Interactions entre les Cyclones Tropicaux et l'Océan : de l'échelle synoptique à l'échelle climatique
Résumé
Tropical Cyclones' (TCs) intensity heavily depends on the processes occurring at the air-sea interface. TCs draw their energy from the warmth of the ocean surface but they induce a sea surface cooling (Cold Wake CW) that negatively feeds back on their intensity. This dissertation first describes the processes explaining the surface cooling along with the characteristics of the TC and of the ocean that control its magnitude. Three main processes participate in the CW : vertical mixing, surface heat fluxes (mainly evaporation) and advection. By mixing together warm water from the surface and cold water from below, the first process cools the surface while warming the sub-surface. Mixing is responsible for the major part of the cooling right under the TC and is thus the key process of the CW feedback. By contrast, surface heat fluxes poorly contribute to the cooling right under the TC but they cool the ocean surface over very large regions. Horizontal advection participates in cooling by surface divergence of warm water and modifies the shape of the CW. In this thesis, I define an index integrating the wind power during the TC passage (Wind Power index; WPi) and show that the CW magnitude increases with WPi. However, for a given wind power, the state of the ocean sub- surface modulates the magnitude of the CW by a factor of 10 ! To account for this control of the CW by the ocean sub-surface, I propose an index measuring the potential energy of the oceanic stratification (Cooling Inhibition index ; CI). These results have been made possible thanks to an experimental setup allowing the simu- lation of oceanic response to TCs for a moderate numerical cost. It allows a statistical analysis of the CW characteristics induced by more than 3,000 TCs over the last 30 years. By directly simulating the ocean response to TCs within a global ocean model, it also allows to link the processes occurring at the event scale to their effect on the ocean at climatic scale. Warm water injected in the sub-surface by mixing under TCs has been suggested to modify the global ocean heat transport (OHT). However, warm anomalies injected in the sub-surface during the cyclonic season (local summer) hardly reach depth below the seasonal thermocline. Mixed layer deepening in winter reabsorb these warm anomalies, hence considerably reducing the potential effect of TCs on the OHT. On the other hand, enhanced surface heat fluxes by TCs act to significantly cool cyclonic basins during summer. Adding this to the winter surface warming evoked above, this process leads to a 10% reduction of surface temperature seasonal cycle within TC basins. Finally, this thesis open perspectives for a better understanding of how TCs' activity may be affected by the natural and anthropogenic variability of ocean characteristics.
Les processus qui se déroulent à l'interface air-mer ont une importance cruciale pour les cyclones tropicaux (TCs). Les TCs tirent leur énergie de la chaleur de l'océan superficiel mais induisent aussi un refroidissement en surface : le sillage froid (ou Cold Wake CW) qui exerce une rétroaction négative sur leur intensité. Cette thèse détaille tout d'abord les processus impliqués dans le refroidissement de surface ainsi que les caractéristiques du cyclone et de l'océan qui en contrôlent l'amplitude. Trois proces- sus principaux participent à la CW : le mélange vertical, les flux de chaleur en surface (dominés par l'évaporation) et l'advection. Le mélange vertical homogénéise les eaux chaudes de surface et les eaux froides sous-jacentes, refroidissant la surface tout en réchauffant la sub-surface. Il est responsable de la majeure partie du refroidissement sous le TC et est donc le processus clé de la rétroaction de la CW. Les flux de chaleur contribuent peu au refroidissement sous le TC, mais ils refroidissent sur de larges régions. Enfin, l'advection horizontale fait diverger les eaux chaudes en surface et participe à modifier la forme de la CW. Dans cette thèse, je définis un indice de puissance du vent intégré pendant le passage du TC (WPi pour Wind Power index) et montre que l'amplitude de la CW augmente linéairement en fonction du WPi. Cependant, pour une puissance de TC donnée, l'état de l'océan de sub-surface module l'amplitude de la CW d'un facteur 10 ! Afin de décrire le contrôle de la CW par l'océan de sub-surface, je propose un indice mesurant l'énergie potentielle associée à la stratification océanique (CI pour Cooling Inhibition index ). Ces résultats sur le contrôle de la CW ont été obtenus grâce à un dispositif expérimental simulant la réponse océanique aux TCs à un coût numérique modéré. Cette approche permet une analyse statistique des caractéristiques des CWs induites par les ∼3,000 TCs observés sur les 30 dernières années. En modélisant la réponse océanique aux TCs directement dans un modèle de circulation océanique mondiale, ce dispositif expérimental permet aussi de faire le lien entre les processus océaniques à l'échelle des TCs et leur effet sur l'océan à l'échelle climatique. Il a été suggéré que la chaleur injectée en sub-surface par le mélange vertical sous les TCs peut modifier le transport de chaleur océanique global (OHT). Cependant, les anomalies chaudes injectées en sub-surface par les TCs en été ne pénètrent guère au-delà de la thermocline saisonnière. L'approfondissement de la couche mélangée en hiver a pour effet de réinjecter ces anomalies dans l'atmosphère, ce qui limite considérablement l'influence des TCs sur l'OHT. En revanche, les flux de chaleur sous les TCs refroidissent significativement les bassins cycloniques en été. Associé au réchauffement hivernal évoqué ci-dessus, ce processus réduit d'environ 10% l'amplitude du cycle saisonnier de température dans les bassins cycloniques. Finalement, la thèse ouvre des perspectives pour comprendre comment les modifications océaniques liées à la variabilité climatique naturelle et anthropique peut moduler l'activité cyclonique.