L'objectif de ce travail était d'étudier la variabilité de la circulation océanique méridienne aux échelles de temps pluri décennales dans l'océan Atlantique nord au cours des deux mille dernières années, ainsi que son lien avec la variation de l'extension des gyres subtropicales et subpolaires. J'ai donc étudié, à partir de carottes de sédiments marins à fort taux de sédimentation, l'évolution de la température des eaux de surface et de la stratification de la colonne d'eau en lien avec le fonctionnement des gyres subpolaire et subtropicale.Compte tenu des difficultés spécifiques à la période de temps considérée, la première partie de mon travail a consisté à contraindre le milieu et la période de calcification des principaux foraminifères utilisés, à partir de la composition isotopique de l'oxygène analysée dans la coquille des foraminifères planctoniques. J'ai également précisé la calibration en Magnésium et en Calcium en fonction de la température. La deuxième partie de mon travail a consisté à reconstruire les conditions hydrologiques dans des zones clés de l'océan Atlantique Nord sur les deux mille dernières années. J'ai ainsi construit un index de la gyre subpolaire à partir d'un gradient de température Est-Ouest, qui traduit l'intensité dynamique de la gyre subpolaire et de la gyre subtropicale. L'apport de l'analyse des foraminifères planctoniques profonds a permis de reconstituer les variations de la colonne d'eau supérieure. La stratification plus ou moins marquée de la colonne d'eau est reliée directement à l'intensité des vents d'Ouest. Les similitudes entre les vents et l'index de gyre m'ont amené à proposer un couplage entre l'océan et l'atmosphère aux échelles de temps pluri décennales.La dernière partie de ma thèse s'est focalisée sur les conséquences des variations de la dynamique des gyres océaniques sur le transport de chaleur vers les hautes latitudes ainsi que sur l'impact des variations des vents d'Ouest sur le climat européen.

Cette thèse s’intéresse au courant profond de bord ouest dans l’Atlantique Nord, le Deep Western Boundary Current (DWBC). Ce courant transporte des eaux denses, formées dans la gyre subpolaire, vers l’équateur et constitue une des composantes majeures de la circulation méridienne Atlantique, l’AMOC (pour Atlantic Meridional Overturning Circulation). Cette circulation contribue au transport de chaleur vers les hautes latitudes et stabilise le climat actuel. L’AMOC calculée dans différents modèles de circulation générale de l’océan présente une diversité dans son intensité, sa structure spatiale et sa variabilité temporelle. De nombreux facteurs peuvent expliquer cette hétérogénéité de réponses, dont les incertitudes qui subsistent sur le lien entre la formation d’eau dense par convection dans la gyre subpolaire, qui contribue à connecter les branches supérieure et inférieure de l’AMOC, et l’intensité de l’AMOC aux moyennes latitudes. Ces incertitudes proviennent en grande partie d’une méconnaissance de la circulation profonde dans l’Atlantique Nord, car difficile à observer et souvent incorrecte dans les modèles d’océan de faible résolution spatiale.L’objectif de cette thèse est donc d’étudier la dynamique du DWBC et son influence sur l’AMOC, à l’aide de simulations numériques réalistes d’un modèle de circulation générale de l’océan (NEMO). Dans cette optique, trois configurations de résolution horizontale croissante ont été mises en place en utilisant l’outil de raffinement de grille AGRIF : une grille globale de référencer à 1/2◦ de résolution (configuration ORCA), à laquelle a été ajouté une première grille raffinée à 1/8◦ couvrant l’Atlantique nord (configuration ERNA) incluant elle-même une seconde grille à 1/32◦ centrée sur la gyre subpolaire (configuration FER). ERNA et FER sont deux configurations originales, par la prise en compte du modèle de glace de mer dans l’emboîtement des grilles, et par la résolution horizontale de FER dans la gyre subpolaire.Dans un premier temps, nous étudions l’influence de la résolution horizontale sur la circulation moyenne en Atlantique Nord avec un intérêt particulier pour l’AMOC en contrastant les simulations issues des configurations ORCA et ERNA. L’augmentation de la résolution se traduit par l’amélioration de la dynamique des courants de bord ouest, en surface et également en profondeur. En effet, le transport du DWBC s’intensifie de l’ordre de 8Sv dans la gyre subpolaire, ce qui est en partie lié à une meilleure représentation de l’écoulement des eaux denses en provenance des Mers Nordiques. En outre, alors que dans ORCA le DWBC s’écoule vers le sud principalement le long de la ride médio-Atlantique, dans ERNA la route le long du bord ouest est privilégiée avec une circulation secondaire à l’intérieur de l’inetrgyre, ce qui est en meilleur accord avec les observations. Le chemin suivi par le DWBC le long du talus continental permet une intensification de l’AMOC et de la localisation de son maximum vers 35 ̊N. Ce résultat tend à réduire l’influence de la convection aux hautes latitudes sur l’intensité de l4AMOC par l’intermédiaire de l’interaction des courants de surface et de fond.Nous nous sommes intéressés par la suite à la structure dynamique et thermohaline du DWBC, en lien avec la représentation de la méso-échelle, dans la mer du Labrador, en utilisant la configuration FER. Dans cette configuration qui résout explicitement les processus de méso-échelle dans la gyre subpolaire, la dérive en température et salinité est nettement moins importante que dans ERNA. De plus, la structure verticale du courant de bord, notamment sa barotropisation entre l’est et l’ouest sde la section AR7W dans la mer du Labrador, est en très bon accord avec les observations. A partir d’une équation simplifiée de la vorticité relative, nous avons cherché à identifier les processus principaux qui contrôlent la dynamique du DWBC. Il ressort de cette analyse que le stretching associé aux vitesses […] / The present study tackles the Deep Western Boundary Current (DWBC) dynamics in the North Atlantic basin as its impact on the AMOC. The DWBC advects dense water masses equatorward, produced in the subpolar gyre, and is one of the major component of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). This circulation contributes to the northward heat transport to high latitudes and allows to stabilise climate. When computing the AMOC in different ocean general circulation models (OGCM), results cover a wide range of intensity, spatial shape and temporal variability. Such response diversity is due to several factors. One of them is the remaining uncertainty on the link between dense water formation due to convection in the subpolar gyre, which contributes to connect the AMOC upper and lower branches, and the AMOC intensity at mid-latitudes. Those uncertainties are largely due to the knowledge gap of the deep circulation in North Atlantic because its direct observation is difficult and incorrectly reproduced in ocean models with a low spatial resolution. The methodology used rely on realistic numerical simulations based on the NEMO ocean general circulation model. Three configurations with an increasing spatial resolution have been developped using the grid refinement tool AGRIF : a global grid at 1/2◦ resolution (ORCA configuration), within which a first refined grid at 1/8◦ covering the whole North Atlantic (ERNA configuration) in which a second grid at 1/32◦ over the subpolar gyre (FER configuration). Both ERNA and FER are advanced and original by two aspects; they include a Sea-Ice model within embedded grids and FER reaches a high horizontal resolution over the subpolar gyre. We study the spatial horizontal resolution impact on the mean circulation in the North Atlantic with a focus on the AMOC contrasting simulations obtained with ORCA and ERNA solutions. Increasing the resolution improves the western boundary current dynamics at surface and depth. Indeed, the DWBC transport is intensified by 8Sv in the subpolar gyre partly due to a better representation of overflows coming from Nordic Seas through the Denmark Strait. Furthermore in ORCA the DWBC flows to the south along the Mid-Atlantic ridge ; in ERNA the flow along western continental shelf is dominant while a secondary circulation within the subpolar gyre arises being in better agreement with observations. The path followed by the DWBC along the continental shelf allows an interaction between surface and deep currents which seems to result both in an AMOC intensification and a maxima located close to 35 ̊N. This result tends to limit the influence of the convection, occuring at high latitudes, on the AMOC intensity at mid latitudes, often raised, and shed light on a modulation process of the AMOC intensity through the surface and deep currents interaction. We then addressed the thermohaline and the dynamical structure of the DWBC, asssocia- ted with the mesoscale representation, within the Labrador Sea using the FER configuration. With this configuration, which solved explicitly mesoscale eddies in the subpolar gyre, tempera- ture and salinity drift are clearly reduced compare to ERNA. Furthermore the vertical DWBC structure, especially its barotropisation from the eatstern to western side of the AR7W section within the Labrador Sea, is in very good agrement with observations. Using a simplified equation for relative vorticity, we try to identify the main processes handling the DWBC dynamics. The analysis reveals that the stretching associated with vertical velocities above topography and exchanges between isopycnal layers within boundary current dominate the vorticity balance. We also identify two areas within the DWBC where diapynal flux occur : along the Labrador Current on the western side of the Labrador Sea and seaward of Cape Desolation where eddy activity is marked. These results are close to two previous studies based on conceptual model and […]

L’objectif de ce travail était d’étudier la variabilité de la circulation océanique méridienne aux échelles de temps pluri décennales dans l’océan Atlantique nord au cours des deux mille dernières années, ainsi que son lien avec la variation de l’extension des gyres subtropicales et subpolaires. J’ai donc étudié, à partir de carottes de sédiments marins à fort taux de sédimentation, l’évolution de la température des eaux de surface et de la stratification de la colonne d’eau en lien avec le fonctionnement des gyres subpolaire et subtropicale.Compte tenu des difficultés spécifiques à la période de temps considérée, la première partie de mon travail a consisté à contraindre le milieu et la période de calcification des principaux foraminifères utilisés, à partir de la composition isotopique de l’oxygène analysée dans la coquille des foraminifères planctoniques. J’ai également précisé la calibration en Magnésium et en Calcium en fonction de la température. La deuxième partie de mon travail a consisté à reconstruire les conditions hydrologiques dans des zones clés de l’océan Atlantique Nord sur les deux mille dernières années. J’ai ainsi construit un index de la gyre subpolaire à partir d’un gradient de température Est-Ouest, qui traduit l’intensité dynamique de la gyre subpolaire et de la gyre subtropicale. L’apport de l’analyse des foraminifères planctoniques profonds a permis de reconstituer les variations de la colonne d’eau supérieure. La stratification plus ou moins marquée de la colonne d’eau est reliée directement à l’intensité des vents d’Ouest. Les similitudes entre les vents et l’index de gyre m’ont amené à proposer un couplage entre l’océan et l’atmosphère aux échelles de temps pluri décennales.La dernière partie de ma thèse s’est focalisée sur les conséquences des variations de la dynamique des gyres océaniques sur le transport de chaleur vers les hautes latitudes ainsi que sur l’impact des variations des vents d’Ouest sur le climat européen. / The purpose of this thesis was to study the surface oceanic circulation in the North Atlantic Ocean during the last 2,000 years, and its link with the intensity of the subpolar and the subtropical gyres. To fulfill these objectives, I studied sediment cores with a high sedimentation rate to reconstruct the multidecadal variability of the temperature and the water column stratification, controlled by the dynamic of oceanic gyres. To improve the marine paleoclimatic signal recorded from planktonic foraminifera, I constrained their growing season and their calcification depth by analyzing the oxygen isotopic composition of their calcitic shells. I also established calibrations between Mg/Ca ratio and temperature for the main species used.I applied these calibrations to reconstruct the hydrological conditions in key areas of the North Atlantic Ocean. I constructed an index of the subpolar gyre that traduces the dynamic intensity of the subpolar gyre and the subtropical gyre. I also studied the variability of the upper water column based on the analysis of deep-dwelling foraminifera. I interpret past changes in the water column stratification as resulting from changes in the intensity of Westerly winds. The similarities between the wind forcing evolution and the index of the subpolar gyre dynamics led me to propose a coupling between the ocean and the atmosphere on the multidecadal time scale. The consequences of the gyres dynamic on heat transport and the impacts of the change in westerly wind strength on European climate are studied in the last part of the manuscript.

La dorsale de Reykjanes est une structure topographique majeure de l’océan Atlantique Nord qui s’étend de l’Islande à la zone de fracture de Charlie Gibbs. Située entre le bassin d’Islande et la mer d’Irminger, la dorsale de Reykjanes influence fortement la circulation du gyre subpolaire et est une porte d’entrée vers les zones de convection profondes. Cependant, la circulation et la répartition des masses d’eau à travers la dorsale de Reykjanes n’ont jamais été directement quantifiées, de sorte que la caractérisation de la connexion entre le bassin d’Islande et la mer d’Irminger est encore incomplète. Dans le cadre du projet « Reykjanes Ridge Experiment », nous avons été capables d’analyser la circulation autour, au-dessus et à travers la dorsale de Reykjanes. Essentiellement à partir de sections hydrographiques perpendiculaires et le long de l’axe de la dorsale, l’objectif de cette thèse a été de quantifier et caractériser la circulation 3-D et les propriétés des courants qui longent et traversent la dorsale de Reykjanes. Nous avons commencé par quantifier précisément le transport géostrophique à travers les sections, ce qui a permis d’améliorer le traitement des données S-ADCP. A travers la dorsale de Reykjanes, l’intensité de la branche du gyre subpolaire qui rejoint la mer d’Irminger a été estimée à 21.9 + 2.5 Sv en Juin – Juillet, avec des intensifications dans la zone de fracture Bight (BFZ) et à 59 – 62°N. Dans la BFZ, les masses d’eau profondes sont influencées par la bathymétrie, de sorte que leurs propriétés hydrologiques se modifient lorsqu’elles traversent la dorsale de Reykjanes. Enfin, la bathymétrie et la circulation horizontale cyclonique du bassin d’Islande contrôlent les courants qui longent la dorsale en bloquant certaines masses d’eau, et donc sont à l’origine de la répartition de ces masses d’eau le long de la dorsale. En plus des masses d’eau du Bassin d’Islande, le Courant d’Irminger comprend également des masses d’eau qui proviennent de la mer d’Irminger. / The Reykjanes Ridge is a major topographic feature of the North-Atlantic Ocean that extends from Iceland to the Charlie Gibbs Fracture Zone. Located between the Iceland Basin and the Irminger Sea, the Reykjanes Ridge strongly influences the subpolar gyre circulation and is a gate toward the deep convection areas. However, the circulation and distribution across the Reykjanes Ridge has never been directly quantified such that the characterization of the connection between the Iceland Basin and the Irminger Sea is still incomplete. As part of the Reykjanes Ridge Experiment project, we were able to analyze the circulation around, above and across the Reykjanes Ridge. Mainly based on hydrographic sections along and perpendicular to the ridge axis, the aim of this PhD thesis was thus to characterize the 3-D circulation and properties of the flow along and across the Reykjanes Ridge.We started by accurately quantifying geostrophic transports across the sections, which led to improvements in the treatment of S-ADCP data. Across the Reykjanes Ridge, the intensity of the wesward branch of the subpolar gyre was estimated at21.9 + 2.5 Sv in June – July 2015 with intensifications at the Bight Fracture Zone (BFZ) and at 59 – 62°N. At the BFZ, overflow waters are influenced by the bathymetry such as their hydrological properties evolve as they cross the Reykjanes Ridge. Finally, both the bathymetry and the cyclonic horizontal circulation of the Iceland Basin regulate the evoluton of the along-ridge flows by blocking water masses, and thus shaping the water mass distribution over the Reykjanes Ridge. In addition to waters from the crossridge flow, the Irminger Current incorporates waters from the center of the Irminger Sea.

Le gyre subpolaire de l'Atlantique Nord est le siège de la plus importante floraison (bloom) phytoplanctonique de l'océan global. Cet événement biologique majeur joue un rôle crucial sur le fonctionnement des écosystèmes océaniques et sur le cycle global du carbone. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les processus bio-physiques qui contrôlent la dynamique du bloom phytoplanctonique et l'export de carbone à différentes échelles spatio-temporelles. Dans une première étude, basée sur des données satellites climatologiques, le gyre subpolaire a été biorégionalisé en fonction des différents cycles annuels de biomasse phytoplanctonique. Les conditions de mélange, couplées à l’intensité de la lumière de surface, contrôlent l’initiation du bloom printanier au sein des différentes biorégions. La nouvelle génération de flotteurs BGC-Argo a permis, dans une deuxième étude, d’explorer des processus à des échelles plus fines, en particulier pendant la période hivernale jusqu’à présent très peu étudiée. En hiver, des restratifications intermittentes et locales de la couche de mélange, liées à des processus de sous-mésoéchelle, initient des blooms transitoires qui influencent la dynamique du bloom printanier. Enfin, une troisième étude a montré que la variabilité haute-fréquence de la profondeur de la couche de mélange pendant la transition hiver-printemps joue aussi un rôle crucial sur l’export de carbone. / The North Atlantic Subpolar Gyre exhibits the largest phytoplancton bloom of the global ocean. This major biological event plays a crucial role for the functioning of marine ecosystems and the global carbon cycle. The aim of this thesis is to better understand the bio-physical processes driving the dynamics of the phytoplankton bloom and carbon export at various spatiotemporal scales.In a first study, based on satellite data at a climatological scale, the subpolar gyre is bioregionalized according to distinct annual phytoplankton biomass cycles. The light-mixing regime controls the phytoplankton bloom dynamics in the different bioregions.In a second study, the new generation of BGC-Argo floats allowed for processes to be explored at a finer scale, especially during the overlooked winter season. In winter, intermittent and local restratifications of the mixed layer, triggered by sub-mesoscale processes, initiate transient winter blooms impacting the spring bloom dynamics.Finally, a third study showed how the high-frequency variability of the mixed layer depth during the winter-spring transition plays a crucial role on carbon export.

La circulation méridienne de retournement (MOC) de l’Atlantique Nord est une composante clé du système climatique global, via son rôle dans la redistribution de chaleur, d’eau douce et de propriétés chimiques entre hautes et basses latitudes. Aux moyennes et hautes latitudes, le Courant Nord-Atlantique(NAC) forme la branche haute de la MOC. Il s’écoule vers le nord-est à la frontière des gyres subpolaire et subtropical, et se divise en deux branches principales dans l’est du gyre subpolaire : une branche nord qui recircule vers l’ouest dans le gyre subpolaire et une branche sud qui alimente les mers Nordiques.Une simulation réaliste haute résolution (ORCA025-G70, 1/4°) est combinée à un outil d’analyse Lagrangienne pour étudier la variabilité de la MOC (1965-2004) à travers la section A25-Ovide qui joint le Portugal au Groenland. Deux cellules de retournement vertical sont identifiées : une cellule subtropicale connectant les hautes et basses latitudes et une cellule interne aux régions subpolaires. La variabilité décennale de la MOC est associée à des changements synchronisés des apports subtropical et subpolaire dans la NAC. Ce dernier subit d’importantes restructurations horizontales caractérisées par la variabilité opposée de ses deux branches. Ces modifications de la distribution horizontale du transport sont principalement régies par la variabilité de l’afflux subtropical.Les variations du transport de chaleur à travers A25-Ovide sont la cause principale de la variabilité du contenu de chaleur observée dans l’est du gyre subpolaire (1965-2004). La variabilité du transport de chaleur résulte d’un déséquilibre entre des changements opposés de ses composantes « vitesse » et « température ». Les anomalies de vitesse et température sont en partie reflétées dans des déplacements verticaux d’isopycnes, potentiellement associés à la proportion changeante de masses d’eau subtropicales et subpolaires transportées par la branche nord du NAC.Enfin, une circulation surface-fond moyenne calculée depuis des mesures hydrographiques répétées et des mesures altimétriques indique une contribution mineure de la mer du Labrador pour la MOC global. Cependant, l’intensité du retournement diapycnal à AR7W a presque diminué de moitié entres les 1990’s et les 2000’s, confirmant l’importance de la région pour la variabilité basse-fréquence de la MOC. / The meridional Overturning Circulation (MOC) of the North Atlantic ocean is a key component of the global climate system, through its role in redistributing heat, freshwater end chemical properties between low and high latitude regions. In mid-high latitude regions, the North Atlantic Current (NAC) forms the upper limb of the MOC. It flows northeastward at the subtropical/subpolar boundary, and splits into two main branches in the eastern subpolar gyre: a northern branch that recirculates within the subpolar region and a southern branch that feed the Nordic Seas.A realistic eddy-permitting simulation (ORCA025-G70, 1/4°) is combined with a Lagrangian analysis tool (ARIANE) to investigate the MOC variability (1965-2004) across the A25-Ovide line, which joins Greenland to Portugal. Two vertical overturning cells are identified: a subtropical cell connecting low and high latitudes (12Sv) and a cell internal to the subpolar gyre (4Sv). The decadal MOC variability is associated with synchronized transport changes of the subtropical and subpolar inflow within the NAC. The latter undergoes important horizontal restructuring with opposed transport changes of its northern and southern branches. Those horizontal transport changes are largely induced by the horizontal variability of the subtropical inflow.Changes in oceanic heat transport across A25-Ovide are largely responsible for the observed heat content changes in the eastern subpolar gyre (1965-2004). Heat transport variability at A25-Ovide results from an imbalance between opposed changes in its velocity and temperature components. Both temperature and velocity anomalies are partly reflected in large scale heaves of isopycnals, and potentially relate to the varying proportion of warm subtropical waters and cold subpolar waters advected within the northern NAC branch.A 2000’s mean full-depth circulation computed along the merged AR7W/A25-Ovide line from repeated hydrographic profile and altimetry data indicates a minor contribution of the Labrador Sea to the basin wide mean MOC. However, the strength of the diapycnal overturning at AR7W has almost halved between the 1990’s and the 2000’s, confirming the importance of the region for the low-frequency MOC Variability.