Cette thèse analyse (i) la variabilité pluviométrique contemporaine en Nouvelle-Calédonie et ses téléconnexions avec les températures de surface océanique (TSO) du Pacifique tropical et (ii) l'impact des anomalies atmosphériques sur l'activité des incendies estimés par satellites. La Nouvelle-Calédonie figure aujourd'hui parmi les 34 " points chauds " de la biodiversité à l'échelle planétaire. A ce titre, l'un de nos objectifs est de construire un modèle permettant de prévoir l'intensité de la saison des feux entre septembre et décembre, qui correspond au maximum annuel. Le croisement de trois bases de données de feux détectés par satellites (MODIS, ATSR et LANDSAT) avec le réseau des stations météorologiques de Météo-France a montré qu'aucune anomalie thermique significative n'est détectée avant un feu, tandis que de forts déficits pluviométriques par rapport à la normale sont enregistrés jusqu'à trois mois avant le départ des feux. Ces déficits pluviométriques sont partiellement liés aux phases chaudes du phénomène El Niño Southern Oscillation (ENSO) et plus particulièrement à celles durant lesquelles les anomalies thermiques se situent à proximité de la ligne de changement de date équatoriale lors du printemps austral. Ces anomalies renforcent la circulation moyenne de Hadley (via le dégagement de chaleur latente dans la moyenne et haute troposphère) et la subsidence au niveau des latitudes néo-calédoniennes, tandis que les épisodes les plus intenses du siècle dernier (i.e. 1982-83 et 1997-98) dont les anomalies thermiques les plus importantes sont localisées dans le Pacifique oriental, sont associés à des conditions pluviométriques proches de la normale dans le Pacifique sud-ouest (SW). La téléconnexion entre les TSO du Pacifique central et les précipitations du Pacifique SW s'affaiblit à partir du mois de décembre au moment où l'ENSO atteint, paradoxalement, son intensité maximale. Cette modulation saisonnière est le produit d'une interaction entre (i) le cycle saisonnier des TSO brutes dans le Pacifique central, (ii) le cycle de vie des anomalies thermiques des épisodes chauds et (iii) l'intensité du gradient zonal des TSO le long de l'équateur. Par ailleurs, la convection profonde semble particulièrement sensible à la propagation vers l'est des anomalies de TSO faibles-à-modérées au niveau de la ligne de changement de date équatoriale (soit légèrement à l'ouest de la boîte Niño 3.4), modifiant significativement la position et l'intensité de la courroie de transmission des téléconnexions. Une analyse en ondelettes montre que les pluies néo-calédoniennes sont également sensibles à des modes de variations plus lents (> 8 ans) du Pacifique central entre septembre et novembre. La synchronisation entre la saisonnalité des feux et la prévisibilité saisonnière liée à l'ENSO permet d'estimer la surface brûlée totale en septembre-décembre à partir des états thermiques de l'océan Pacifique en juin-août, dont la polarité est clairement établie plusieurs mois à l'avance. La corrélation entre l'observation et la simulation du logarithme du total des surfaces brûlées en Nouvelle-Calédonie est de 0.87 sur la période 2000-2010 selon un modèle linéaire en validation croisée.

La Mousson Indienne d'été (ISM) et l'Oscillation Australe El Niño (ENSO) sont parmi les phénomènes climatiques les plus énergétiques et importants de la planète. Bien qu'ils soient localisés dans la région tropicale Indo-Pacifique, ces deux phénomènes peuvent avoir des répercussions climatiques à l'échelle globale via les téléconnections atmosphériques. Cette thèse vise à améliorer notre compréhension et la prévisibilité interannuelle d'ENSO et de l'ISM, en analysant leurs téléconnections grandes échelles, et en déterminant le rôle, dans cette prévisibilité, des modes majeurs de variabilité interannuelle observés dans les régions tropicales et extratropicales de l'Indo-Pacifique. A partir de diagnostiques statistiques d'observations sur les périodes 1950-1976 et 1979 2007, et d'expériences de sensibilité réalisées à l'aide du modèle couplé SINTEX F, nous montrons l'importance des latitudes tempérées dans la prévisibilité du système ENSO-mousson. Des précurseurs robustes des évènements ENSO et ISM sont identifiés dans les régions du Pacific Nord et de l'Océan Indien Sud pendant l'hiver boréal précédent, apportant ainsi de la prévisibilité plus tôt que leurs traditionnels précurseurs tropicaux. De plus, cette prévisibilité de la mousson d'été est accrue pour les pluies en fin de saison (Août- Septembre). Cette deuxième partie de la saison de mousson se caractérise également par l'émergence de processus couplés océan-atmosphère dans l'Océan Indien, pouvant contrecarrer l'effet d'ENSO sur la mousson. Une amplification de ces rétroactions locales pourrait expliquer l'affaiblissement de la relation ENSO-mousson observé lors des dernières décennies.

Les océans Pacifique et Indien tropicaux se partagent la plus grande étendue d'eau chaude et de convection profonde de la planète. Cette région est le siège de la branche ascendante de la circulation de Walker, circulation atmosphérique d'échelle planétaire parfois décrite comme la " machine thermique " de la Terre. Cette région, dont les répercussions sur le climat sont importantes, est aussi source de variabilité océanique et atmosphérique aux échelles intrasaisonnières et interannuelles . En effet, la variabilité interannuelle associée à El Niño, dans l'océan Pacifique, et - dans une moindre mesure - au dipôle de l'Océan Indien (DOI) ont des conséquences climatiques marquées sur les pourtours de ces bassins et à l'échelle du globe. La variabilité intrasaisonnière liée à l'oscillation de Madden-Julian (OMJ) a également des conséquences climatiques marquées : modulations des moussons indiennes et australiennes et un rôle potentiellement important dans le déclenchement d'ENSO. Dans ce mémoire, je vais décrire mes travaux de recherche sur la variabilité océanique et atmosphérique aux échelles intrasaisonnière et interannuelle dans les Océans Indien et Pacifique. El Niño ou le DOI sont des modes couplés : c'est la rétroaction positive découlant des interactions océan-atmosphère qui est source de variabilité (le " Bjerknes feedback "). À l'échelle intrasaisonnière, le rôle du couplage océan-atmosphère semble moins primordial, et modifie seulement des modes de variabilité essentiellement atmosphériques ou océaniques. Par exemple, les ondes d'instabilité dans le Pacifique Est sont le résultat d'une instabilité interne océanique. Cependant, elles affectent la stabilité atmosphérique, les vents de surface, et cela tend à réduire légèrement leur activité. À l'inverse, l'OMJ est un phénomène dont la source est atmosphérique, naissant du couplage entre dynamique et convection dans les tropiques. Toutefois, nous verrons que ce phénomène a une réponse océanique forte dans l'Océan Indien, à la fois en termes de dynamique et de thermodynamique. Le degré d'influence du couplage dans les propriétés de l'OMJ reste toutefois une question largement ouverte. Nous nous intéresserons aussi à la question des interactions entre ces différents modes de variabilité. Nous verrons par exemple comment la variabilité intrasaisonnière atmosphérique peut déclencher un El Niño, comment El Niño peut supprimer l'activité des ondes tropicales d'instabilité et l'effet retour, comment le DOI module l'activité de l'OMJ et enfin, quelles sont les interactions entre DOI et El Niño. Je présenterai alors une région de l'Océan Indien assez emblématique de ces interactions d'échelle, et dans laquelle j'ai développé une activité d'observations (campagnes océanographiques Cirene de 2005 à 2008 et projet de campagne TRIO). La bande 5°S-10°S dans l'Océan Indien est une région très particulière. En raison de la structure des vents, la thermocline y est proche de la surface et la couche de mélange est peu profonde, ce qui induit une forte réactivité de la température de surface aux sollicitations de l'atmosphère. De plus, la température de surface en hiver boréal est proche du seuil de convection, impliquant une sensibilité accrue de l'atmosphère à de petites variations de température. Ces deux facteurs augmentent le couplage océan atmosphère dans cette région qui a une variabilité très marquée aux échelles synoptiques (cyclones), intrasaisonnières (OMJ) et interannuelle (réponse à El Niño, mais aussi au DOI). Cette région a enfin des conséquences climatiques marquées (sur l'intensité des pluies de la mousson suivante, sur le nombre de cyclones dans le secteur La Réunion-Madagascar, sur la convection au-dessus du continent maritime, et même sur l'Amérique du Nord). Pour conclure, je présenterai ma réflexion sur mes axes de recherches futurs, ainsi que mes projets en termes de campagnes et réseaux d'observations.

Cette thèse s’intéresse aux interactions entre l’océan et l’atmosphère dans le Pacifique Sud-Est, à des échelles comprises entre 10 et 300 km ("meso-échelle" océanique). Des observations satellites et un modèle couplé à haute résolution (1/12°) sont utilisés pour mettre en évidence et caractériser la relation entre la meso-échelle de température de surface de la mer (SST) et celle de l’intensité de la tension de vent (TV). Les observations montrent qu’environ un tiers de la meso-échelle de l’intensité de la TV est expliquée par les anomalies de la SST. L’intensité de la réponse de la TV aux anomalies de SST présente des variations spatiales et un cycle saisonnier marqué, également reproduits par le modèle. Une analyse de l’ajustement de la couche limite atmosphérique aux anomalies de meso-échelle de la SST dans les simulations permet d’expliquer ce cycle saisonnier et de comprendre l'origine des variations de la TV et de la vitesse du vent. Le modèle permet également d'étudier les conséquence de la modulation des flux à l’interface air-mer par la meso-échelle de SST et de courant de surface sur la dynamique océanique du Pacifique Sud-Est. D’une part, près de la côte, la réponse de la TV à la présence du front de SST diminue l’intensité de l’upwelling et la génération d’énergie cinétique turbulente (EKE) par instabilité barocline. La réponse de l’atmosphère à la meso-échelle de SST a également une rétroaction négative sur les anomalies de SST. D’autre part, la modulation de la TV par les courants de surface diminue la génération d’EKE par le travail des anomalies de TV, et créé un pompage d’Ekman qui atténue les anomalies de meso-échelle de la hauteur du niveau de la mer. / This PhD thesis studies the air/sea interactions at the oceanic mesoscale (10-300 km) in the South-East Pacific and their consequences. Satellite observations and a high-resolution regional ocean-atmosphere coupled model are used to evidence and characterize the mesoscale Sea Surface Temperature (SST)-wind stress (WS) interactions. Offshore from 150km, observations show that one third of the WS mesoscale intensity is explained by the SST mesoscale anomalies. The intensity of the WS response intensity to the SST displays similar spatial and seasonal variability in both the model and the observations. The simulation is further analyzed to study this variations and to understand the boundary layer adjustment mechanisms. A momentum balance evidenced that the near surface wind anomalies are created by the anomalies of the turbulent mixing term. It is shown that WS intensity anomalies due to SST anomalies are are mainly forced by mixing coefficient anomalies and partially compensated by wind shear anomalies. The consequences on the oceanic dynamics of the air-sea momentum, heat and fresh water fluxes by mesoscale SST and surface current are investigated in the simulations. On one hand, near the coast, the WS response to the upwelling SST front decreases both the upwelling and the eddy kinetic energy (EKE) generation by baroclinic conversion. A negative feedback of the atmospheric response on the SST anomalies amplitude is also evidenced. On the other hand, the WS modulation by oceanic surface currents decreases the EKE generation by the mesoscale wind work. It also creates an Ekman pumping centered above the eddies and attenuating sea surface height anomalies.

L'objectif de cette thèse est d'analyser l'influence des petites échelles spatiales de la température de surface de la mer (SST) au niveau d'un front océanique sur la variabilité du climat aux moyennes latitudes. Nous nous intéressons à l'effet du front de SST associé au Gulf Stream sur la couche limite atmosphérique marine et la troposphère libre, et sur la variabilité atmosphérique de grande échelle sur le bassin Atlantique Nord et l'Europe. L'approche utilisée repose sur la réalisation d'expériences numériques avec un modèle d'atmosphère global à haute résolution (environ 50 km aux moyennes latitudes), d'abord en configuration forcée par des SST journalières observées puis en configuration couplée avec un modèle d'océan dynamique. La première partie de cette thèse s'intéresse aux effets du forçage océanique de petite échelle spatiale et aux échelles de temps saisonnières à inter-annuelle sur l'atmosphère localement, et sur la variabilité de grande échelle sur le bassin Atlantique Nord. Deux ensembles (quatre membres) d'expériences forcées sont réalisées, l'une avec des SST globales à haute résolution (0.25°) et la deuxième où les SST sont lissées à 4° dans la région du Gulf Stream, de façon à filtrer la variabilité spatiale de petite échelle dans la zone de front. Localement, le modèle capture la réponse au forçage de petite échelle de la SST sur les variations de vent de petite échelle en hiver, mais la sous-estime d'un facteur 1/3 par rapport aux observations. L'évaluation du modèle par rapport aux réanalyses montrent que la variabilité spatiale de grande échelle (courant jet, régimes de temps) est bien reproduite par le modèle aux moyennes latitudes sur l'Atlantique Nord et l'Europe. La comparaison entre les deux expériences montre que les variations spatiales de petite échelle de la SST dans la région du Gulf Stream influencent en profondeur la colonne atmosphérique jusqu'à la troposphère libre (convergence des vents par ajustement hydrostatique en pression dans la couche limite, augmentation des flux de chaleur turbulents à la surface par la déstabilisation de la couche limite, augmentation des précipitations convectives sur la face chaude et diminution sur la face froide du front). Localement, les tempêtes extra-tropicales montrent un renforcement de la route dépressionnaire sur la partie sud (chaude) du front, et une diminution sur la partie nord (froide). Sur le reste du bassin Euro-Atlantique Nord, la réponse des tempêtes extra-tropicales aux petites échelles de SST dépend de la circulation de grande échelle. En particulier, nous montrons qu'une augmentation des tempêtes fortes sur le bassin Méditerranéen est associée à un renforcement du jet subtropical dans cette région. Nos analyses suggèrent que le déplacement et l'intensification de ce jet provient du changement d'occurrence des déferlements d'ondes de Rossby sur l'Atlantique Nord. La deuxième partie de cette thèse s'intéresse à l'effet des rétroactions atmosphériques sur les petites échelles spatiales de SST, et la sensibilité de l'interaction air-mer de petite échelle au couplage océan-atmosphère. Pour cela, on réalise des expériences de sensibilité à la résolution du front de SST dans la région du Gulf Stream avec le modèle couplé à haute résolution. Dans le modèle, le front est décalé vers le nord du fait d'un décollement tardif de la côte. L'intensité de l'interaction air-mer de petite échelle n'est pas significativement modifiée par rapport à la configuration forcée. Cependant l'effet des rétroactions atmosphérique, notamment via les flux turbulents à la surface, sur l'état moyen du front océanique tend à lisser le gradient de SST. La route dépressionnaire est également impactée et montre une augmentation du nombre de tempêtes et de leur intensité moyenne par rapport aux expériences forcées. La réponse des tempêtes au front de SST montre une augmentation locale du nombre de trajectoires de tempêtes, et une diminution significative sur l'Europe. / This thesis aims at analyzing the influence of small-scale spatial variability of the sea surface temperature (SST) over an oceanic front on the climate variability at mid-latitudes. We focus on the effect of the Gulf Stream SST front on the marine atmospheric boundary layer and the free troposphere, and on the large-scale atmospheric variability over the Euro-North Atlantic basin. We follow an approach based on numerical experiments with a high resolution (approximately 50 km at mid-latitudes) global atmospheric model, first forced with daily observed SST then coupled with a dynamical oceanic model. The first part of this thesis deal with the effects of small-scale oceanic forcing on the atmosphere locally and on the large-scale variability over the North Atlantic, at seasonal to inter-annual timescales. Two ensembles (with 4 members) of forced simulations are performed, the first one with global SST at high resolution (0.25°) and the other one with smoothed SST at 4° in the Gulf Stream region, in order to filter the small-scale spatial variability on the frontal area. Locally, the model captures the response of the SST small-scale forcing on the small-scale spatial variability of wind-speed at surface during winter, but with an underestimation of about 1/3 compared to the observations. The evaluation of the model compared to reanalysis shows that the large-scale spatial variability (jet stream, weather regimes) is well reproduce at mid-latitudes over North Atlantic and Europe. Comparison between the two experiments shows that the influence of small-scale spatial variations of the SST in the Gulf Stream region deeply affect the atmospheric column and reach the free troposphere (wind convergence at surface due to pressure adjustment in the boundary layer, turbulent heat fluxes at surface increase due to boundary layer destabilization, convective precipitations increase on the southern (warmer) part of the front and decrease on the northern (cooler) part). Locally, extra-tropical storms show an increase of the storm track on the warmer part of the front and a weakening on the cooler part. Over the Euro-North Atlantic domain, the storm track response to small-scale SST gradients show a strong dependency to the large-scale flow. In particular, we show that the strengthening of intense storm-tracks over the Mediterranean Sea is associated with a reinforcement of the sub-tropical jet in this region. Our analysis suggest that the displacement and reinforcement of the jet come from changes of Rossby wave breaking occurrences over the North Atlantic. The second part of this thesis deal with the influence of atmospheric feedbacks onto the small-scale SST spatial variability, and with the sensitivity of the small-scale air-sea interaction to the ocean-atmosphere coupling. We perform sensitivity experiments to the SST resolution in the Gulf Stream region with a coupled model at high resolution. Compared to the observations, the model show a northward shift of the front. Small-scale air-sea interaction strength is not significantly changed compared to the forced configuration. However the atmospheric feedbacks effects on the mean state of the front act to smooth the gradient, especially via turbulent heat fluxes at surface. The storm track is also impacted and show an increase in storm tracks density and intensity compared to forced experiments. The influence of the small-scale spatial variability of SST in the Gulf Stream region on the extra-tropical storms show a local increase of tracks, with a decrease over Europe.

Les flux turbulents à l’interface air-mer représentent le lien entre l’océan et l’atmosphère et jouent donc un rôle majeur dans le système climatique. Dans les modèles de climat, les processus turbulents sont des processus sous-maille, non résolus explicitement, et doivent donc être paramétrés. Ils sont estimés à partir des variables d’états atmosphériques et océaniques au moyen de modèles mathématiques qu’on nomme « paramétrisations bulk ». Ce travail de thèse a pour objectif de caractériser et comprendre les liens entre la représentation des flux turbulents à l’interface air-mer et le fonctionnement d’un modèle de climat à différentes échelles de temps dans les régions tropicales. Pour étudier ces liens, j’ai développé une stratégie de modélisation utilisant un modèle 1D atmosphérique (SCM), un modèle de circulation générale océanique (OGCM) où atmosphérique (AGCM) et un modèle couplé (GCM). L’analyse des simulations SCM permet d’étudier la réponse directe d’un modèle à la modification de la paramétrisation des flux turbulents. On montre que cette dernière régule la quantité d’eau, d’énergie et de quantité de mouvement disponible pour le système et donc son fonctionnement. Elle représente plus de 60% des différences de flux de chaleur latente simulées entre deux modèles de climat dans les périodes convectives. L’impact spatial de la paramétrisation des flux turbulents est étudié au travers des simulations AGCM. Elles mettent en évidence le lien entre la paramétrisation, son effet sur les gradients d’humidité et de température à grande échelle, et donc son influence sur la circulation atmosphérique. L’étude des simulations OGCM souligne quant à elle le rôle principal du vent pour le fonctionnement des océans tropicaux. Si le vent pilote les variations de SST dues à son impact sur la dynamique océanique et principalement sur le sous-courant équatorial, l’humidité, la température et les flux radiatifs n’influencent quant à eux que la surface océanique et sont donc d’une moindre importance. Enfin, l’analyse des simulations GCM met en évidence les rétroactions et l’ajustement engendrés par la modification des flux turbulents. Lors du couplage des deux composantes l’océan agi comme un tampon et absorbe la modification des flux turbulents ce qui entraine une modification de la SST. L’ajustement qui se produit entraine une modification des variables atmosphériques qui amène à un nouvel état d’équilibre du système. La paramétrisation des flux turbulents de surface agit au premier ordre sur l'équilibre énergétique d'un modèle couplé et peut donc amener à des climats simulés différents. Cette étude étant centrée sur les tropiques, une perspective intéressante serait d’étendre l’étude de la représentation des flux turbulents à d’autres échelles spatio-temporelles (i.e. zones extratropicales/fréquence journalière). Cela permettrait de valider le fonctionnement systématique des paramétrisations définies dans cette thèse à l’échelle globale. / The turbulent fluxes at the air-sea interface represent the link between the ocean and the atmosphere and therefore play a major role in the climate system. In climate models, turbulent processes are subgrid scale processes, not explicitly resolved, and must therefore be parameterized. They are estimated from atmospheric and oceanic state variables using mathematical models called “bulk parameterizations”. This thesis aims to characterize and understand the links between the representation of turbulent fluxes at the air-sea interface and the behavior of a climate model at different time scales in tropical regions. To study these links, I developed a modeling strategy using an atmospheric 1D model (SCM), an oceanic (OGCM) or atmospheric (AGCM) general circulation model and a coupled model (GCM). The analysis of SCM simulations allows us to study the direct response of a model to modifications of the turbulent fluxes parameterization. It is shown that it regulates the amount of water, energy and momentum available to the system and therefore its behavior. It can thus represent more than 60% of simulated latent heat flux differences between two climate models in convective periods. The spatial impact of the parameterization of turbulent fluxes is studied through AGCM simulations. They highlight the link between parameterization, its effect on large-scale moisture and temperature gradients, and thus its influence on atmospheric circulation. The study of OGCM simulations underlines the main role of the wind for the behavior of the tropical oceans. If the wind drives changes in SST due to its impact on ocean dynamics and mainly on the equatorial undercurrent, humidity, temperature and radiative flux only influence the ocean surface and are therefore of lesser importance. Finally, the analysis of GCM simulations highlights the feedbacks and the adjustment generated by the modification of turbulent fluxes. When coupling the two components, the ocean acts as a buffer and absorbs the modification of the turbulent fluxes, which leads to a modification of the SST. The adjustment that occurs causes a modification of the atmospheric variables which leads to a new state of equilibrium of the system. The parameterization of surface turbulent fluxes acts at first order on the energy equilibrium of a coupled model and can therefore lead to different simulated climate state. Since this study is focused on the tropics, an interesting perspective would be to extend the study of the turbulent fluxes representation to other spatio-temporal scales (i.e. extra-tropical areas / daily frequency). This would make it possible to validate the systematic behavior of the parameterizations defined in this thesis on a global scale.

Les flux air-mer, la convection profonde et la cyclogénèse sont étudiés en Méditerranée<br />grâce au développement d'un modèle régional couplé (AORCM). Il reproduit correctement<br />ces processus et permet de quantifier et d'étudier leur variabilité climatique. Le couplage<br />régional a un impact significatif sur le nombre de cyclogénèses intenses en hiver et sur<br />les flux et précipitations associés. Il simule une variabilité interannuelle plus faible qu'en<br />mode forcé pour les flux et la convection et permet de comprendre les rétroactions<br />qui la pilotent. L'impact régional d'un scénario climatique est analysé avec les modèles<br />non-couplés : le nombre de cyclogénèses diminue, les pluies associées augmentent au<br />printemps et en automne et diminuent en été. En outre, la Méditerranée se réchauffe,<br />se sale et sa circulation thermohaline s'affaiblit fortement. Cette thèse conclut de plus à<br />la nécessité des AORCMs pour étudier l'impact du changement climatique en Méditerranée.