La mer de Barents possède un écosystème particulièrement riche. Elle est affectée par le changement climatique actuel, comme le reste de l'Arctique. L'effet le plus visible et le plus connu est la réduction spectaculaire de la banquise. On examine dans cette thèse les répercussions de ces changements sur l'hydrologie et le phytoplancton en mer de Barents. Pour cela, on s'appuie sur la création d'une base de données historiques comprenant les paramètres hydrologiques et bio-géochimiques. Un modèle 3D bio-géochimique spécifique à l'écosystème arctique est aussi utilisé quand les observations sont manquantes. Enfin, les données satellites fournissent des séries temporelles de concentration de glace, de Chlorophyle-a...La mer de Barents est caractérisée par un front polaire séparant les eaux atlantiques issues des mers Nordiques des eaux arctiques dont la position est connue à l'ouest de 35°E. Nous avons pu montrer que ce front se sépare en deux branches dans l'Est du bassin: le front du Nord et le front du Sud. Ces fronts enferment les eaux de la mer de Barents qui se forment en hiver. Un doublement du volume des eaux atlantiques (une " Atlantification " de la mer de Barents), a aussi été mise en évidence. Elle accompagne un déplacement des fronts Nord et Sud vers le Nord-est. Le volume des eaux de la mer de Barents reste inchangé.Ces changements, affectant l'hydrologie et la glace de Mer, ont un impact significatif sur le phytoplancton. Les deux efflorescences qui le caractérisent ont lieu plus au Nord et à l'Est. La biomasse totale annuelle a augmenté de 40% lors des deux dernières décennies. Ce travail montre que les conditions de glace de mer et la structure frontale sont les paramètres clefs dirigeant la variabilitéinter-annuelle du phytoplancton. / The Barents Sea has a particularly rich ecosystem. This is an Arctic region subject to intense climate changes. The drastic decrease in sea ice cover is the most visible effect. What are the impacts of these climatic changes on the hydrology and phytoplankton? In order to answer these questions, this thesis relies on the creation of an extensive historical database of physical and bio-geochemical parameters. A 3D bio-geochemical model with an Arctic specific ecosystem is used when observations are lacking. At least, remote sensing data provides valuable time series of Ice concentration, Chlorophyll-a... The Polar Front, separating the Atlantic Water coming from the Nordic Sea from the Arctic Water, is the principal feature of the Barents Sea region. Its position is known west of 35°E, but we showed that the polar front splits into two branches in the East part of the Barents Sea: the "Southern Front" and the "Northern Front". They enclose the winter locally formed Barents Sea Water. An “Atlantification”, illustrating a doubling of the Atlantic Water volume, has been evidenced and goes along with a North-eastward shift of the fronts. These hydrological and sea ice changes have a significant impact on the phytoplankton development. The two blooms of the Barents Sea occur further North and East with a 40% total anual biomass increase for the last two decades. This study suggests that the winter sea ice conditions and the frontal structure are the key mechanisms driving the inter-annual phytoplankton variability.

Dans le Pacifique sud-ouest, le cheminement des eaux depuis la gyre subtropicale vers l'équateur est réalisé via les courants de bord ouest (WBCs), associés à des changements de température ou de quantité d'eau à di?érentes échelles de temps. La mer des Salomon située au sud de la Pa- pouasie Nouvelle-Guinée est considérée comme une région clé pour étudier les WBCs juste avant qu'ils rejoignent l'équateur. Dans le cadre d'une collaboration internationale, deux campagnes en mer ont été réalisées en mer des Salomon pendant deux périodes contrastées de la saison des alizés (Juillet-Août 2012 et Mars 2014). En Juillet-Août 2012, pendant la saison de forts alizés, les WBCs transportent 36 ± 3 Sv à travers l'entrée sud de la mer des Salomon depuis la surface jusqu'à 1000 m de profondeur, mais seulement 11 ± 3 Sv en Mars 2014 (réduction de 70%) quand les alizés faiblissent. Les WBCs sont associés à des propriétés de masses d'eau distinctes qui subissent d'importantes modifications au cours de leur passage en mer des Salomon. En dessous de 2000 m de profondeur, l'Upper Circumpolar Deep Water (UCDW) est tracée depuis le bassin de Fidji et la fosse de la Nouvelle-Calédonie avant d'entrer en mer des Salomon, asso- ciée à un transport de masse de 2 à 3 ± 2 Sv. L'étude préliminaire des mouillages au niveau des détroits de sortie a permis d'identifier une modulation de l'intensité et de la structure ver- ticale des WBCs en relation avec la variabilité saisonnière des alizés. Les eaux de thermocline entre les différents mouillages varient généralement de manière cohérente et en phase à l'échelle intra-saisonnière et saisonnière. / The Low Latitude Western Boundary Currents (LLWBCs) of the Southwest Pacific establish a major connection between the subtropics and the equator. They are believed to play a key role in heat and mass budgets of the equatorial Pacific and cross, as a final passage, the Solomon Sea southeast of Papua New Guinea. As part of a France-U.S. collaboration, two oceanographic multidisciplinary cruises were conducted in the Solomon Sea during contrasting trade wind sea- sons, in July-August 2012 and March 2014 to characterize currents, water properties and their modifications. During July-August 2012, the season of strong southeasterly trade winds, an in- tense flow of 36 ± 3 Sv from the surface down to 1000 m is entering the Solomon Sea, that falls by 70% to 11 ± 3 Sv in March 2014 when the winds over the sea are weaker. The LLWBCs are associated with distinct water mass properties across the Solomon Sea that can be tracked along their pathways, and undergo significant modifications between the southern entrance and the northern exits of the sea. Below 2000 m, the Upper Circumpolar Deep Water (UCDW) has been traced from the New Caledonia Trench and the South Fiji Basin into the Solomon Sea, associ- ated with a volume transport of 2-3 ± 2 Sv. Preliminary analyses of the mooring array in each major exit channel indicate large time variability of the LLWBCs in both =intensity and vertical extent, where thermocline pathways vary in most cases, coherently and in phase at intraseasonal to seasonal time scales.

Les mers Indonésiennes sont le siège de très fort courants de marée qui interagissent avec la topographie pour créer des ondes internes à la fréquence de la marée que l'on appelle marée interne. Certaines d'entres elles, vont se propager et se dissiper dans l'océan intérieur. Le mélange associé provoque la remontée d'eau plus froide et plus riche en nutriments en surface qui influence le climat tropical et toute la chaine des écosystèmes marins. Surveiller les ressources marines est l'objectif du projet INDESO, dont cette thèse fait partie. Prendre en compte le mélange induit par la marée interne n'est pas facile. En effet, le résoudre entièrement n'est pas possible car les échelles concernées par les différents processus des ondes internes varient de plusieurs milliers de kilomètres (propagation) à quelques centimètres/millimètres (dissipation). De plus en plus de scientifiques introduisent le forçage de la marée dans leur modèle mais sans savoir où va l'énergie et comment les ondes sont dissipées. Dans cette thèse nous cherchons à proposer des outils et des débuts de réponses pour participer à cette meilleure compréhension de la dissipation des ondes internes dans le modèle numérique d'océan NEMO. Nous proposons certaines quantifications que nous comparons aux anciennes paramétrisations. J'ai, tout d'abord, contribué à une étude d'INDESO sur la validation de NEMO grâce à de nombreux jeu de données. Ensuite, j'ai cherché à quantifier et à qualifier le mélange induit par l'introduction de la marée explicite dans le modèle, ainsi que son impact sur les masses d'eau. (c'est redit plus loin)Il produit un refroidissement de surface de 0.3°C avec des maxima atteignant 0.8°C au niveau des sites de génération des ondes internes. Le modèle reproduit 75% de l'énergie attendue de génération des ondes internes, en bon accord avec des études précédentes. L'essentiel de la dissipation a lieu horizontalement (19GW) est proche de celle induite par la paramétrisation couramment utilisée (16GW), alors que, dans la réalité, on s'attend principalement à une dissipation réalisée grâce à des processus verticaux. Le modèle, au dessus des zones de génération, est de façon surprenante en très bon accord avec les mesures in situ de dissipation obtenues lors de la campagne INDOMIX. Par contre, dans les régions distantes des sources de génération, le modèle surestime le mélange par rapport aux observations d'INDOMIX. Dans la dernière partie de cette thèse j'ai commencé à apporter des éléments de réponse à la quantification des puits d'énergie dans NEMO. J'ai pour cela travaillé avec le cas test COMODO, qui est une section d'un fluide stratifié constituée d'une plaine abyssale, d'un talus et d'un plateau, forcée par la marée et sans friction de fond. Le modèle T-UGOm, un modèle hydrodynamique de marée, est comparé au modèle NEMO. Dans ce cadre, nous avons développé une méthode originale pour séparer la marée barotrope de la marée barocline. Elle repose sur la projection en modes normaux. Cette méthode donne, à première vue, des résultats similaires à ceux obtenus grâce à la méthode plus classique de soustraction par la moyenne verticale. Cependant, lorsque l'on regarde plus en détail les diagnostiques d'énergie on trouve que la méthode de projection en modes normaux offre une plus grande précision et un plus grand réalisme pour séparer la marée barotrope de la marée barocline. Plus on monte dans des modes élevés plus les longueurs ondes se raccourcissent dans NEMO par rapport à T-UGOm. Par ailleurs, NEMO dissipe la marée barotrope dans la plaine abyssale, alors qu'il n'y a explicitement pas de friction. Ce ne peut pas être la diffusion verticael ou horizontale qui est à l'œuvre ici, car il n'y a pas de raison physique pour une diffusion sur un fond plat. Le meilleur candidat pour expliquer cette diffusion serait le couplage 2D/3D du time splitting de NEMO. Un travail est en cours pour appliquer cette méthode sur l'ensemble de l'archipel Indonésien. / In the Indonesian seas, large tidal currents interact with the rough topography and create strong internal waves at the tidal frequency, called internal tides. Part of them will eventually propagate and dissipate far away from generation sites. Their associated mixing upwells cold and nutrient-rich water that prove to be critical for climate system and for marine resources. This thesis uses the physical ocean general circulation model, NEMO, as part of the INDESO project that aims at monitoring the Indonesian marine living resources. Models not taking into account tidal missing are unable to correctly reproduce the vertical structure of watermasses in Indonesian seas. However, taking into account this mixing is no simple task as the phenomena involved in tidal mixing cover a wide spectrum of spatial scales. Internal tides indeed propagate over thousands of kilometres while dissipation and mixing occurs at centimetric to millimetric scales. A model capable of resolving all these processes at the same time does not exist. Until now scientists either parameterised the tidal mixing or used models which only partly resolve internal tides. More and more scientists introduce explicit tidal forcing in their models but without knowing where the energy is going and how the internal tides are dissipated. This thesis intends to quantify energy dissipation in NEMO forced with explicit tidal forcing and compares it to the dissipation induced by the currently used parameterization. This thesis also provides new results about the quantification of the tidal energy budget in NEMO. I first contributed to an INDESO study that aimed at validating the model against several observation data sets. In a second and third study, I investigated the mixing produced in the model by explicit tidal forcing and its impact on water mass. Explicit tides forcing proves to produce a mixing comparable to the one produced by the parameterization. It also produces a significant cooling of 0.3 °C with maxima reaching 0.8°C in the areas of internal tide generation. The cooling is stronger on austral winter. The spring tides and neap tides modulate this impact by 0.1°C to 0.3°C. The model generates 75% of the expected internal tides energy, in good agreement with other previous studies. In the ocean interior, most of it is dissipated by horizontal momentum dissipation (19 GW), while in reality one would expect dissipation through vertical possesses. This value is close to the dissipation induced by the parameterization (16 GW). The mixing is strong over generation sites, and only 20% remains for far field dissipation mainly in the Banda and Sulawesi Seas. The model and the recent INDOMIX cruise [Koch-Larrouy et al. (2015)], which provided direct estimates of the mixing, are surprisingly in good agreement mainly above straits. However, in regions far away from the energy generation sites where INDOMIX found NO evidence of intensified mixing, the model produces too strong mixing. The bias comes from the lack of specific set up of internal tides in the model. More work is thus needed to improve the modeled dissipation, which is a theme of active research for the scientific community. I dedicated the last part of my thesis to the quantification of tidal energy sinks in NEMO. I first worked on a simple academic case: the COMODO internal tides test case, which analyses the behaviour of a vertically stratified fluid forced by a barotropic flow interacting over an idealized abyssal plain/slope/shelf topography without bottom friction. The results of the finite element T-UGOm hydrodynamic model are compared with those of NEMO. The central issue in calculating tidal energy budget is the separation of barotropic and baroclinic precesses.

L'Eau Antarctique de Fond constitue la principale masse d'eau océanique par son volume, et nourrit la composante la plus profonde et la plus lente de la circulation océanique. Les processus qui régissent son cycle de vie sont donc clé pour la capacité de stockage de l'océan en carbone et chaleur aux échelles centennales à multi-millénaires. Cette thèse tente de caractériser et quantifier les principaux processus responsables de la destruction (synonyme d'allègement et de remontée) de l'Eau Antarctique de Fond dans l'océan abyssal. A partir d'une estimée issue d'observations de la structure thermohaline de l'océan mondial et de diagnostics fondés sur le budget de densité des eaux profondes, les rôles respectifs du chauffage géothermal, du mélange turbulent par déferlement d'ondes internes et de la géométrie des bassins sont évalués. Il est montré que la géométrie de l'océan gouverne la structure de la circulation de l'Eau Antarctique de Fond. La contribution du déferlement des ondes internes, bien que mal contrainte, est estimée insuffisante pour maintenir un rythme de destruction de l'Eau Antarctique de Fond comparable à celui de sa formation. Le chauffage géothermal a quant à lui un rôle important pour la remontée des eaux recouvrant une large surface du lit océanique. Les résultats suggèrent une réévaluation de l'importance du mélange au niveau des détroits et seuils profonds, mais aussi du rôle fondamental de la forme des bassins, pour l'allègement et le transport des eaux abyssales. / Antarctic Bottom Water is the most voluminous water mass of the World Ocean, and it feeds the deepest and slowest component of ocean circulation. The processes that govern its lifecycle are therefore key to the ocean's carbon and heat storage capacity on centennial to multi-millennial timescales. This thesis aims at characterizing and quantifying processes responsible for the destruction (synonymous of lightening and upwelling) of Antarctic Bottom Water in the abyssal ocean. Using an observational estimate of the global ocean thermohaline structure and diagnostics based on the density budget of deep waters, we explore the roles of basin geometry, geothermal heating and mixing by breaking internal waves for the abyssal circulation. We show that the shape of ocean basins largely controls the structure of abyssal upwelling. The contribution of mixing powered by breaking internal waves, though poorly constrained, is estimated to be insufficient to destroy Antarctic Bottom Water at a rate comparable to that of its formation. Geothermal heating plays an important role for the upwelling of waters covering large seafloor areas. The results suggest a reappraisal of the role of mixing in deep straits and sills, but also of the fundamental role of basin geometry, for the lightening and transport of abyssal waters.

L'océan Austral est une région clé pour la compréhension de la circulation océanique globale et du climat. C'est dans cette région qu'une large majorité des eaux de la planète est ventilée dans la couche de surface avant d'être réexpédiée dans l'océan profond. Ainsi la couche de surface de l'océan Austral est un élément central pour la compréhension de la circulation océanique planétaire. Malgré leur rôle fondamental dans la circulation océanique globale et dans le climat, la structure et les caractéristiques de la couche de mélange sont encore mal comprises dans la région Antarctique en raison d'un manque important d'observations in-situ. Cependant, le programme international MEOP (2004) a conduit au déploiement de milliers de capteurs hydrologiques sur des éléphants de mer, et offre une couverture spatiale de données inédites couvrant l’ensemble du cycle saisonnier. Dans cette thèse, nous exploitons ce jeu de données ainsi que d'autres plus conventionnels, afin de décrire les propriétés climatologiques et la dynamique de la couche de mélange sous la glace de mer en Antarctique. Les transferts verticaux entre la couche de mélange et l’océan plus profond, associés à la circulation de retournement y sont décrits aux échelles de temps saisonnières et inter-annuelles. Les résultats soulignent et quantifient le rôle primordial des flux d’eau douce, issus de la glace de mer et des précipitations, sur la transformation de masses d’eau sous la banquise. Nos conclusions suggèrent que des changements dans l’intensité de ces flux d’eau douce pourraient directement affecter les budgets de densité de la couche de mélange et impacter la circulation de retournement globale. / The Southern Ocean is a key region for the understanding of the global ocean circulation and for the climate as a whole. In this region, a large majority of the ocean’s water masses are ventilated in the surface layer, before being sent back to the deep ocean. The surface layer of the Southern Ocean is therefore a central element for understanding the global ocean circulation. Despite their fundamental role in the global ocean circulation and climate, the structure and characteristics of the mixed-layer are still poorly understood in the Antarctic Polar Region due to a significant lack of in-situ observations.However, the international MEOP program (2004) has led to the deployment of thousands of hydrological sensors on Elephant Seals and offers a unique spatial coverage of new data that cover the entire seasonal cycle. In this thesis, we exploit this dataset and other more conventional data, to bring a new perspective on this unknown region. Based on these observations, we describe the climatological properties and dynamics of the mixed-layer under Antarctic sea-ice. The vertical transfers between the mixed-layer and the deep ocean, associated with the meridional overturning circulation, and the hydrographic variations of the water masses in the mixed-layer, are described at seasonal and inter-annual time scales. The results highlight the critical role of freshwater fluxes, induced by sea-ice and precipitations, on the transformation of water masses under the sea-ice. Our findings suggest that changes in the intensity of these freshwater fluxes would directly affect the buoyancy budgets of the mixed-layer and impact the large-scale overturning circulation.

La composition isotopique de néodyme (C.I. de Nd) est un traceur de circulation océanique et d'échanges de matière océan/continent. Nous avons mesuré cette grandeur sur près de 200 échantillons d'eau de mer des mers Nordiques (Groenland, Islande, Norvège) et de l'Atlantique Subarctique (au nord de 50°N). L'interprétation de ces données en relation avec l'hydrologie et la géologie de la zone d'étude a permis d'améliorer notre connaissance de la circulation et du traceur CI de Nd.<br /><br />L'étude des signatures isotopiques de l'Eau Subarctique Intermédiaire (SAIW), de l'Eau Profonde de la Mer de Norvège et de l'Eau Modale Subpolaire (SPMW) nous a permis de préciser leur histoire (trajectoires, mélanges). En particulier, nous confirmons que l'origine de la SAIW se trouve dans le courant du Labrador et nous suggérons que la SPMW résulte d'un mélange à deux pôles : l'Eau Centrale Nord Atlantique et des eaux provenant du courant du Labrador.<br /><br />Les C.I. de Nd sont en accord avec les schémas admis pour la formation des couches supérieure et inférieure de l'Eau Profonde Nord Atlantique (NADW). En revanche, elles suggèrent une composition de l'Eau Profonde Nord Est Atlantique significativement différente de celle de la couche centrale de la NADW. Ce point nécessitera des études complémentaires.<br /><br />Nous confirmons robustement la conservativité de la CI de Nd à l'abri d'influence terrigène. Nous mettons en évidence l'influence de sédiments d'origine cristalline sur la C.I. de Nd des masses d'eau et confirmons celle de sédiments d'origine basaltique. Nous suggérons que la CI de Nd perd partiellement la mémoire de l'histoire des masses d'eau lors d'interactions sédiment/océan, dans des zones de forte énergie hydraulique.<br /><br />Enfin nous suggérons que des variations de taux d'érosion dans le passé modifieraient la signature de la NADW, au même titre que des variations de circulation, si ce n'est d'avantage.

La réalisation d'observatoires biogéochimiques autonomes pour l'étude de la colonne d'eau dans l'océan ouvert et des écosystèmes chimiosynthétiques profonds est une étape primordiale dans l'acquisition de données océaniques pour une meilleure compréhension des écosystèmes. Nous nous intéressons ici à l'acide silicique et aux ions sulfure, composés clés de la chaîne alimentaire marine. Nous proposons une méthode de mesure voltammétrique des ions sulfure sur électrode d'argent ainsi qu'une mesure originale sans calibration basée sur la différence de solubilité entre le chlorure d'argent et le sulfure d'argent. Une méthode d'analyse de l'acide silicique autonome en réactifs est développée grâce aux molybdates et aux protons libérés lors de l'oxydation du molybdène. Ces développements analytiques ont permis de participer à la validation d'un potentiostat immergeable autonome, premier pas vers un capteur pour la mesure de ces paramètres in situ. En parallèle une analyse des masses d'eau du Passage de Drake est réalisée grâce aux données hydrographiques collectées pendant la campagne Drake ANT XXIII/3 en 2006

La Méditerranée Nord-Occidentale, ou bassin Liguro-Provençal, est l'un des rares sièges de la convection océanique profonde. Ce phénomène localisé et intermittent est l'un des principaux modes d'interaction de l'océan profond avec le système climatique. Il est d'une importance primordiale pour la redistribution verticale de chaleur, de dioxyde de carbone et d'éléments biogéochimiques par l'océan, et donc pour le climat et la biologie marine. Le travail de thèse s'inscrit dans le cadre du programme HyMeX, il vise à caractériser le phénomène de convection dans le bassin Liguro-Provençal à partir du cas d'étude de l'année 2012-2013 et à comprendre le rôle de la dynamique de méso-échelle et de la variabilité intrinsèque océanique qui en résulte sur la convection. Le travail de thèse a tout d'abord porté sur la caractérisation du phénomène de convection océanique profonde à partir des observations du cas d'étude 2012-2013. On a estimé le taux de convection hivernale et de restratification printanière et une Expérience de Simulation d'un Système d'Observations (OSSE) a été développée pour estimer l'erreur d'observation associée. On conclut à la validité des observations du réseau MOOSE pour estimer les taux de convection et de restratification sur la période 2012-2013. On caractérise la période comme exceptionnellement convective avec un taux de convection hivernal de 2.3±0.5Sv (1Sv=106m³/s) et on estime pour la première fois un taux de restratification printanière de 0.8±0.4Sv. Deux approches numériques novatrices ont été développées au cours de la thèse pour caractériser le rôle de la méso-échelle et de la variabilité intrinsèque océanique sur le phénomène de convection. On a implémenté l'outil de raffinement de maille AGRIF en Méditerranée Nord-Occidentale dans le modèle régional NEMOMED12 pour documenter l'impact de la méso-échelle sur la convection océanique profonde et sur la circulation thermohaline Méditerranéenne. On a de plus réalisé des simulations d'ensemble à état initial perturbé pour documenter l'impact de la variabilité intrinsèque océanique sur la convection. Après avoir extensivement évalué le réalisme de la convection dans le modèle numérique NEMOMED12 grâce aux données de 2012-2013, on étudie avec ce modèle l'impact de la variabilité intrinsèque océanique sur ce phénomène. Sur le cas d'étude comme sur la période historique 1979-2013, la variabilité intrinsèque océanique module largement la géographie du patch convectif, en particulier dans le domaine hauturier. Aux échelles climatiques, la variabilité intrinsèque module largement la variabilité interannuelle du taux de convection. En moyenne climatologique, elle module aussi la géographie de la convection, mais elle impacte marginalement son intensité et les propriétés climatiques des eaux profondes. Enfin, on étudie avec l'outil AGRIF l'impact de la dynamique de méso-échelle sur la convection profonde et sur la circulation thermohaline. Sur le cas d'étude de 2012-2013, la méso-échelle augmente le réalisme de la convection. On montre qu'elle augmente la variabilité intrinsèque de la convection. Sur cette période comme sur la période historique, elle diminue l'intensité moyenne de la convection et réduit les transformations des eaux profondes. On relie principalement son impact sur la convection à une modification de la circulation stationnaire marquée par un repositionnement et une intensification des courants de bord, et la présence d'un méandre stationnaire du Front Baléare. Par ailleurs, sur la période historique, les échanges avec le bassin Algérien sont intensifiés par la méso-échelle, ce qui modifie les propriétés climatiques des masses d'eau. On montre enfin que la signature de la méso-échelle en surface est susceptible d'impacter les échanges air-mer et donc le climat côtier voire régional Méditerranéen. / The northwestern Mediterranean sea, also named the Liguro-Provençal basin, is one of the few places where ocean deep convection occurs. This localized and intermittent phenomenon is one of the main modes of interaction between the deep ocean and the climate system. It is of paramount importance for the vertical redistribution of heat, carbon dioxyde and biogeochemical elements, and therefore for climate and marine biology. The PhD has been carried out in the framework of HyMeX programme, it aims at characterizing the ocean deep convection phenomenon in the Liguro-Provençal basin from the year 2012-2013 case study and at understanding the role of mesoscale dynamics and of the resulting intrinsic ocean variability on deep convection. The PhD work has first focused on characterizing the ocean deep convection phenomenon from observations collected during the 2012-2013 case study. We estimated the winter deep convection and spring restratification rates and an Observing System Simulation Experiment (OSSE) was developed to estimate the associated observation error. We conclude on the validity of MOOSE network observations to estimate the deep convection and restratification rates in the period 2012-2013. We characterize the period as exceptionally convective with a winter deep water formation rate of 2.3±0.5Sv (1Sv=106m³/s) and we estimate for the first time a spring deep water restratification rate of 0.8±0.4Sv. Two novel numerical approaches were developped during the PhD to characterize the roles of mesoscale dynamics and of intrinsic variability in the deep convection phenomenon. We implemented AGRIF grid refinement tool in the northwestern Mediterranean Sea within NEMOMED12 regional model to document the impact of mesoscale on deep convection and on the Mediterranean thermohaline circulation. In addition, we carried out perturbed initial state ensemble simulations to characterize the impact of ocean intrinsic variability on convection. After extensively evaluating the realism of deep convection in NEMOMED12 numerical model thanks to the 2012-2013 observations, we study with this model the impact of intrinsic variability on deep convection. During the case study as well as in the 1979-2013 historical period, intrinsic ocean variability largely modulates the mixed patch geography, particularly in the open-sea domain. At climatic timescales, intrinsic variability modulates largely the deep convection rate interannual variability. On average over the historical period, it also modulates the mixed patch geography, but it impacts marginally its magnitude and the properties of the deep water formed. Finally, we study with AGRIF tool the impact of mesoscale dynamics on deep convection and on the thermohaline circulation. In the 2012-2013 case study, mesoscale improves the realism of the simulated convection. We show that it increases the deep convection intrinsic variability. In this period as well as during the 1979-2013 historical period, it decreases the mean deep convection rate and it reduces deep water transformations. We mainly relate its impact on convection to the modifincation of the stationary circulation characterized by a relocation and an intensification of boundary currents and the presence of a stationary Balearic Front meander. Also, in the historical period, exchanges with the Algerian basin are increased, which modifies water mass climatological properties. Finally, the surface signature of mesoscale is likely to alter air-sea interactions and the coastal to regional Mediterranean climate.

Les forçages physiques conditionnent la discontinuité dans l'espace et le temps (patchiness) du plancton dans l'océan. La thèse s'est basée sur deux exemples. Le premier concerne le nord-ouest des Sargasses où une série temporelle à du macrozooplankton a été analysée à partir du rétro signal acoustique (Sv) mesuré avec un ADCP 153-KHz. Trois types de tourbillons ont été identifiés: un tourbillon cyclonique productif, la périphérie d'un tourbillon "mode-water", et la périphérie d'un tourbillon anticyclonique. Les valeurs de Sv ont augmenté au cours du passage des tourbillons, avec une hausse plus marquée associée au bord des tourbillons cyclonique et anticyclonique, ce qui suggère une réponse biologique significative aux upwelling localisées dans la zone frontale de ces tourbillons. Dans le deuxième exemple, la distribution spatiale et temporelle du zooplancton a été étudiée au large de la Nouvelle-Calédonie au cours de deux campagnes multidisciplinaires en 2011. La variabilité du zooplancton a été évaluée à l'aide d'échantillonnage au filet ainsi qu'à partir de mesures acoustiques (ADCP embarqué, échosondeur scientifique et TAPS). Des amplitudes plus élevées de la migration verticale nycthémérale (DVM) du zooplancton étaient associées à une plus grande abondance de petit zooplancton et aux eaux froides du sud de la zone d'étude, tandis que des amplitudes de DVM plus faibles dans le nord étaient associés à des eaux plus chaudes et à de plus grande abondance des grands organismes. Ces mesures acoustique ont clairement mis en évidence le rôle des forçage physique, notamment des structures à méso-échelle, sur la répartition spatiale et temporelle du zooplancton. / Physical forcing drives the space and time discontinuity (patchiness) of plankton in the ocean. The thesis was focused on the role of these forcing on the zooplankton, studied using both acoustic and traditional methods with net sampling. The study was based on two examples. The first one concerns the northwestern Sargasso Sea where high resolution time-series data on 0-200m macrozooplankton abundance and distribution off Bermuda was estimated from volume backscattering strength (Sv) measured with a 153-Khz ADCP. Three types of eddies were identified: a productive cyclonic eddy, the periphery of a mode water eddy, and the periphery of an anticyclonic eddy. Sv values increased during passage of theses eddies, with a more pronounced increase associated with the edge of the cyclonic and the anticyclonic eddies, suggesting a significant biological response to localized upwelling in the high velocity boundary of these eddies. In the second example, spatial and temporal distribution of zooplankton off New Caledonia was studied during two multidisciplinary cruises in 2011. Zooplankton variability was assessed using net sampling together with acoustic measurements (shipborne ADCP, scientific echosounder and TAPS). Higher amplitudes of diel vertical migration (DVM) of zooplankton were associated with higher abundance of large zooplankton and cold waters to the south of the study area, while lower DVM amplitudes in the north were associated with warmer waters and higher abundance of small organisms. These acoustic measurements clearly evidenced the role of physical forcing, particularly mesoscale features, in shaping zooplankton space and time distribution.

Les tendances climatiques récentes montrent un réchauffement et un adoucissement des couches de surface dans la région du courant circumpolaire antarctique (ACC).Sur la même période, les vents d'ouest pilotant la circulation de l'océan Austral ont significativement augmentés. Cette augmentation est en partie liée à l'intensification du mode annulaire austral (SAM), principal mode de variabilité atmosphérique au sud de 20°S. Dans cette thèse, on s'intéresse à comprendre les effets de la tendance positive du SAM sur les propriétés des masses d'eau formées dans la région de l'ACC.A cette fin, on met en place une stratégie de simulations régionales couplées océan-glace de mer et forcées par une série de scénarios atmosphériques perturbés. Les scénarios atmosphériques sont construits à partir de réanalyses atmosphériques afin de décrire les différentes composantes (dynamiques et thermodynamiques) des changements liés au SAM.En réponse à l'intensification du SAM, les simulations montrent une forte salinisation de la couche de mélange océanique ainsi que des eaux modales (SAMW) et intermédiaires (AAIW).L'essentiel de ces changements peut être attribué aux composantes dynamiques du SAM. Dans les régions saisonnières englacées, les composantes thermodynamiques du SAM peuvent jouer un rôle important (en particulier en mer d'Amundsen et en mer de Weddell). Les simulations montrent également le rôle clef joué par la glacede mer dans la médiation des changements atmosphériques vers l'océan intérieur. Ces résultats de simulations suggèrent que le SAM ne serait pas le seul pilote des tendances climatiques récentes dans l'océan Austral. / Recent climate trends show a warming and freshening of the surface layers in the region of the Antarctic Circumpolar Current (ACC). Over the same period, the westerlies driving the circulation of the Southern Ocean have significantly increased. This increase is partly due to the intensification of the Southern Annular Mode (SAM), the main mode of atmospheric variability south of 20°S. In this thesis, we are interested in understanding the effects of the positive trend of the SAM onto the properties of water masses formed in the region of the ACC. To do so, we implement a strategy of regional coupled ocean-sea ice simulations forced by a series of atmospheric disturbance scenarios.These scenarios are constructed from atmospheric reanalyses in order to describe the various components (dynamic and thermodynamic) of the changes related to the SAM. In response to the increase of the SAM, the simulations show a significant salinification of the ocean mixed layer and of the mode water (SAMW) and intermediate water (AAIW).Most of these changes can be attributed to the dynamic components of the SAM. In Seasonal Ice Zone, the thermodynamic components of the SAM can play an important part (especially in Amundsen Sea and Weddell Sea). The simulations also show the key role played by sea ice in mediating atmospheric changes toward the interior ocean.These simulation results suggest that SAM is not the only driver of recent climate trends in the Southern Ocean.