Dans cette thèse, nous avons abordé plusieurs thématiques liées aux modes de variabilité climatique dans l'Atlantique tropical à l'échelle interannuelle. Les analyses statistiques nous ont permis dans un premier temps de mettre en évidence les deux principaux modes dominants de cette variabilité interannuelle: un mode équatorial et un mode méridien. Le mode équatorial est responsable d'anomalies de température de surface de la mer (SST) principalement dans le Golfe de Guinée et est identifié par des variations de la pente du niveau de la mer dans la bande équatoriale. Il est dû à des rétroactions dynamiques entre le vent, le niveau de la mer et la SST. Quant au mode méridien, il se manifeste par des fluctuations inter-hémisphériques de SST et est contrôlé par des rétroactions dynamiques et thermodynamiques entre le vent, l'évaporation et la SST. L'évaluation du couplage de ces variables clés du mode méridien nous a permis de proposer un modèle conceptuel pour expliquer les principaux mécanismes responsables des oscillations du mode méridien. Le modèle a montré que le mode méridien résulte de la superposition d'un mécanisme auto-entretenu basé sur les rétroactions positives et négatives générant des oscillations régulières de haute fréquence (2-3 ans) et d'un autre mécanisme d'oscillation basse fréquence (4-9 ans) lié à l'influence d'ENSO du Pacifique Est. Comme l'évolution de ces deux modes est fortement liée au déplacement méridien de la zone de convergence intertropicale (ITCZ) qui transporte les pluies, nous avons ensuite identifié la signature de ces modes sur la salinité de la surface de la mer à l'aide observations in situ et d'une simulation numérique régionale. Les processus océaniques et/ou atmosphériques responsables de la signature de chaque mode ont été également identifiés grâce à un bilan de sel dans la couche de mélange du modèle validé. Le bilan de sel a révélé que le forçage atmosphérique, lié à la migration de l'ITCZ, contrôle la région équatoriale tandis que l'advection, due à la modulation des courants, du gradient vertical et le mélange à la base de la couche de mélange, explique les variations de SSS dans les régions sous l'influence des panaches. [...] / In this thesis, we investigate several topics related to the interannual climatic modes in the tropical Atlantic. Statistical analyses allows us to extract the two main dominant modes of interannual variability: an equatorial mode and a meridional mode. The equatorial mode is responsible for Sea Surface Temperature (SST) anomalies mainly found in the Gulf of Guinea and is linked to variations of the sea-level slope in the equatorial band. It is due to dynamic feedbacks between zonal wind, sea level and SST. The meridional mode is characterised by inter-hemispheric SST fluctuations and is controlled by dynamic and thermodynamic feedbacks between the wind, evaporation and SST. After quantifying the coupling between key variables involved in the meridional mode, we develop a conceptual model to explain the main mechanisms responsible for meridional mode oscillations. The model shows that the meridional mode results from the superposition of a self-sustaining mechanism based on positive and negative feedbacks generating regular oscillations of high frequency (2-3 years) and another low frequency oscillation mechanism (4-9 years) related to the influence of ENSO. As the evolution of these two modes is strongly linked to the meridional shift of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) and associated rainfall maximum, we identify the signature of these modes on Sea Surface Salinity (SSS) using in situ observations and a regional numerical simulation. Oceanic and/or atmospheric processes responsible for the signature of each mode are also identified through a mixed-layer salt budget in the validated model. The salt balance reveals that the atmospheric forcing, related to the ITCZ migration, controls the equatorial region while the advection, due to the modulation of current dynamics, the vertical gradient and mixing at the base of the mixed layer, explains SSS variations in regions under the influence of plumes. Finally, we study the Equatorial Kelvin wave characteristics and influences on the density that are involved in the meridional and equatorial mode connection processes, using a very simplified model of gravity wave propagation along the equator. After a brief description of this model, which was initially constructed to study dynamics in the equatorial Pacific, we apply it to the specific case of the equatorial Atlantic by validating its analytical and numerical solutions under adiabatic conditions. [...]

Le sous-courant équatorial (EUC), en alimentant l'upwelling équatorial, peut avoir une forte influence sur la température de surface (SST) du Pacifique équatorial Est et donc sur la variabilité associée à El Niño. L'EUC et les cellules de circulation méridienne (shallow subtropical/tropical overturning cells, STCs/TCs) l'alimentant sont étudiés en combinant données in situ et modélisation. Les trajectoires de masses d'eau sont calculées dans des simulations réalistes (le modèle OPA forcé par les vents des réanalyses NCEP sur 1948-1999 ou des satellites ERS sur 1992-1999). Leur analyse met en évidence des cheminements des masses d'eaux propres aux évènements El Niño-La Niña de 1997-1998, avec des recharges et décharges de la bande équatoriale complexes et asymétriques. Cette analyse montre aussi l'apport d'eaux froides par les STCs et l'EUC lors de la brusque transition vers La Niña en mai 1998. Les données de courant et de température des mouillages TAO/TRITON le long de l'équateur à 170°W, 140°W et 110°W sont méthodiquement bouchées sur 1980-2002. On montre que des séries continues du débit, de la température, de la profondeur et de l'énergie cinétique de l'EUC sur toute son extension méridienne peuvent alors être construites. Leur analyse révèle que la forte variabilité interannuelle du débit de l'EUC est une réponse linéaire et quasi-stationnaire à la tension de vent zonale équatoriale intégrée zonalement dans le Pacifique Ouest et central. La température de l'EUC, indispensable pour l'estimation du transport de chaleur, varie elle linéairement avec la différence des profondeurs de la thermocline et de l'EUC dans le Pacifique central. Le modèle numérique, validé entre autre à l'aide des séries de l'EUC, est utilisé pour étudier sur 1951-1999 la circulation équatoriale associée à l'EUC: la convergence dans la pycnocline, l'upwelling équatorial et la divergence en surface à 5°N et 5°S. Leurs variabilités en débit sont quasi-égales à celle de l'EUC, qui est donc un bon indicateur de la force des STCs. Ces variabilités sont principalement causées par la tension de vent zonale intégrée zonalement sur tout le bassin, en accord avec des théories linéaires. Des déphasages avec la SST équatoriale, notamment l'avance de 5 mois de l'upwelling et de la divergence sur la SST, révèlent des relations de cause à effet très intéressantes, confirmées par les bilans de chaleur. La différence de température entre la divergence et la convergence a des variations interannuelles et à plus long-terme égales à celles de la SST équatoriale. Les conséquences sur les bilans et échanges de masse et de chaleur dans la bande équatoriale sont ensuite quantifiées. La variabilité du transport de chaleur méridien associé à la convergence/divergence est due aussi bien aux variations de débit que de température de la convergence et de la divergence. Ainsi, pendant un événement El Niño, la baisse des débits aura tendance à réchauffer la bande équatoriale (recharge), alors que l'augmentation de la différence entre les températures de la divergence et de la convergence aura l'effet contraire (décharge). Pour le Pacifique Est, les variations interannuelles du débit dominent celles de la température de l'EUC pour le transport de chaleur de l'EUC. Les liens avec les théories d'El Niño et sa variabilité décennale sont discutés.

In the recent scenario of climate change, the natural variability and uncertainty associated with the hydrologic variables is of great concern to the community. This thesis opens up a new area of multi-disciplinary research. It is a promising field of research in hydrology and water resources that uses the information from the field of atmospheric science. A new way to identify and capture the variability and uncertainty associated with the hydrologic variables is established through this thesis. Assessment of hydroclimatic teleconnection for Indian subcontinent and its use in basin-scale hydrologic time series analysis and forecasting is the broad aim of this PhD thesis. The initial part of the thesis is devoted to investigate and establish the dependence of Indian summer monsoon rainfall (ISMR) on large-scale Oceanic-atmospheric circulation phenomena from tropical Pacific Ocean and Indian Ocean regions. El Niño-Southern Oscillation (ENSO) is the well established coupled Ocean-atmosphere mode of tropical Pacific Ocean whereas Indian Ocean Dipole (IOD) mode is the recently identified coupled Ocean-atmosphere mode of tropical Indian Ocean. Equatorial Indian Ocean Oscillation (EQUINOO) is known as the atmospheric component of IOD mode. The potential of ENSO and EQUINOO for predicting ISMR is investigated by Bayesian dynamic linear model (BDLM). A major advantage of this method is that, it is able to capture the dynamic nature of the cause-effect relationship between large-scale circulation information and hydrologic variables, which is quite expected in the climate change scenario. Another new method, proposed to capture the dependence between the teleconnected hydroclimatic variables is based on the theory of copula, which itself is quite new to the field of hydrology. The dependence of ISMR on ENSO and EQUINOO is captured and investigated for its potential use to predict the monthly variation of ISMR using the proposed method. The association of monthly variation of ISMR with the combined information of ENSO and EQUINOO, denoted by monthly composite index (MCI), is also investigated and established. The spatial variability of such association is also investigated. It is observed that MCI is significantly associated with monthly rainfall variation all over India, except over North-East (NE) India, where it is poor. Having established the hydroclimatic teleconnection at a comparatively larger scale, the hydroclimatic teleconnection for basin-scale hydrologic variables is then investigated and established. The association of large-scale atmospheric circulation with inflow during monsoon season into Hirakud reservoir, located in the state of Orissa in India, has been investigated. The strong predictive potential of the composite index of ENSO and EQUINOO is established for extreme inflow conditions. So the methodology of inflow prediction using the information of hydroclimatic teleconnection would be very suitable even for ungauged or poorly gauged watersheds as this approach does not use any information about the rainfall in the catchment. Recognizing the basin-scale hydroclimatic association with both ENSO and EQUINOO at seasonal scale, the information of hydroclimatic teleconnection is used for streamflow forecasting for the Mahanadi River basin in the state of Orissa, India, both at seasonal and monthly scale. It is established that the basin-scale streamflow is influenced by the large-scale atmospheric circulation phenomena. Information of streamflow from previous month(s) alone, as used in most of the traditional modeling approaches, is shown to be inadequate. It is successfully established that incorporation of large-scale atmospheric circulation information significantly improves the performance of prediction at monthly scale. Again, the prevailing conditions/characteristics of watershed are also important. Thus, consideration of both the information of previous streamflow and large-scale atmospheric circulations are important for basin-scale streamflow prediction at monthly time-scale. Adopting the developed approach of using the information of hydroclimatic teleconnection, hydrologic variables can be predicted with better accuracy which will be a very useful input for better management of water resources.