[PDF] Impact du changement climatique dans le système de Humboldt

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TTHHÈÈSSEE

En vue de l'obtention du

DDOOCCTTOORRAATT DDEE LL''UUNNIIVVEERRSSIITTÉÉ DDEE TTOOUULLOOUUSSEE Délivré par l'Université Toulouse III - Paul Sabatier Discipline ou spécialité : Océanographie Physique JURY

Nicholas Hall (Président)

Eric Guilyardi (Rapporteur)

Sabrina Speich (Rapporteur)

Oscar Pizarro (Examinateur)

Philippe Gaspar (Examinateur)

Francis Codron (Examinateur)

Boris Dewitte (Directeur de thèse)

Vincent Echevin (Co-directeur de thèse)

Abdellatif Orbi (Invité)

Ecole doctorale : Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace (SDU2E) Unité de recherche : Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales Directeurs de Thèse : Boris Dewitte (directeur de recherche IRD) et Vincent Echevin (chargé de recherche IRD) Présentée et soutenue par Ali BEL MADANI

Le 14 décembre 2009

Titre :

Impact du changement climatique dans le Système de Courant de Humboldt simulé par un modèle régional océanique / Impact of climate change in the Humboldt Current System simulated by a regional ocean model

1Remerciements

Je tiens à dédier cette thèse à feu mon grand-père, Sidi Driss Bel Madani, qui avait toujours rêvé de me voir devenir docteur un jour. Je remercie mon directeur de thèse, Boris Dewitte, pour ses conseils et son aide précieuse tout au long de mes trois années de doctorat. Je le remercie également de m'avoir

fait confiance quant à ma capacité de mener à bout mon projet de recherche, ce qui ne fut pas

une mince affaire. Enfin, je le remercie pour son soutien sans faille à mon projet professionnel post-doctorat. Je remercie aussi mon co-directeur de thèse, Vincent Echevin, pour m'avoir accueilli à plusieurs reprises au LOCEAN à Paris, notamment au cours du dernier semestre de ma thèse, qui fut très productif du point de vue scientifique. Je suis également reconnaissant envers Yves du Penhoat, pour son soutien et son intérêt pour le projet, ainsi que pour sa bonne humeur et sa joie de vivre! Merci également à mes collègues Péruviens du CIMOBP à l'IMARPE (Lima), qui

m'ont accueilli à bras ouverts à mon arrivée au Pérou et ont partagé leur quotidien pendant

ces deux belles années passées à leur côté. Merci donc à Sara Purca, Jorge Tam, Ricardo

Oliveros, Carlos Quispe, Carlos Ruiz, David Correa, Daniel Quispe, Augusto Ingunza, Miguel Saavedra et Jose Pasapera. Plus généralement, je remercie tout le personnel de l'IMARPE pour leur gentillesse et leur bonne humeur. Je ne voudrais pas oublier l'équipe de la représentation de l'IRD au Pérou pour leur assistance au cours de mes démarches diverses et

variées, et plus simplement pour leur accueil chaleureux: merci à Pierre Soler, Gérard Hérail,

Miriam Soto, Jeannette Gibon, Lourdes Valdivia, Alexandra Roulet, Liliana Lalonde, Alain

Corde, Jose Berrospi et Tadeo. Je remercie également les chercheurs, ingénieurs et étudiants

de l'IRD expatriés au Pérou ainsi que leurs familles, pour leur amitié et leurs conseils. Arnaud

et Sophie Bertrand, Alexis Chaigneau, Raphaële Mis, François et Marcelle Gerlotto, Jérémie

Habasque, Abdel Sifeddine, François Colas, Thomas Condom, Hugo et Alexandra Perfettini, Francis et Patricia Bondoux, Mathieu Lengaigne, Céline Valadeau, Yannick et Lizbeth

Estevez, Martin Marzloff, Arnaud Gizolme: merci!

2La liste ne serait pas complète sans mes collègues français (et étrangers) du LEGOS et

du LOCEAN, en particulier ceux qui ont également partagé avec moi l'expérience péruvienne: Julien Boucharel, Lionel Renault, Timothée Brochier, Katerina Goubanova et Sulian Thual. Une pensée particulière pour mes collègues de bureau successifs: Jérôme Bouffard, Fabien Durand, Fernanda Jardon, Anne-Charlotte Peter, Pascal Terray, Myriam Khodri. Un grand merci à l'équipe administrative du LEGOS (Martine Ména, Nadine Lacroux, Catherine Donati, Brigitte Cournou) et du LOCEAN (Dany Thomas, Christiane Willem, Stéphane Ahin), sans qui mes différentes missions entre Toulouse, Paris et Lima (sans oublier toutes les autres!) n'auraient été possibles.

Merci aussi à mes collègues étrangers. Je pense en particulier à David Field ainsi qu'à

Soon-Il An. Merci à tous les membres du jury pour avoir accepté de prendre la peine et le temps de se plonger dans mon manuscrit et pour avoir contribué à son amélioration. Merci à l'IRD, à CLS ainsi qu'au CNRS pour leur soutien financier pendant ces trois années. Merci aussi à l'ANR, à Eur-Oceans ainsi qu'au programme ATUPS de l'UPS pour leur soutien financier aux différents déplacements que j'ai eu à effectuer. Je remercie les groupes de modélisation, le Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison (PCMDI) et le Working Group on Coupled Modelling (WGCM) du World Climate Research Programme (WCRP) pour leurs rôles dans la mise à disposition de la base de données multi-modèles WCRP Coupled Model Intercomparison Project phase 3 (CMIP3). Le support de cette base de données est fourni par l'Office of Science, U.S. Department of Energy. Les données COADS sont fournies par le NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center, Boulder, Colorado, USA, depuis leur site Web à http://www.cdc.noaa.gov/. Je remercie le Centre Européen pour les Prévisions Météorologiques à Moyen-Terme (CEPMMT) pour la mise à disposition des données de la réanalyse ERA-40. Je tiens également à remercier William S. Kessler pour m'avoir aidé à trouver les données ADCP de la NOAA à 95°W (10°N-10°S). Un grand merci également à toute ma famille ainsi qu'à mes amis pour leur soutien sans

faille. Enfin, je tiens à remercier ma femme Dominique qui est à mes côtés depuis plusieurs

années et a su y rester pendant ces trois ans parfois difficiles! Domi, je te remercie du fond du coeur.

3Acknowledgements

I would like to dedicate this thesis to my late grandfather, Sidi Driss Bel Madani, who always dreamed of seeing me become a doctor some day. I wish to thank my PhD supervisor, Boris Dewitte, for his guidance and precious help all along the past three years. I am grateful to him for trusting me in regard to my ability to conduct my research project, which was not an easy task. Last but not least, I thank him for his unwavering support to my post-doctoral professional project. I would also like to thank my PhD co-advisor, Vincent Echevin, for welcoming me several times at LOCEAN in Paris, particularly during the last semester of my thesis, which was very productive from the scientific point of view. I am also grateful to Yves du Penhoat, for his support and his interest in the project, as well as for his good mood and his love of life! Many thanks also to my Peruvian colleagues of CIMOBP at IMARPE (Lima), who welcomed me with open arms at my arrival in Peru, and who shared their everyday life during these two wonderful years spent together. So thanks to Sara Purca, Jorge Tam, Ricardo Oliveros, Carlos Quispe, Carlos Ruiz, David Correa, Daniel Quispe, Augusto Ingunza, Miguel Saavedra and Jose Pasapera. More generally, I thank all IMARPE staff for their kindness and their good mood. Furthermore, my gratitude goes to the staff of the IRD representation in Peru for their assistance during my various administrative applications and processes, and more simply for their warm welcome: thanks to Pierre Soler, Gérard Hérail, Miriam Soto, Jeannette Gibon, Lourdes Valdivia, Alexandra Roulet, Liliana Lalonde, Alain Corde, Jose Berrospi and Tadeo. I also thank the expatriate scientists, engineers and students of IRD in Peru as well as their families, for their friendship and their advice. Arnaud and Sophie Bertrand, Alexis Chaigneau, Raphaële Mis, François and Marcelle Gerlotto, Jérémie Habasque, Abdel Sifeddine, François Colas, Thomas Condom, Hugo and Alexandra Perfettini, Francis and Patricia Bondoux, Mathieu Lengaigne, Céline Valadeau, Yannick and Lizbeth Estevez, Martin Marzloff, Arnaud Gizolme: thank you! The list would not be complete without my French (and non-French) colleagues from LEGOS and LOCEAN, especially those who also shared the Peruvian experience with me:

4Julien Boucharel, Lionel Renault, Timothée Brochier, Katerina Goubanova and Sulian Thual. A special thought goes to my office mates: Jérôme Bouffard, Fabien Durand, Fernanda

Jardon, Anne-Charlotte Peter, Pascal Terray, Myriam Khodri. Many thanks to the administrative staff of LEGOS (Martine Ména, Nadine Lacroux, Catherine Donati, Brigitte Cournou) and LOCEAN (Dany Thomas, Christiane Willem, Stéphane Ahin), without whom my various travels between Toulouse, Paris and Lima (and all the others!) would not have been possible. Thanks also to my foreign colleagues. In particular, I am thinking of David Field and Soon-Il An. Thanks to all the jury members for accepting to spend the necessary time to read the dissertation and for contributing to improve it. Thanks to IRD, CLS and CNRS for financial support during these three years. Thanks also to ANR, to Eur-Oceans and to the ATUPS program of UPS for supporting the different trips I made. I acknowledge the modelling groups, the Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison (PCMDI) and the World Climate Research Programme's (WCRP's) Working Group on Coupled Modelling (WGCM) for their roles in making available the WCRP Coupled Model Intercomparison Project phase 3 (CMIP3) multi-model dataset. Support of this dataset is provided by the Office of Science, U.S. Department of Energy. COADS data is provided by the NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center, Boulder, Colorado, USA, from their Web site at http://www.cdc.noaa.gov/. The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) is thanked for making available the ERA-40 reanalysis data. I would also like to thank William S. Kessler for helping me find the NOAA

ADCP data at 95°W (10°N-10°S).

Big thanks as well to my family and friends for their encouragement and continuous support. Last but not least, I am deeply grateful to my wife Dominique, who has been at my side for several years and who never failed in her support during the past three years, which were not always easy! Domi, thank you from all my heart.

5Table of Contents

Résumé (en français).........................................................................................8

Abstract (in english)..........................................................................................10

Introduction (en français).................................................................................12

Chapitre 1: Système de Courant de Humboldt et Changement Climatique ..................17

1.1. Présentation du Système de Courant de Humboldt..............................................18

1.1.1. Systèmes d'Upwelling de Bord Est

1.1.1.1. Introduction

1.1.1.2. Dynamique de l'upwelling côtier......................................................19

Transport et pompage d'Ekman

Courants Côtiers............................................................................22 Processus mésoéchelle et sub-mésoéchelle.............................................23

Ondes piégées à la côte....................................................................25

1.1.2. Le Système de Courant de Humboldt: un écosystème productif soumis

à des conditions océaniques et atmosphériques très variables............................28

1.1.2.1. Introduction

1.1.2.2. Topographie et bathymétrie: des hautes montagnes

aux fosses océaniques profondes.........................................................30

1.1.2.3. Conditions atmosphériques et upwelling côtier.......................................31

1.1.2.4. Circulation océanique régionale.......................................................35

Le système de courant côtier

Le système de courant équatorial.........................................................37 Liens entre le HCS et les courants équatoriaux.........................................40

1.1.2.5. Le guide d'ondes équatorial.............................................................41

Ondes de Kelvin équatoriales et ondes piégées à la côte ENSO: Variabilité à grande échelle et impacts régionaux............................44

1.2. Le Pacifique Sud-Est: refroidissement régional au sein d'un réchauffement global?.......56

1.2.1. Tendances reconstruites à partir d'enregistrements paléoclimatiques

et d'observations historiques

1.2.2. Tendances actuelles et futures à partir d'études de modélisation ........................63

Introduction (in english)..................................................................................74

Chapter 1: Humboldt Current System and climate change .....................................77

1.1. Presentation of the Humboldt Current System...................................................78

1.1.1. Eastern Boundary Upwelling Systems

1.1.1.1. Introduction

1.1.1.2. Coastal upwelling dynamics............................................................79

Ekman transport and pumping

Coastal currents.............................................................................82 Mesoscale and sub-mesoscale processes................................................83 Coastal-trapped waves.....................................................................85

1.1.2. The Humboldt Current System: a highly productive ecosystem under strongly

variable oceanic and atmospheric conditions................................................87

1.1.2.1. Introduction

1.1.2.2. Topography and Bathymetry: from high mountains to deep trenches............89

61.1.2.3. Atmospheric conditions and coastal upwelling

1.1.2.4. Regional ocean circulation..............................................................93

The coastal current system

The equatorial current system..............................................................96 Link between the HCS and the equatorial currents....................................98

1.1.2.5. The equatorial waveguide................................................................99

Equatorial Kelvin waves and coastal-trapped waves

ENSO: large-scale variability and regional impacts.................................101

1.2. The eastern South Pacific: regional cooling in a warming climate ?...............................113

1.2.1. Reconstructed trends from paleoclimate records and historical observations

1.2.2. Simulated present and future trends from modelling studies............................119

Chapter 2: Global climate models: ENSO and the Eastern South Pacific ..................129

2.1. ENSO feedbacks and associated timescales of variability in a multi-model ensemble...132

2.1.1. Introduction.....................................................................................135

2.1.2. Datasets and methodology...................................................................139

2.1.2.1. Datasets

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