L'Océan Austral est le siège de processus de formation d'eaux modales, profondes et de fond, ce qui en fait un acteur d'importance dans la séquestration du carbone anthropique. Dans cette étude la distribution de carbone anthropique dans l'Océan Austral a été analysée en employant différentes méthodes diagnostiques. Les résultats déduits d'observations collectées à la frontière Indien-Atlantique (WOCE/CIVA2) montrent des inventaires de carbone anthropique plus élevés que les précédentes estimations basées sur les observations ou déduites de modèles océaniques. Parallèlement à l'invasion de carbone anthropique, le cycle du carbone océanique subit l'impact du changement climatique à travers la modification des processus dynamiques et biogéochimiques. L'analyse de données acquises entre 1978 et 2001 (GEOSECS, INDIGO, WOCE et OISO) montre que l'accroissement de carbone inorganique dissous (DIC) dans les Eaux de Mode (300-800m) est significatif sur les deux décennies. Sur la période 1985-2001, il est montré que les variations de DIC observées dans ces masses d'eau sont inférieures à l'accroissement de carbone anthropique. La différence, associée à une diminution des concentrations moyennes d'oxygène, pourrait être expliquée par une modification de la production primaire dans la région frontale circumpolaire. L'ensemble de ces résultats suggère, d'une part, de réviser les inventaires de carbone anthropique à l'échelle de l'Océan Austral et, d'autre part, de mieux prendre en compte le couplage entre cycles biogéochimiques et forçages climatiques pour séparer la variabilité naturelle et les impacts anthropiques dans l'océan.

Cette thèse a pour but de progresser sur des points essentiels concernant le réalisme de la représentation de la formation et du trajet des masses d'eau en Mer Méditerranée, ainsi que de leur variabilité. A cet effet, plusieurs modèles océaniques régionaux de la Méditerranée, de résolutions horizontales différentes, sont développés et utilisés. Une configuration réaliste permettant de représenter la variabilité interannuelle des conditions aux limites de ces modèles (atmosphère, océan Atlantique, fleuves, mer Noire) est utilisée pour réaliser des simulations à long terme des 50 dernières années en Méditerranée. Deux événements rares, caractérisant la variabilité décennale en Méditerranée, sont étudiés : l'Eastern Mediterranean Transient (EMT) et la Western Mediterranean Transition (WMT). L'EMT est la période, au début des années 1990, pendant laquelle le site principal de formation d'eau dense dans le bassin oriental méditerranéen est passé du sous-bassin Adriatique au sous-bassin Egée. La capacité des simulations à long terme à reproduire la séquence d'événements composant l'EMT est tout d'abord démontrée. Parmi les éléments de préconditionnement et de déclenchement de l'EMT suggérés dans la littérature, nous montrons que les facteurs essentiels sont les flux hivernaux intenses au-dessus du sous-bassin Egée pendant les hivers 1992 et 1993. Le réalisme de la formation et de la propagation de l'eau crétoise profonde (Cretan Deep Water, CDW) pendant l'EMT est ensuite analysé dans les simulations de référence et de sensibilité. La propagation de la CDW au fond de la Méditerranée orientale n'est reproduite qu'avec des conditions atmosphériques modifiées. La WMT a commencé à l'hiver 2005 dans le Golfe du Lion, pendant lequel a été formé un volume très important d'eau profonde ouest-méditerranéenne (Western Mediterranean Deep Water, WMDW), caractérisée par une température et une salinité inhabituellement élevées. Les simulations reproduisent l'intensité de la convection profonde dans le Golfe du Lion pendant l'hiver 2005, qui est est due à la forte perte de flottabilité en surface. Elles indiquent également que des tourbillons cycloniques profonds, d'une centaine de kilomètres de diamètre, sont responsables du transport rapide de la nouvelle WMDW vers le Sud. Puis, les simulations à long terme permettent de replacer la WMT dans la variabilité décennale de la Méditerranée nord-occidentale. Elles montrent que l'EMT a potentiellement doublé le volume de nouvelle WMDW formé en 2005 dans le Golfe du Lion, mais qu'il n'est pas responsable de la température et de la salinité élevées de la nouvelle WMDW. Ces caractéristiques inhabituelles sont dues à l'absence de convection intense dans le Golfe du Lion pendant les années 1990, ce qui a favorisé l'accumulation de sel et de chaleur dans la Méditerranée nord-occidentale.

Les gyres subtropicaux sont au coeur des changements observés au cours des dernières décennies. On y observe entre la surface et la pycnocline permanente une augmentation du contenu thermique de l’océan. La pycnocline permanente délimite un important réservoir de chaleur et joue un rôle majeur en empêchant la chaleur accumulée en surface d’atteindre les profondeurs de l’océan. La pycnocline permanente est donc d’un intérêt important dans un contexte de changement climatique. Pour la première fois et grâce au réseau de données Argo, nous avons été capables de déterminer les propriétés de la pycnocline permanente. L’objectif de cette thèse est de déterminer la structure de la pycnocline permanente et d’étudier sa variabilité au cours des dernières décennies. Une méthode de détermination objective de la pycnocline permanente a été développée. Cette méthode a d’abord été appliquée à l’océan Atlantique nord avec les données Argo puis à l’océan global. Une structure complexe de la pycnocline permanente a été mise en évidence avec de fortes différences d’un gyre à l’autre. La pycnocline permanente est la plus profonde et la plus épaisse dans le gyre subtropical nord Atlantique. Cela explique que le gyre subtropical nord Atlantique soit le plus grand réservoir de chaleur au monde. Ensuite, les relations entre la variabilité du contenu de chaleur et les propriétés de la pycnocline permanente ont été étudiées en s’appuyant sur des réanalyses océaniques. Au cours des dernières décennies, un réchauffement important de l’océan a été observé et particulièrement dans l’océan Atlantique nord. Ce réchauffement est principalement dominé par un approfondissement des isopycnes. Les déplacements verticaux des isopycnes induisent des changements dans la stratification et affectent les propriétés de la pycnocline permanente (profondeur et densité potentielle). / Subtropical gyres are central to the observed climate changes throughout the last decades. It is observed between the surface and the permanent pycnocline an intense increase in the ocean heat content. The permanent pycnocline delineates thus an important heat reservoir. The permanent pycnocline has a major role in preventing heat to reach the deep ocean and it thus of a relative importance in the context of climate change. For the first time and thanks to the development of the Argo array, we have been able to characterize the observed structure of the permanent pycnocline. The objective of this PhD thesis is to investigate the structure of the permanent pycnocline and its variability over the last decades. We developed an objective method to characterize the properties of the permanent pycnocline. This method has been first applied to the North Atlantic Ocean with Argo data and then to the global ocean. A complex structure of the permanent pycnocline emerges with strong differences from one gyre to another. The permanent pycnocline is found to be the deepest and the thickest in the North Atlantic subtropical gyre. It implies that the North Atlantic subtropical gyre is the largest heat reservoir on Earth. Then, ocean reanalyses have been used to investigate the changes in the permanent pycnocline properties in the North Atlantic subtropical gyre. Over the last decades, there is a strong warming of the upper ocean, especially in the North Atlantic subtropical gyre. The warming in the ocean is dominated by the heaving of isopycnal surfaces. This heaving strongly affects the depths of isopycnals and the stratification. This in turn affects the properties of the permanent pycnocline, especially its depth and potential density.

Nous étudions d'abord l'influence du mode annulaire Sud (SAM) sur la circulation méridienne de retournement Atlantique (AMOC) dans une simulation de contrôle avec IPSLCM4. Une phase positive du SAM, correspondant à une intensification des vents d'Ouest soufflant au Sud de 45° S, entraîne après 8 ans une accélération de l'AMOC, via une téléconnection atmosphérique peu réaliste. Une accélération de l'AMOC suit de 70 ans une phase positive du SAM, due à la propagation d'anomalies de sel du Sud vers le Nord de l'Atlantique. Ensuite, nous étudions dans quelle mesure l'Oscillation Multidécennale Atlantique (AMO) reflète les fluctuations de l'AMOC. Nous utilisons un filtre basé sur un modèle linéaire inverse (LIM) pour décomposer la température de surface de l'océan (SST) Atlantique Nord en une partie liée à la dérive globale, une à El Nino (ENSO), une à la variabilité de basse fréquence du Pacifique, et un résidu. Dans la simulation historique de IPSLCM5, enlever la dérive globale de l'AMO avec LIM induit de meilleures corrélations avec l'AMOC que lorsque ce signal est soustrait par une dérive linéaire. Enlever l'influence de ENSO de l'AMO améliore très légérement ses corrélations avec l'AMOC, tandis qu'enlever la variabilité de basse fréquence du Pacifique les dégrade. La robustesse de ces résultats est vérifiée dans des simulations de contrôle avec 5 modèles. Cette déconstruction de l'AMO est aussi effectuée dans les observations. Enfin, l'impact du forçage volcanique sur les liens AMO-AMOC est étudié dans une simulation du dernier millénaire avec IPSLCM4.

La variabilité du contenu de chaleur hivernal de l'océan supérieur et ses mécanismes de causalité ont été étudiés en utilisant des observations et des produits de réanalyse dans le Pacifique Nord-Ouest. La relation entre la mousson d'hiver dans l'Asie de l'Est (EAWM) et l'Oscillation du Pacifique Nord (NPO) et leurs impacts sur la température de surface de la mer (SST) sont non stationnaires, avec un changement soudain en 1987/1988. L'EAWM et la NPO, qui étaient bien corrélées en 1973-1987, ne sont pratiquement plus corrélées en 1988-2002. Cette relation non stationnaire est liée au fort affaiblissement décennal de la haute pression Sibérienne après le changement de régime en 1988, ainsi qu'au changement concomitant du dipôle de la NPO positive. L'influence de l'EAWM et de la NPO sur la SST hivernale dans la région d'étude a significativement diminué après 1990. Le bilan de chaleur dans les 400 premiers mètres a été analysé à l'aide des sorties d'un modèle de la circulation océanique générale à haute résolution. Le taux de stockage de chaleur hivernal des échelles interannuelles à décennales est principalement déterminé par l'advection océanique plutôt que par le flux net de chaleur air-mer. Le rôle de l'advection de chaleur devient particulièrement important après le changement de régime en 1990, en association avec la réduction de la variabilité du flux de chaleur en surface causée par une faible variabilité de la SST. Le flux net de chaleur air-mer freine les anomalies thermiques créées par la dynamique océanique associée avec le déplacement méridien du front de l'Extension de l'Oyashio, qui est fortement corrélé avec les modes de téléconnexion de WP et PNA. / Winter upper-ocean heat content variability and its causal mechanisms are investigated using observational and reanalysis products in the western North Pacific. The relationship between the East Asian winter monsoon (EAWM) and the North Pacific Oscillation (NPO) and their impact on the sea surface temperature (SST) are nonstationary, with a sudden change at 1987/1988. During the 1973-87, the EAWM and NPO were significantly correlated to each other, but their correlation practically vanishes during the 1988-2002. This nonstationary relationship is related to the pronounced decadal weakening of the Siberian high after the 1988 regime shift as well as the concomitant positive NPO-like dipole change. The influence of EAWM and NPO to the winter SST in the study region is significantly decreased after the sudden change near-1990. The upper 400 m heat budget in the western North Pacific is analyzed using outputs from a high resolution ocean general circulation model. Winter heat storage rate on interannual to decadal time scales is mainly determined by oceanic heat advection rather than by net air-sea heat flux. The role of heat advection becomes particularly prominent after the 1990 regime shift in association with the reduced variability of surface heat flux caused by weakened SST variability. The net heat flux acts to dampen temperature anomalies caused by the ocean dynamics principally associated with the meridional shift of the Oyashio Extension front, which is significantly correlated with the West Pacific (WP) and Pacific-North America (PNA) teleconnection patterns.

L'Oscillation Australe El Niño (ENSO pour El Niño Southern Oscillation) est la fluctuation climatique la plus intense sur Terre après le cycle saisonnier. L'observation, la compréhension et la prévision de cette fluctuation aux retombées mondiales sont des enjeux scientifiques majeurs. Cette thèse documente divers aspects d'ENSO tels que ses mécanismes, sa modulation et sa prévision. Ces divers aspects sont abordés en développant une hiérarchie de modèles du Pacifique équatorial, de complexité croissante, qui s'étend de modèles conceptuels à une méthode d'assimilation de données dans un modèle de complexité intermédiaire. Nous étudions dans un premier temps les mécanismes de formation d'ENSO. Nous développons une dérivation alternative du modèle conceptuel de recharge/décharge où ENSO résulte d'un ajustement de la thermocline équatoriale à échelle de bassin. Nous implémentons par ailleurs un diagnostic original dans un modèle d'instabilités couplées équatoriales, ce qui met en avant un nouveau mécanisme de formation d'ENSO où les réflexions aux frontières océaniques jouent un rôle secondaire. La stratification moyenne de l'océan contribue à la modulation décenalle des caractéristiques d'ENSO. Cette relation est abordée dans un nouveau modèle réduit qui prend en compte les premiers modes baroclines d'un océan continûment stratifié. L'espace des solutions du modèle est exploré, indiquant un contrôle de la stabilité d'ENSO par les caractéristiques de la thermocline équatoriale. La sensibilité à la stratification au cours des dernières décennies est mise en perspective avec la sensibilité aux rétroactions thermodynamiques et atmosphériques. Nous soulignons en particulier certaines limitations des méthodes usuelles d'estimation de la rétroaction de thermocline dans le Pacifique central. Finalement, nous implémentons une méthode de Filtre de Kalman d'Ensemble dans un modèle intermédiaire du Pacifique équatorial déjà existant, afin d'assimiler des observations de niveau de la mer et d'initialiser des prévisions rétrospectives d'ENSO. Nous montrons que la contrainte majeure du modèle porte sur les modes de bassin qui sont associés au processus de recharge/décharge du Pacifique équatorial. Notre travail fournit un formalisme pour diagnostiquer la modulation des caractéristiques d'ENSO dans les observations, les prévisions et projections climatiques. Les résultats soutiennent la nécessité d'étendre la compréhension des mécanismes d'ENSO, afin de rendre compte de la diversité des régimes observés et d'améliorer les prévisions.