The tropical ocean and atmosphere are a highly active and very important region of the globe. Climate phenomena such as El Ni˜no (Philander, 1990), the Tropical Atlantic Dipole, and the Indian Ocean Dipole, play an important role in global climate variability. The tropical atmospheric boundary layer is very sensitive to even small changes in the sea surface temperature (SST). Small SST anomalies in the tropics can lead to shifts in the large scale convection cells and result in atmospheric heating. There is potential for positive feedback between the tropical ocean and atmosphere. Ocean waves are capable of propagating long distances very fast. Barotropic waves (adjustments in free surface height) can propagate round the globe within days. Baroclinic waves, propagating along the thermocline are able to cross the equatorial Atlantic in 2 – 3 months. This work shows the potential for ocean wave propagation to influence global climate, by linking high latitude anomalies to tropical climate phenomena. The first part of this thesis is a detailed examination of the “Tropical Atlantic Dipole” (TAD). Analysis of model data shows a dipole pattern in the SST, with strong cross-equatorial asymmetry in the surface mixed layer. Below the mixed layer the pattern becomes symmetric, and Kelvin and Rossby wave like adjustment can be seen to occur. However, the timeseries is not sufficiently long to provide confidence in resolving the power spectrum, and as such the results are inconclusive. The complexity of the model makes it difficult to identify the mechanism(s) which are responsible for driving the dipole. An idealised basin model is used to examine high latitude anomalies which create equatorward propagating coastal Kelvin waves as a possible driving mechanism for the TAD. The results show that coastal Kelvin wave propagation can quickly transmit a signal from the high latitude anomaly to the equator, and equatorial Kelvin and Rossby wave propagation can quickly influence the entire tropical ocean. This suggests that forcing of the TAD may come from higher latitudes, although it is still not fully understood how a symmetric sub-surface signal can become asymmetric at the surface. Restoring surface boundary conditions limit the response of the model, restricting the formation of a TAD. A similar experiment, using an idealised coupled model configuration is suggested, but not possible in the time available. The second part of this thesis looks in detail at the role of the ocean in rapidly transmitting a high latitude response to the equator, using an existing coupled climate model configured with realistic land geometry and bottom topography. Simulations of a salinity anomaly in the Southern Ocean show that it is possible to create an equatorial response in SST within a month, with SST anomalies of 2.5± after 6 months. Barotropic Kelvin and Rossby wave propagation is shown to be important in creating such a rapid equatorial response. Two points that are identified from this experiment are examined in further detail using an idealised basin model. Firstly, a mechanism for energy exchange within the equatorial waveguide is tested. Results suggest that it is not the mechanism responsible for the signals seen in the coupled climate model. Secondly, idealised model integrations confirm that transmission of signals along topographic ridges is possible. Signals strong enough to excite equatorward coastal Kelvin wave propagation are able to use topography to cross the Southern Ocean and reach the coast of Australia.

Η ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ ατμόσφαιρας και θάλασσας είναι μια διεργασία πολύ σημαντική για τη δυναμική και τις φυσικές ιδιότητες των δύο μέσων (π.χ. θερμοκρασία) αλλά και σε βάθος χρόνου για το κλίμα ολόκληρου του πλανήτη. Η συνολική ενέργεια που μεταφέρεται από την ατμόσφαιρα στη θάλασσα και αντίστροφα είναι το άθροισμα τεσσάρων επιμέρους συνιστωσών : α) της μικρού μήκους ηλιακής ακτινοβολίας, β) της μεγάλου μήκους υπέρυθρης ακτινοβολίας, γ) της λανθάνουσας θερμότητας και δ) της θερμότητας αγωγιμότητας. Μέσες μηνιαίες τιμές για τις τέσσερις αυτές συνιστώσες από το Ιόνιο και Κρητικό Πέλαγος εξετάζονται για το διάστημα 1958-2007. Οι τιμές προέρχονται από τη Μεσογειακή Βάση Δεδομένων ARPERA και αποτελούν προϊόν διόρθωσης αριθμητικής προσομοίωσης (reanalysis product). Στην παρούσα εργασία παραθέτονται στατιστικά χαρακτηριστικά των χρονοσειρών της κάθε συνιστώσας και στις δύο περιοχές. Από τη μελέτη της ροής θερμότητας και στα δύο Πελάγη διαπιστώθηκαν οι εξής διαφορές : το Κρητικό Πέλαγος εμφανίζει μεγαλύτερες απώλειες θερμότητας σε σχέση με το Ιόνιο καθώς επίσης και μεγαλύτερο δυναμικό αιολικής ενέργειας. / The heat exchange between the atmosphere and the sea is a very important process for the dynamics and physical properties of the two media (e.g. temperature) and long-term climate of the entire planet. The total energy transferred from the atmosphere to the sea and vice versa is the sum of four separate components : a) the short wave solar radiation , b ) the long wave radiation , c ) latent heat and d ) heat conduction . Average monthly prices for these four components of the Ionian and Cretan Sea are examined for the period 1958-2007 . The values ​​come from the Mediterranean Database ARPERA and result correction numerical simulation (reanalysis product). In this thesis I present statistical characteristics of the time series of each component in both regions . From the study of heat flow in both regions we found the following differences: the Cretan Sea shows greater heat loss in relation to the Ionian as well as greater wind potential .

Les surcotes de tempête sont souvent sous-estimées dans les modèles hydrodynamiques, ainsi que les grandes vagues dans les modèles de vagues. Les causes possibles sont une sous-estimation des vents dans les modèles atmosphériques et/ou une formulation incorrecte de la tension de vent. Les objectifs de cette thèse sont (1) d’estimer les biais par vents forts dans les modèles atmosphériques (2) de développer une nouvelle paramétrisation du coefficient de traı̂née permettant de réduire ce biais (3) d’étudier l’impact des vagues sur la tension de vent. La méthode consiste à étudier la réponse de l’atmosphère et de l’océan à la tension de vent. Dans une première partie, nous utilisons le modèle couplé vagues-atmosphère d’ECMWF. Nous montrons que les vents forts sont sous-estimés, avec un biais de l’ordre de -7 m/s à 30 m/s. Des écarts significatifs existent aussi entre les observations, les bouées et les vents issus de ASCAT-KNMI étant généralement inférieurs à ceux des plateformes et des autres données satellites utilisées dans cette étude (AMSR2, ASCAT-RSS, WindSat, SMOS et JASON-2). La nouvelle paramétrisation développée permet d’obtenir des vents plus forts qu’avec celle d’ECMWF par défaut. Dans une deuxième partie (réponse de l’océan), nous utilisons le modèle global océanique TUGO du LEGOS forcé par le modèle couplé vagues-atmosphère d’ECMWF. Nous montrons qu’une paramétrisation de la tension de vent dépendant des vagues plutôt que du vent est plus appropriée quand l’état de mer est jeune. Elle conduit à des surcotes plus proches des observations (marégraphes et traces altimétriques de JASON-2). L’impact des vagues sur la surcote est significatif, et peut atteindre 20 cm. / Storm surges may be underestimated in hydrodynamic models, as well as large wave heights in wave models. This could come from an underestimation of strong winds in atmospheric models and/or an inappropriate wind stress formulation. The objectives of the present work are (1) to estimate how strong are the biases for high winds in atmospheric models (2) to develop a new drag parameterization that could reduce this bias (3) to investigate the impact of the waves on the wind stress. The method consists of studying the response of the atmosphere and the ocean to the wind stress.In a first part, we use the coupled wave-atmosphere model from ECMWF. We show that strong winds may be underestimated, as much as -7 m/s at 30 m/s.Significant differences also exist between observations, with buoys and ASCAT-KNMI generally showing lower wind speeds than the platforms and other remote-sensing data used in this study(AMSR2, ASCAT-RSS, WindSat, SMOS and JASON-2).The newly empirically adjusted Charnock parameterization leads to higher winds compared to the default ECMWF parameterization. In a second part, we use the global ocean model TUGO fromLEGOS forced with ECMWF coupled wave-atmopshere model. We show that a wave-dependent rather than wind-dependent stress formulation is more appropriate, when the sea state is young and the sea rougher. It yields to simulated surges closer to observations (i.e. tide gauges and JASON-2 altimeter tracks). The wave impact on the surges is significant, and may reach 20 cm.

Cette thèse s'intéresse à la dynamique océanique induite par les échelles spatiales et temporelles de l'atmosphère, et du vent en particulier, dans les régions d'upwelling du Benguela et des Canaries. Ces régions sont sous l'influence d'un vent local ou régional, soufflant parallèlement à la côte. "Moteur" principal de la résurgence d'eau froide, ce vent est modulé par des processus physiques à des échelles spatio-temporelles variées. La nature des interactions avec l'atmosphère, l'océan et le continent environnants diffère selon les processus. Depuis deux décennies, des efforts remarquables portent sur la description par télédétection des champs atmosphériques à la surface de l’océan. Un nombre croissant de missions spatiales et des améliorations techniques majeures ont permis de raffiner la résolution horizontale et temporelle des produits disponibles à l'échelle globale. La disponibilité de multiples mesures diffusiométriques grillées, traitées et distribuées par le LOSCERSAT,nous amène dans un premier temps à comparer et analyser la richesse et la finesse des échelles retranscrites par différents produits. Ainsi, plusieurs gammes d'échelles de vent sont différenciées et leurs signatures sur l'upwelling côtier sont étudiées. L'intensité des anticyclones subtropicaux (Sainte Hélène et Açores) module la saisonnalité de l'upwelling le long des côtes Ouest africaines. Les régions centrales des upwellings de l’Atlantique, sous l'influence permanente de ces centres de haute pression, sont ainsi les cellules d'upwelling les plus intenses de chacun des systèmes en termes de pérennité et d'intensité (cellule de Lüderitz et cellule de Dakhla respectivement dans l'hémisphère Sud et l'hémisphère Nord). À l'échelle régionale, ou l'échelle des sous-bassins (O(1000 km)), la variabilité intrasaisonnière du vent est contrôlée par le renforcement ou l'atténuation des anticyclones entraînant à la côte l'activation ou la relaxation d'événements d'upwelling. À des échelles plus petites (O(100 km)), le front caractéristique de température de surface (SST) entre la côte et le large façonne la structure spatiale du vent par des processus de stabilisation/déstabilisation de la colonne d'air. Un vent soufflant en direction de l'équateur et parallèlement à un front de SST aura tendance à diminuer (augmenter) sur le flanc froid (chaud) de ce front. Le rotationnel (la divergence) du vent est directement impacté(e) et répond linéairement, au premier ordre, à la composante du gradient de SST normale (tangentielle) à la direction du vent. Ces rétroactions océaniques sont caractérisées par une échelle temporelle allant de l'hebdomadaire au mensuel. Enfin, de fines échelles du vent sont couramment observées dans les premiers kilomètres de l’océan au voisinage de la côte. L’interface entre le large et le continent est en effet associée à un affaiblissement significatif des vents. L'extension zonale de cette transition (O(10 km)) dépend notamment de l'orographie et de la rugosité de surface du continent adjacent. L'impact d'une telle réduction du vent sur la structure des upwellings côtiers, la dynamique sous-jacente et le transport côte-large de particules est appréhendé à l'aide d'analyses numériques eulériennes et lagrangiennes. / This study focuses on the oceanic response to fine atmospheric spatial and temporal scales, and especially fine wind patterns in the Benguela and Canary upwelling systems. These regions are under the influence of local or regional wind, blowing parallel to the coast. Thewind is the main driver of the cold-water upwelling and is modulated by several physical processes at various scales. The nature of the interactions with the atmosphere, the ocean and the adjacent continent differs according to these processes. For the past 20 years, outstanding efforts have been made in the description and understanding of the atmospheric conditions at the sea surface. An increasing number of space missions and major technical improvements have allowed refinement of the horizontaland temporal resolution of the products available at global scale. The availability of multiple gridded scatterometer measurements,processed and distributed by the LOS-CERSAT, brings us first to compare and analyze the richness and fineness of the scales of a few products. We differentiate several wind scales and study their signatures on coastal upwelling dynamics. The intensity of the subtropical anticyclones (Saint Helena andAzores) modulates the seasonality of the upwelling along the Africanwest coast. The central regions of both upwelling systems are permanently under the influence of these atmospheric highs and,thus, are the most intense upwelling cells of each system, both interms of durability and intensity (Lüderitz and Dakhla cells for the southern and the northern hemisphere, respectively). On a regional scale, or basin scale (O(1000 km)), the intraseasonal wind variability is driven by the strengthening or weakening of these anticyclones, causing the activation or relaxation of upwelling events at the coast.At smaller scales (O(100 km)), the characteristic sea surface temperature (SST) front between the coastal and open ocean shapes the spatial structure of the wind by stabilization/destabilization of the air column. An equatorward-blowing wind parallel to an SST front tends to decrease (increase) on the cold side (warm) of this front. The curl (divergence) of the wind is directly impacted and the first order response varies linearly with the crosswind (downwind) SST gradient. This oceanic feedback is characterized by weekly to monthly temporal scales. Finally, small-scale wind structures are frequently observed in the first kilometers of the coastal ocean. Indeed, the interface between the open ocean and the continent is associated with a significant wind drop-off. The zonal extension of this transition (O(10 km) depends on the orography and on the surface roughness of the adjacent continent. The impact of such a wind reduction on the structure of the coastal upwelling, the underlying ocean dynamics and the cross-shore transport of particles is diagnosed with both Eulerian and Lagrangian numerical analyses.