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This dissertation discusses a linkage between the Southern Ocean (SO) winds and the global ocean circulation in the framework of a coarse-resolution global ocean general circulation model coupled to a sea-ice model. In addition to reexamination of the conventional linkage that begins with northward Ekman transport and extends to the North Atlantic (NA) overturning, the author investigates a new linkage that begins with the Southern Hemisphere (SH) sea-ice – ocean interaction perturbed by the anomalous SO winds and extends to the SH overturning, the response of the NA overturning, and the long-term baroclinic adjustment of the Antarctic Circumpolar Current (ACC). How the above two linkages will interact with each other in a warming world is also investigated. An interactive momentum flux forcing, allowing for the strength of momentum flux between atmosphere and sea ice to vary in response to the simulated sea-ice conditions, enhances wind-driven ice divergence to increase the fraction of leads and polynyas, which increases dense water formation, and thus intensifies convection. Within three experimental frameworks, this increased dense water consistently increases the Antarctic Bottom Water formation, which directly intensifies the SH overturning and indirectly weakens the NA overturning. As a result of the hemispheric change in overturning circulations, the meridional density gradient across the ACC appears to increase, ultimately increasing the baroclinic part of the ACC via an enhanced thermal wind shear. Subsequently, impacts of the poleward shifted and intensified SH subpolar westerly winds (SWWs) on the global ocean circulation are investigated in phases. When the SWWs are only shifted poleward, the effect of the anomalous winds is transmitted to the northern NA, decreasing both the NA overturning and the North Atlantic Deep Water (NADW) outflow. However, when the SWWs are shifted poleward and intensified, this effect is cut off by the intensified Deacon cell overturning, and is not transmitted to the northern NA, and instead increases the NADW outflow substantially. To sum up, with respect to the SO winds perturbed by the global warming, the SH overturning cell and the NADW outflow increase, leading to an increase in the volume transport of the ACC.

Thesis (M.S.)--Massachusetts Institute of Technology and the Woods Hole Oceanographic Institution, 2001. / Bibliography: p. 65-67.

Thesis (Ph. D.)--University of Rhode Island, 2004. / Typescript. Includes bibliographical references (v. 2, leaves 467-485).

Global Ocean Governance (GOG) är till för att styra och organisera aktörers nyttjande av havens resurser som inte täcks av nationell lagstiftning på ett hållbart sätt. Men efter årtionden av staters förbiseende av regimen för ett hållbart nyttjande som främst FNs Generalförsamling (UNGA) ämnat skapa, har regimen inte fungerat. Även om stater rationellt skulle gynnas av att samarbeta för ett hållbart nyttjande av havens resurser genom ett moratorium av bottentrålfiske i internationellt vatten, har detta inte skett. Det är alltså tydligt att regimen inte fungerar. Frågan är varför - det vill säga hur regimen brister i att säkerställa ett hållbart nyttjande av havens resurser. För att ta reda på hur regimen brister krävs en undersökning av regimens (in)effektivitet.Det finns ingen konsensus mellan regimteoretiker av vad som utgör en (in)effektiv regim och hur en regims effektivitet kan mätas. Denna studies huvudsakliga bidrag till den vetenskapliga forskningen är att bidra med information om vad som utgör en effektiv respektive ineffektiv regim. Denna studies syfte är inte att ta reda på denna fråga, men att genom analysen om hur regimen av ett moratorium av bottentrålfiske i internationellt vatten brister, bidra till den vetenskapliga forskningen utifrån teorikonsumtion.Genom Greenes (1996) kriterier för vad som utgör en (in)effektiv regim har jag undersökt hur regimen, dess skapande institutioner samt regimens omgivning, brister. Ett viktigt resultat av min analys är att UNGA brister på grund av sin försiktighet att styra staters beteende genom en global regim, det vill säga betoningen av dess resolutioner i frågan om ett moratorium mot bottentrålfiske i internationellt vatten är bristfälliga. / The main task of Global Ocean Governance (GOG) is to govern and organize actor’s exploitation of the resources that the seas that are not covered by national jurisdiction provide, in a sustainable manner. But after decades of state’s ignorance towards theregime on a sustainable use of the resources of the seas that the United Nation’s General Assembly (UNGA) has been aiming to create, the regime has shown to be dysfunctional.Even if states would benefit rationally from cooperation for a sustainable use of the resources that the seas provide through a moratorium on bottom trawling of the high seas, such cooperation is not in place. It is clear that the regime is dysfunctional. The question is why – that is, in what way the regime is insufficient in providing a sustainable use of the resources of the high seas. In order to analyse why the regime is flawed, an evaluation of the regime’s (in)efficiency is required.There is no consensus among regime theorists of what makes an (in)effective regime and how a regime’s effectiveness can be measured. The main scientific contribution of this study is to contribute with information on what criteria makes an effective or an ineffective regime. The purpose of this study is not to examine this question per se, but to, through the analysis of how the regime on a moratorium of bottom trawling in the high seas is lacking, provide to the scientific regime discussion through theory consumption.Through Greene’s (1996) criteria on what makes a regime (in)effective, I have analysed how the regime, it’s creator’s, and the surroundings of the regime, fails. A key- finding of my analysis is that UNGA fails because of its caution to steer state’s behaviour through a regime, that is, the stress of its resolutions for a moratorium on bottom trawling in the high seas are lacking.

L'objectif de cette thèse est de développer des approches statistiques pour l'évaluation systématique et quantitative de simulations océaniques multi-décennales globales à l'aide d'observations altimétriques et hydrographiques. La première étape consiste à extraire des simulations la contrepartie exacte (en temps et en espace) des observations pour construire des données synthétiques. La comparaison entre les données observées et simulées colocalisées permettent d'évaluer les simulations et de les comparer entre elles par rapport à des références communes (observations). De plus, la comparaison entre les sorties des modèles considérées chaque point de grille et colocalisées permet d'évaluer l’impact du sous-échantillonnage des réseaux d’observations sur l'estimation de certaines quantités océaniques importantes pour le climat. Nous quantifions l'impact de la résolution de nos modèles (2°, 1°, ½°, ¼°) sur le réalisme des simulations au regard des observations. Résoudre une gamme d'échelles spatio-temporelles plus large améliore de façon significative la représentation de la circulation océanique moyenne, de la structure thermohaline, de la variabilité saisonnière de la couche de mélange et de la variabilité du niveau de la mer sur plusieurs échelles spatio-temporelles, notamment à l'échelle interannuelle. Ce résultat nouveau montre l’intérêt d’utiliser un modèle au 1/4°, capable de représenter en partie la méso-échelle, pour les scénarios climatiques. Nous mettons également en évidence la capacité du modèle au 1/4° à simuler une variabilité interannuelle intrinsèque du niveau de la mer, non corrélée avec les observations en raison de son caractère chaotique, mais probablement réaliste et nécessaire pour mieux représenter l'intensité de la variabilité interannuelle.A l’aide des simulations, nous montrons également que l'inhomogénéité de la couverture spatio-temporelle du réseau d'observations Argo induit une surestimation des profondeurs et des contenus thermiques de la couche de mélange, et que les limitations géographiques du réseau actuel induisent des biais en amplitude sur les estimations des variabilités saisonnière et interannuelle du contenu thermique de l'océan global. / This work aims to develop statistical approaches to systematically and quantitatively assess 50-year global ocean simulations against altimetric and hydrographic observations. Simulation outputs are first sub-sampled exactly like observations to build pseudo (synthetic) observations. We use collocated misfits between synthetic and real observations to assess the simulations at the same dates and locations, and compare the simulations together. We then use the sub-sampled and fully sampled model outputs to assess the impact of sub-sampling in real observing systems on the estimation of oceanic quantities with climatic relevance. We first quantify how the resolution of our ocean models (2°, 1°, ½°, ¼°) affects the realism of their solutions with respect to both observational datasets. We quantify how broadening the range of resolved space scales significantly improves the representation of the mean surface circulation, the thermohaline structure, the seasonal cycle of mixed layers, as well as sea-surface height variability at most space and time scales; this is particularly the case at interannual time scales, highlighting the potential of eddy-permitting resolutions for climate simulations. We also show the capacity of the 1/4° model to simulate an interannual intrinsic variability of sea-level, decorrelated from observed timeseries because of its chaotic character, but probably realistic and necessary to better represent the intensity of the interannual variability.The simulations also show that the spatio-temporal dispersion of the Argo floats induces overestimations of the mixed layer depths and heat contents, and the geographical restrictions of the actual Argo array induce biases in amplitude on the seasonal and interannual variabilities of the global ocean heat content.

Traditionally, ocean tides have been modelled in frequency domain with forcing of selected tidal constituents. It is a natural approach, however, non-linearities of ocean dynamics are implicitly neglected. An alternative approach is time-domain modelling with forcing given by the full lunisolar potential, i.e., all tidal constituents are included. This approach has been applied in several ocean tide models, however, a few challenging tasks still remain to solve, for example, the assimilation of satellite altimetry data. In this thesis, we present DEBOT, a global and time-domain barotropic ocean tide model with the full lunisolar forcing. DEBOT has been developed "from scratch". The model is based on the shallow water equations which are newly derived in geographical (spherical) coordinates. The derivation includes the boundary conditions and the Reynolds tensor in a physically consistent form. The numerical model employs finite differences in space and a generalized forward-backward scheme in time. The validity of the code is demonstrated by the tests based on integral invariants. DEBOT has two modes for ocean tide modelling: DEBOT-h, a purely hydrodynamical mode, and DEBOT-a, an assimilative mode. We introduce the assimilative scheme applicable in a time-domain model, which is an alternative to existing...

La biosphère marine joue un rôle fondamental dans la dynamique du Système Terre (cycle du carbone, composition atmosphérique, etc.) et rend un certain nombre de services essentiels à l’humanité (pêcheries, séquestration du carbone notamment). Sa vulnérabilité aux changements globaux (changement climatique, exploitation croissante des ressources naturelles et pollution en particulier) rend nécessaire et urgente l’anticipation de ses évolutions possibles. Dans cette perspective, il s’agira dans cette thèse d’étudier comment les écosystèmes marins sont structurés par leur environnement et comment cette structuration peut influer sur leur fonctionnement jusqu'à l’échelle de l’océan global. Dans un premier temps un cadre de modélisation a été développé pour prendre en compte l'impact de l'environnement des individus aux populations aux communautés. Il est basé sur un modèle de spectre de biomasse représentant les communautés de poisson en utilisant seulement la taille des individus et la taille maximum des espèces comme variables. Issu d'un modèle détaillé par Maury O. & Poggiale J.C. (2013) il est implémenté pour la représentation d'une communauté de poisson générique. Des indicateurs de structure, diversité et métabolisme sont développés pour étudier les écosystèmes ainsi représentés. Une fois le cadre méthodologique définit le modèle est utilisé pour l'étude idéalisée des propriétés du spectre de biomasse contraint par des conditions environnementales variables. L'impact de la variation de production primaire ainsi que la variation de température du milieu sont plus particulièrement étudiés. Tout d'abord en statique, c'est à dire en imposant différents niveaux constants. Indépendamment du forçage les communautés ont des propriétés similaires en augmentant la production primaire, en diminuant la température du milieu. Quatre domaines se succèdent en augmentant la production primaire, diminuant la température, à l'intérieur desquels les communautés de poissons ont des caractéristiques similaires. Les différentes propriétés dans les différents domaines induisent diverses sensibilités des écosytèmes à des niveaux de production primaire et/ou température distincts. Afin de lier les résultats de ces expériences numériques à la réalité, les propriétés des écosystèmes à différentes latitudes sont simulées. Le spectre de communauté est calculé le long d'une section latitudinale de l'équateur au pôle en forçant avec des niveaux moyens de production primaire et température. Les propriétés des écosystèmes ainsi représentés éclairent sur l'observation de tailles d'espèces croissantes de l'équateur aux pôles, la règle de Bergmann. Après ces résultats pour des spectres statiques, les propriétés dynamiques des spectres de communauté sont étudiées par l'étude de la saisonnalité. En forçant les communautés à différentes latitudes par un cycle saisonnier de production primaire et température, la succession d'espèces au sein de celles-ci joue un rôle sur les propriétés des communauté. Des pôles à l'équateur cette succession est plus ou moins marquée et impact la capacité des écosystème à maintenir les espèces les plus larges tout au long de la période de basse production entre deux blooms. Une fois les propriétés du spectre de biomasse évaluées de façon idéalisée, le modèle est implémenté dans le modèle d'écosystème APECOSM afin de prendre en compte les interactions spatiales et les interactions avec l'habitat. Appliqué à l'échelle de l'océan global et forcé par les champs physiques et biogeochimiques du modèle NEMO-PISCES il permet la modélisation des caractéristiques des écosytèmes en fonction de leur environnement. Différentes caractéristiques connues des écosystèmes marins sont reproduites, notamment la règle de Bergmann. Les modèles actuels décrivant le fonctionnement des écosystèmes marins ne comportent que des représentations très simplifiées de la biodiversité / The marine biosphere plays a fundamental role in the earth system dynamics (carbon cycle, atmosphere composition, etc.) and provides numerous essential services to humanity (fisheries, carbon sequestration). Its vulnerability to global change (climate change, growing exploitation of natural resources, pollution) makes the study of its evolutions imperative. In this framework, the aim of this thesis is the study of the structuring of the marine biodiversity by hydro-climatic variability of the global ocean, as well as how this structuring impacts on the ecosystems functioning. First, a modelling framework is developed to account for the impact of environment from individuals to populations to communities. It is based on a biomass size spectrum model which represents fish communities with individuals size and species maximum length as only variables. Detailed in Maury O. & Poggiale J. C. (2013) the model is implemented to represent a generic fish community. Indicators of structure, diversity and metabolism are developed to study so represented ecosystems. Once the methodogical framework defined the model is used for the idealized study of the biomass size spectrum properties when constrained with different environmental conditions. The impact of distinct constant primary production and temperature levels are investigated. First the static impact, forcing ecosystems with constant levels. Communities present similar properties for increasing primary production or decreasing water temperature. A succession of four domains characterized by similar fish community features are observed with increasing primary production, decreasing temperature. These distinct charateristics will induce distinct sensitivities of ecosystems function of the level of primary production or temperature. In order to link the results of these numerical experiments to reality the properties of ecosystems along latitudes are also computed. The community biomass spectrum is simulated along stations at different latitudes from pole to equator forcing with mean primary productions and temperatures. The properties of so represented communities enlight the observation of increasing species length with latitude, the so called Bergmann's rule. After the results for static spectra, the dynamic properties of fish community spectra are analyzed through the seasonality. Forcing communities at different latitudes with a seasonal primary production and temperature cycle a more or less strong species sucession is observed. The succession impacts the capacity of communities to maintain larger species during the bad season of poor conditions between two peaks of primary production. Once the properties of the biomass community spectrum investigated in an idealized manner, the model is implemented in the ecosystem model APECOSM in order to account for the spatial interactions and the link with habitat. Applied in the global ocean and forced with physical and biogeochemical NEMO-PISCES domains the model allows the modelling of ecosystems characteristics. Different known characteristics of marine ecosystems are reproduced, especially Bergmann's rule. The current models describing marine ecosystems provide a simplified representation of biodiversity (e.g. NPZD type biochemical models, Ewe or Atlantis type box models, OSMOSE and APECOSM type models). It induces a limitation of their use in the study of the impact of climate change on biodiversity and reversely; for the study of the impact of biodiversity changes on the functioning of ecosystems. The model we describe mechanistically allows the representation of the dynamic of ecosystems from individual bioenergetic and predation interactions while keeping diversity.