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Fiche détaillée Thèses
Université Paul Sabatier - Toulouse III (05/11/2007), Rosemary Morrow (Dir.)
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Les eaux modales de l'Océan Austral
Jean-Baptiste Sallée1

Les eaux modales Subantarctiques (SAMW) sont formées dans la profonde couche de mélange au nord du front Subantarctique (SAF) dans l'Océan Austral. Elles influencent le climat à des échelles décennales et inter-annuelles et jouent un rôle fondamental dans la ventilation de la thermocline de l'Océan Austral. Nous étudions la formation des SAMW en nous fondant sur les récents flotteurs profilants ARGO et sur les dériveurs de surface GDP. Ces jeux de données fournissent une très bonne couverture spatio-temporelle des processus à l'oeuvre dans les couches supérieures de l'Océan Austral. Depuis le lancement du programme international ARGO, le nombre de profils hydrographiques a augmenté de façon considérable dans l'Océan Austral. Une analyse de ces données a montré que les flux air-mer et les flux d'Ekman sont les forçages dominants dans la formation des SAMW. Nous avons trouvé une transition rapide, autour de 70°E, des couches de mélange peu profondes en amont vers des couches de mélange très profondes en aval. Cette transition est associée à un changement de signe de la diffusion tourbillonnaire horizontale dans les couches de surface, et à l'extension méridionale de l'ACC lorsqu'il passe autour du plateau de Kerguelen. Ces effets sont directement liés à la bathymétrie et laissent place à une région de formation des SAMW au Sud-Ouest de l'Australie.

La formation des SAMW est intimement liée à la dynamique océanique Australe et à la position des principaux fronts polaires. Une deuxième étude concerne la circulation de l'ACC et la variabilité frontale. Dans cette étude, nous avons tiré parti de la complémentarité des données in situ et altimétriques afin de suivre l'évolution des deux principaux fronts de l'ACC pendant la période 1993-2005. Nous avons comparé leurs mouvements avec les deux principaux modes de variabilité atmosphérique de l'Hémisphère Sud, le mode annulaire Austral (SAM) et l'Oscillation Australe El-Niño (ENSO). La position moyenne des fronts est déterminée avant tout par les fonds océaniques. Cependant, nous avons trouvé que dans les régions à fond plat, les fronts forment de grands méandres dus à l'activité tourbillonnaire et aux forçages atmosphériques.

En parallèle, nous avons développé une nouvelle estimation de la distribution circumpolaire de la diffusion dans l'Océan Austral. La diffusion n'a presque jamais été étudiée à partir de données in situ dans cet océan. Nous avons calculé une estimation du coefficient de diffusion tourbillonnaire à partir d'une analyse statistique de dix années de trajectoires de dériveurs de surface. Nous avons cartographié ce coefficient dans l'Océan Austral, puis nous l'avons paramétré à partir de données altimétriques pour pouvoir en étudier l'évolution inter-annuelle et en faciliter l'utilisation dans le futur. Cette étude montre que l'Océan Austral est fortement diffusif au nord de l'ACC, et particulièrement près des courants de bord Ouest, c'est à dire dans la Rétroflexion des Aiguilles, dans la région du plateau de Campbell, et dans le courant de Brésil-Malouines.

Ces résultats nous ont menés à une analyse circumpolaire de la formation des SAMW, et à une meilleure conception du lien entre la dynamique océanique Australe et la formation des SAMW. La croissance constante des données hydrologiques du programme ARGO dans l'Océan Austral nous a également permis de mieux représenter la répartition des régions de formation des SAMW. Nous avons trouvé que la diffusion tourbillonnaire joue un rôle majeur dans les budgets de chaleur locaux. Au Sud des courants de bord Ouest, et au nord du SAF, la diffusion tourbillonnaire apporte de la chaleur, équilibrant et même dominant les refroidissements hivernaux dus aux flux d'Ekman et aux flux air-mer. Elle réduit en particulier la déstabilisation de la couche de mélange au nord du SAF dans l'Ouest du bassin Indien, en aval de la Rétroflexion des Aiguilles, et dans l'Ouest du bassin Pacifique, en aval du Plateau de Campbell.
1 :  LEGOS - Laboratoire d'études en Géophysique et océanographie spatiales
Océan Austral – Eaux modales – Tourbillons – Fronts – Couche de mélange – Diffusion.

Subantarctic mode water (SAMW) are formed in the Southern Ocean in the deep winter mixed layers north of the Subantarctic front. They influence the climate at interannual and decadal scales and play a fundamental role in the ventilation of Southern Hemisphere thermocline. We study the details of SAMW formation using the recent deployment of ARGO profiling floats and GDP surface drifters, which provide an excellent space-time coverage of the Southern Ocean upper ocean processes. Since the beginning of the ARGO international program, the number of vertical hydrographic profiles in the Southern Ocean have increased considerably so that nowadays we have a comparable number of profiles to decades of hydrographic ship data. Based on this dataset, we found that the dominant forcing for SAMW formation in winter in the Southern Indian Ocean was due to air-sea and Ekman fluxes. We found a rapid transition to thicker surface mixed layers in the central South Indian Ocean, at about 70°, associated with a reversal of the horizontal eddy heat diffusion in the surface layer and the meridional expansion of the ACC as it rounds the Kerguelen Plateau. These effects are ultimately related to the bathymetry of the region, leading to the seat of formation in the region southwest of Australia.

SAMW formation is tightly linked to the Southern Ocean dynamics and position of the main polar fronts. A second study concerned the ACC circulation and frontal variability. In this study we mixed in-situ and altimeter data to monitor the position of the two main fronts of the ACC during the period 1993-2005. Then, we related their movements to the two main atmospheric climate modes of the Southern Hemisphere, the Southern Annular Mode (SAM) and the El-Nino Southern Oscillation (ENSO). We found that although the fronts are steered by the bathymetry, which sets their mean pathway at first order, in flat-bottom areas the fronts are subject to large meandering due to mesoscale activity and atmospheric forcing.

In parallel, we developed a new estimate of the circumpolar distribution of eddy diffusion in the Southern Ocean. Diffusion has almost never been studied in the Southern Ocean with in-situ data. We analysed up to 10 years of surface drifter trajectories and applied a statistical analysis previously developed in other oceans. We mapped a climatological eddy diffusion coefficient and derived an altimetric parametrization of the coefficient for easy use by the modeling community and for future studies on the interannual evolution of eddy diffusion. This study shows that the Southern Ocean is highly diffusive north of the ACC core, with several spots of very strong diffusion: the Agulhas Retroflection, the Campbell Plateau region, and the Brazil Current region.

These results lead us to a circumpolar analysis of the SAMW formation, and to a representaion of the link between Southern Ocean dynamics and SAMW formation. The constant increase in hydrological profiles in the Southern Ocean via the ARGO program allowed us to have a better spatial representation of the regions of SAMW formation. We found that eddy heat diffusion play a substantial role in the local heat balance. South of the western boundary currents and north of the SAF, the eddy heat diffusion is positive and counterbalances the cooling of the mixed layer by winter Ekman and air-sea fluxes. Specifically, it reduces the mixed layer destabilisation north of the SAF in the Western Indian Ocean downstream of the Agulhas Retroflection and in the Western Pacific downstream of Campbell Plateau.
Ocean – Subantarctic mode water