Decadal variations in climate are important, because the magnitude of sustained decadal change is often much larger than the often discussed background trends. Climate variability at interannual and longer periods is most often discussed in the context of climate modes defined by sea level pressure (SLP) and sea surface temperature (SST) patterns. However, SLP and SST are not capable descriptors of ocean dynamics. The approximately two decades of global sea surface height (SSH) measurements from satellite altimetry reveal substantial low-frequency redistributions of heat and salt in the ocean, which may or may not be related to defined climate modes. In addition, coastal sea level responds directly to synoptic variability in the atmosphere, providing long records of weather events in coastal areas. The unifying idea in the following analyses is the value and versatility of SSH from altimetry and sea level from tide gauges for investigations of decadal climate variability. Three applications of SSH and coastal sea level to the study of decadal change demonstrate the merits of using sea level for investigations of oceanic and atmospheric, episodic and continuous processes. The analyses concern a multidecadal change in storminess along the coast of the Southeast U.S., basin-scale coherent sea level variations in the western boundary of the North Atlantic, and the low-frequency response of the ocean to atmospheric forcing in the Northeast Pacific.

Les coups de vent d’ouest (WWEs) issu de la variabilité synoptique atmosphérique jouent un rôle crucial dans les irrégularités d’ENSO en contribuant au déclenchement et au développement de sa phase chaude, El Niño. Les WWEs sont des événements haute fréquence peu prévisibles et dont les origines atmosphériques restent encore débattues. Dans le but d’affiner la prévisibilité d’ENSO, cette thèse caractérise la part stochastique de la part prévisible des WWEs ainsi que de leur réponse océanique et couplée. Dans une première partie, j’ai relié l’occurrence et les caractéristiques des coups de vent à des phénomènes de grande échelle comme l'oscillation de Madden-Julian, les ondes de Rossby atmosphériques et ENSO, à partir d’analyse d’observations. Ensuite, la forte sensibilité de la réponse océanique des WWEs à l’état de l’océan a été mise en évidence grâce à une série de simulations océaniques forcées. Finalement, une simulation d’ensemble réalisée avec un modèle couplé océan-atmosphère a permis d'explorer le rôle des WWEs dans l’évolution contrastée des années 1997,2014 et 2015 qui présentaient des conditions similaires et favorables au déclenchement d'El Niño. Les résultats de ce travail montrent que la stochasticité des WWEs aboutit à une limitation intrinsèque de la prévisibilité des caractéristiques d’El Niño. / Equatorial Pacific Westerly Wind Events (WWEs) impact ENSO evolution through their oceanic response and strongly contribute to its irregularities. WWEs are characterized by episodes of anomalous, short-lived, strong westerlies developing over the western Pacific warm pool. This thesis characterize the atmospheric origins and the oceanic and coupled impacts of these events in order to improve ENSO prediction. First, we show that, at intraseasonnal timescale, the Madden-Julian oscillation and the convectively coupled Rossby waves provide favourable conditions for the occurence of WWEs and confirm their modulation by ENSO at interannual timescale. Oceanic simulation with idealized forcing further allow characterizing and understanding the modulation of the SST response to WWE by the oceanic background state. Finally, The role of WWEs in the contrasted evolution of El Niño in 1997,2014 and 2015, which exhibited favourable conditions for El Niño to develop, is explored in ensemble simulations using a coupled ocean-atmosphere model. It is shown that the stochasticity of the WWEs acts as a strong limitation for ENSO predictability.

Wavelike spiral asymmetries are an intriguing aspect of Tropical Cyclone dynamics. Previous work hypothesized that some of them are Vortex Rossby Waves propagating on the radial gradient of mean–flow relative vorticity. In the Intermittently Forced Vortex Rossby Wave theory, intermittent convection near the eyewall wind maximum excites them so that they propagate wave energy outward and converge angular momentum inward. The waves’ energy is absorbed as the perturbation vorticity becomes filamented near the outer critical radii where their Doppler–shifted frequencies and radial group velocities approaches zero. This process may initiate outer wind maxima by weakening the mean–flow just inward from the critical radius. The waves are confined to a relatively narrow annular waveguide because of their slow tangential phase velocity and the narrow interval between the Rossby wave cut–off frequency, where the radial wavenumber is locally zero, and the zero frequency, where it is locally infinite.

The large-scale, mid-latitude circulation in the upper troposphere is dominated by Rossby waves. The jet stream flows along the wave structure and surface cyclones can be found ahead of the troughs of the waves, propagating eastward. This propagation is here estimated as the zonal phase speed which is quantified using spectral analysis, producing a unique, global daily value for each day of the winter season (DJF) between 1979 and 2019. From this data set phase speed events are defined as periods of more than four consecutive days of the top or bottom 5\% phase speed values, resulting in 15 low phase speed events and 22 high phase speed events. During events of low phase speed the 2m temperature is higher than the climatology at high latitudes and lower over Europe and Siberia. Zonal wind speed at 10m and 250hPa is also found to be lower than the climatology over both the Pacific and Atlantic storm track. Furthermore, low phase speed events are found to be occurring when blocking is present on either one or both storm tracks. During high phase speed events there is an overall increase in zonal wind speed both at 10m and 250hPa over both storm tracks as well as total magnitude of wind over western Europe. These findings suggest a link of high phase speed events to windstorms over Europe. A subjective classification indicates that at the onset of high phase speed events blocking is found mainly in two regions, one at high latitudes outside the Siberian coast and one at low latitudes outside the coast of Japan, suggesting enhanced temperature gradients at the entrance of the Pacific could cause these events. / Den storskaliga cirkulationen över mellanbredderna i den övre troposfären domineras av Rossbyvågor. Dessa är en vågstruktur som formas från Jordens rotation och vorticitet och associeras med det starka flödet från jetströmmen som återfinns längs vågstrukturen. På grund av vorticiteten uppstår cykloner framför vågornas tråg och hela systemet propagerar österut. Propageringen uppskattas här som fashastighet och kvantifieras med spektralanalys, en metod där interpolering från ett spektrum används snarare än teoretiska beräkningar. Detta producerar ett unikt och globalt dygnsmedel under vintersäsongen (December, Januari, Februari) mellan 1979 och 2019, där vintern väljs på grund av den stora variabiliteten i fashastighet som observeras då. Från denna data definieras fashastighetsevent som fyra eller fler dagar i sträck med de högsta eller lägsta 5 \%-värdena, vilket resulterar i 15 event med låg fasthastighet och 22 event med hög fashastighet. Under eventen med låg fashastighet är temperaturen vid 2m högre än klimatologin vid höga breddgrader och lägre över Europa och Sibirien. Den zonala vinden vid 10m och 250hPa är också lägre än klimatologin över både lågtrycksbanan över Stilla havet och Atlanten. Vidare så fann vi att låg fashastighet uppstår i samband med atmosfärisk blockering över en eller båda lågtrycksbanor. Under event med hög fashastighet observeras en ökning i zonal vindstyrka både vid 10m och 250hPa över båda lågtrycksbanorna samt en ökad styrka i den totala magnituden av vinden över västra Europa. Dessa fynd tyder på en länk mellan hög fashastighet och vindstormar i Europa. Vid starten av event med hög fashastighet återfinns atmosfärisk blockering främst i två regioner, en vid höga breddgrader utanför den Sibiriska kusten och en vid låga breddgrader utanför Japans kust, vilket tyder på att ökade temperaturgradienter vid början av lågtrycksbanan över Stilla havet kan orsaka dessa event.

Thesis (Ph.D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Meteorology and Physical Oceanography, 1982. / Microfiche copy available in Archives and Science. / Bibliography: leaves 159-163. / by Brian Bennett Reinhold. / Ph.D.

In this project warm extreme temperature events in the Arctic region during the spring months March, April and May were identified and analysed. In the analysis daily average NCEP reanalysis data from NOAA/OAR/ESRL PSL format was used. The extreme events were retrieved as the highest positive temperature anomalies from the climatological mean, and the synoptic scale plots for the 50 most extreme events were created to identify what patterns caused the extreme warming over the Polar region. By contouring the areas of statistical significance, the regions with a reoccuring pattern were identified. The results conclude that cyclonic activity over the high Arctic extending down over Greenland and northern Canada combined with anomalously high geopotential height over the north Pacific ocean, over the Arctic, and towards Siberia cause the high temperatures over the pole. A weaker Polar Vortex causes perturbations in the jet stream, ridges in these Rossby waves can act as a pathway for warm and moist air from the oceanic regions which has a warming effect in the Arctic. Further analysis can be done to investigate what teleconnections these spring-time extreme events have on a global scale. / Under detta projekt har extremt varma temperaturevent i Arktisområdet under vårmånaderna Mars, April och Maj identifierats samt analyserats, genom att använda daglig medelvärdes NCEP reanalys data från NOAA/OAR/ESRL PSL i NetCDF format. De extrema händelserna identifierades genom att ta de största positiva temperaturavvikelserna från ett klimatologiskt medelvärde, storskaliga avvikelseplottar skapades för de 50 mest extrema händelserna för att kunna identifiera meteorologiska mönster som ovanligt varma Arktisdagar. De områden med mest återkommande mönsterna var statistiskt signifikanta  och markerades med svarta konturer. Resultaten visar att lågtrycksaktivitet i Arktis som sträcker sig ner över Grönland samt norra Kanada kombinerat med höga geopotentialhöjdavvikelser över Stilla havet och Sibirien som sträcker sig upp mot Nordpolen orsakar ovanligt höga temperaturer i Arktis. En svag polarvirvel orsakar störningar i jetströmmen, dessa ryggar i jetströmmen kan transportera varm fuktig luft från haven mot polen vilket kan ha en värmande effekt. Vidare forskning kan utföras för att identifiera de exakta kopplingarna och konsekvenserna som dessa varma extrema Arktishändelser har globalt.

Dans la première partie de cette thèse, nous développons un code numérique hybride basé sur un modèle quasi-géostrophique des écoulements dans les noyaux planétaires forcés par un chauffage interne. Le champ de vitesse est calculé dans le plan équatorial ; la température et le champ magnétique sont implémentés en trois dimensions dans la sphère. Cette approche hybride nous permet de modéliser des écoulements convectifs turbulents (grands nombres de Reynolds, Re>10000) sous une forte influence de la rotation (petits nombres d'Ekman) pour des petits nombres de Prandtl, P = 0.1−0.01. Une caractéristique robuste de ces écoulements est la présence d'une circulation géostrophique zonale de grande amplitude et stable dans le temps. La taille et l'amplitude du mouvement zonal sont controlées par le mélange de vorticité potentielle et la friction aux bords. On identifie la présence d'ondes de Rossby de grande taille se propageant dans la zone de convection vigoureuse. Ces écoulements produisent des dynamos cinématiques au champ poloïdal de petite échelle et au champ toroïdal dominé par le mode axisymétrique. Les nombres de Reynolds magnétiques critiques sont de l'ordre de 1000. Nous montrons que l'impact du vent thermique agéostrophique sur le seuil dynamo n'est pas significatif. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous étudions les dynamos générées par un cisaillement en surface. Un écoulement de Couette sphérique (écoulement entre deux sphères en rotation différentielle) produit des dynamos aux nombres de Reynolds magnétiques critiques élevés. La brisure de symétrie axiale de l'écoulement par l'instabilité en cisaillement (prenant la forme d'une onde) est cruciale. Le champ magnétique toroïdal est de grande amplitude par rapport au champ poloïdal impliquant le rôle de l'effet omega dans le processus. Nous étudions ensuite la dynamique et l'effet dynamo produits par des jets zonaux, i.e., des mouvements de rotation différentielle alternativement est-ouest en latitude. Les jets zonaux imposés en surface sont modifiés par des ondes de Rossby qui provoquent un élargissement des jets et une diminution de leur amplitude. Le mécanisme dynamo est basé sur la propagation des ondes de Rossby. On a relié l'amplitude du champ magnétique poloïdal axisymétrique au nombre d'onde du mode de Rossby à travers sa vitesse de phase. Le nombre d'onde du mode de Rossby étant lié à l'épaisseur des jets, on établit un lien entre production de champ poloïdal axisymétrique et épaisseur des jets zonaux.

Le Pacifique équatorial est une région clé pour l'étude du phénomène climatique El Niño Oscillation Australe (ENSO) qui joue un rôle essentiel sur la variabilité du climat à l'échelle globale. L'objectif de cette thèse est d'étudier, d'une part le rôle des ondes équatoriales sur le mécanisme de Recharge-Décharge d'ENSO et d'autre part, d'observer et comprendre l'impact des couches barrières de sel susceptibles d'influencer ENSO. Le mécanisme de Recharge-Décharge de la bande équatoriale (5°N-5°S) est analysé sur la période 1992-2006 à l'aide de données altimétriques. Les variations de volume d'eau chaude qui rechargent ou déchargent la bande équatoriale sont bien représentées par les transports méridiens de masse exprimés en terme de transports géostrophiques et d'Ekman. Les ondes équatoriales de Rossby premier mode méridien premier mode barocline jouent un rôle important sur la partie géostrophique de ces transports. Une classification des évènements El Niño est également effectuée à l'aide des variations de volume d'eau chaude du Pacifique équatorial. La variabilité de la structure thermohaline de la warm pool est analysée dans la bande équatoriale, à l'aide de données Argo, sur la période 2000-2007. Une validation de ces données ainsi que des tests de différents critères d'estimation des couches barrières de sel sont présentés. Les co-variabilités entre les couches barrières de sel, le front de salinité, les températures de surface et la hauteur dynamique sont analysées. Elles montrent notamment que les températures de surface élevées (SST>28-29°C), associées au maximum de convection atmosphérique sont fortement liées à la présence de couches barrières de sel épaisses (>20m). Les couches barrières de sel sont favorisées par des fortes précipitations, de faibles vents, l'advection zonale de salinité de surface et le cisaillement vertical de courants. Pour la première fois à partir d'observations, l'influence des ondes équatoriales sur les couches barrières de sel est mise en évidenc

Les écoulements atmosphériques et océaniques sont habituellement séparés en une partie lente, proche de l'équilibre géostrophique, et une partie rapide qui interagissent faiblement. Les instabilités agéostrophiques procurent néanmoins un mécanisme capable de coupler les mouvements équilibrés et non-équilibrés. L'étude de tels mécanismes dans cette thèse est d'abord effectuée par des études systématiques de stabilité linéaire dans le modèle de l'eau peu profonde. L'instabilité de Rossby-Kelvin (RK), issue du couplage barocline d'une onde de Rossby (équilibrée) et d'une onde de Kelvin ou de Poincaré (non-équilibrées), est mise en évidence dans un canal. Ces résultats sont étendus à un anneau en géométrie cylindrique et montrent que dans les configurations proches des dispositifs expérimentaux il peut y avoir une compétition entre l'instabilité RK et l'instabilité barocline classique. Les instabilités des courants côtiers, caractérisés par la présence d'un bord vertical et d'un "outcropping", sont ensuite étudiées de manière exhaustive. Les instabilités dues à l'interaction d'un mode frontal et d'une onde de Kelvin (KF) ou d'une onde de Rossby (RF) sont mises en évidence. Le développement non-linéaire de ces instabilités est étudié dans le modèle de l'eau peu profonde par une méthode numérique aux volumes finis et dans un fluide continument stratifié à l'aide d'un modèle méso-échelle. Ces simulations montrent que les instabilités RK et KF ont un développement non-linéaire marqué par une croissance à amplitude finie et une saturation. Le déferlement de l'onde de Kelvin conduit alors à la formation d'un front de Kelvin, zone localisée de mélange et de dissipation, à l'émission d'ondes d'inertie-gravité et à la réorganisation de l'écoulement moyen. Dans le cas des courants côtiers cette réorganisation est suivie du développement d'une instabilité secondaire qui conduit à la formation et au détachement de vortex.

Dans les milieux aquatiques, les facteurs liés à l'hydrodynamique et au mélange aux échelles de la turbulence sont déterminants pour le transport des substances chimiques et des micro-organismes. Ce travail s'intéresse à ces phénomènes physiques et se situe à la frontière entre la limnologie physique et l'océanographie physique, au travers de l'étude de deux cas : le lac Pavin (Auvergne, France) et la région d'upwelling au large du Pérou. Un des intérêts de ce travail réside dans le changement d'échelle de l'observation de milieux naturels aquatiques allant de l'échelle millimétrique (étude de la microstructure dans le Lac Pavin) à l'échelle de la centaine de kilomètres (étude des ondes de Rossby). Le Lac Pavin est le seul lac méromictique français, ce qui signifie que le compartiment inférieur du lac ne se mélange pas annuellement. La méromicticité concerne pourtant bien d'autres bassins, plus connus et plus vastes comme la Mer Noire, la Mer Caspienne, le lac Baïkal, d'où son importance écologique. Sa méromicticité lui confère des propriétés physiques particulières, étudiées dans le cadre de cette thèse. L'étude de la variabilité du mélange diapycnal à différentes échelles de temps et d'espace dans le lac Pavin au travers de mesures de microstructure et de surveillance en continu des principaux paramètres physiques a conduit à mettre en évidence la variabilité de la stabilité de la colonne d'eau à l'échelle interannuelle. Par ailleurs, les propagations d'ondes internes de gravité sont étudiées dans ce cadre particulier à l'aide d'un modèle linéaire bidimensionnel. Elles génèrent des mouvements advectifs verticaux importants dans toute la colonne d'eau dont il faut tenir compte dans les protocoles d'échantillonnage chimiques ou biologiques. Enfin, une intrusion sous lacustre semble avoir une grande importance dans la détermination de la profondeur du mélange hivernal et le maintien de la méromicticité. La zone de l'upwelling du Pérou est parmi les plus poissonneuses au monde. Elle est caractérisée par une forte productivité primaire, observable par satellite. L'observation des ondes de Rossby a permis de mettre en évidence qu'elles génèrent plus de 50% de la variabilité observée à l'échelle intra saisonnière sur la concentration en chlorophylle de surface, à distance des côtes. Les ondes transportent la chlorophylle vers le large et participent à la détermination de l'extension de la zone de forte productivité primaire. A travers des mesures variées allant de la microstructure à l'observation satellite et grâce à l'utilisation de modèles conceptuels, la thèse met en évidence l'influence certaine des facteurs hydrodynamiques sur l'organisation des paramètres biogéochimiques de ces deux écosystèmes.