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Soutenance

Marylou Athanase (LOCEAN)

Titre : On the recent evolution of Atlantic Water at the entrance to the Arctic Ocean

Date et heure : Le 05-11-2020 à 09h30

Type : thèse

Université qui délivre le diplôme : Sorbonne Université

Lieu : En ligne
Membres du jury :

Mme. Pascale Bouruet-Aubertot - LOCEAN-IPSL/SU (Paris) - Présidente

Mme. Ursula Schauer - AWI (Allemagne) - Rapporteure

Mme. Camille Lique - LOPS (Brest) - Rapporteure

M. Jari Haapala - FMI (Finlande) - Examinateur

Mme. Amelie Meyer - UTAS (Australie) - Examinatrice

M. Gilles Garric - Mercator-Ocean (Toulouse) - Examinateur

Mme. M-Dolores Pérez Hernández - IOCAG (Grande Canarie) - Invitée

Mme. Christine Provost - LOCEAN-IPSL/SU (Paris) - Directrice

Mme. Nathalie Sennéchael - LOCEAN-IPSL/SU (Paris) - Encadrante

Résumé :

Soutenance en Anglais


The Arctic is undergoing faster and more severe changes than the rest of the world. September (July) Arctic sea-ice extent has decreased by 45% (26%), relative to 1979 (Onarheim et al., 2018). The numerous ongoing changes observed in all the media (ocean, atmosphere, cryosphere) could have consequences for the global climate and mid-latitude regions in particular (Grassi et al., 2013). In this transitioning Arctic, the area north of Svalbard stands out with a more reduced sea-ice cover in winter than in summer. Indeed, the warm and salty Atlantic Water (AW) inflow entering this region through Fram Strait is larger in winter and maintains ice-free conditions. Combination of observations and model outputs provided insights on the recent oceanic conditions in the Western Eurasian and Nansen basins, entry region for the Atlantic Water.


The IAOOS (Ice Atmosphere Ocean Observing System) 2017 drift gathered a unique 8-months long hydrographic and biogeochemical dataset in the upper Western Eurasian Basin (WEB, 0-350m). Analysis of the IAOOS physical parameters in the WEB indicated a fresher surface layer and shallower AW layer in 2017 than in the 2005–2012 WOA13 (World Ocean Atlas 2013) climatology (Athanase et al., 2020). After favourable comparisons with the IAOOS data, the global 1/12° Mercator Ocean operational system (Lellouche et al., 2018) provided insights on the nature and origin of the mesoscale structures documented by the IAOOS platforms. Two halocline eddies observed in the Amundsen Basin likely resulted from instabilities in the frontal zone between fresher Makarov waters and saltier Eurasian waters. A large AW mesoscale structure in the Nansen Basin (140 km crossed as far as 83.7°N, 34.5°E) corresponded to an AW meander from the boundary current in the model, turning into an anticyclonic eddy after the platforms drifted away. A second AW structure at 82.8°N, 3°W, northwest of the Yermak Plateau, could be identified as an AW recirculating branch detaching from the Yermak Plateau slope back toward Fram Strait.


Datasets such as the IAOOS 2017 drift are rare, and observations remain scarce in the transitioning Western Eurasian and Nansen basins. We took advantage of 14 years of fields from the Mercator 1/12° physical system to examine winter conditions in the Western Nansen Basin (WNB) over the 2007-2020 period (Athanase et al., 2020). Prior to the analysis, the performance of the Mercator system was assessed using 12 years (2007-2018) of independent observations in the WNB. This evaluation highlighted the skills of the model in representing a realistic AW layer, as well as reproducing a previously documented deep winter convection event. The model showed that deep winter convection and recurrent outflows from troughs northeast of Svalbard dramatically modified the AW. Over the 2007-2020 period, two winters stood out with extreme deep mixed layers in areas that used to be ice-covered: 2017/18 over the northern Yermak Plateau-Sofia Deep; 2012/13 on the continental slope northeast of Svalbard. The northern Yermak Plateau-Sofia Deep and continental slope areas became “Marginal Convection Zones" in 2011 with, from then on, occasionally ice-free conditions, 50-m-ocean temperatures always above 0°C and highly variable mixed layer depths and ocean-to-atmosphere heat fluxes.


Finally, the Mercator system underlined an overall intensification of current velocities in the WNB over 2008-2020 (Athanase et al., submitted). In particular, the model showed the strengthening of the Yermak Branch (YB) –either flowing along the outer edge of the Yermak Plateau or crossing the Plateau–, which fed the southward Return Yermak Branch (RYB) along the eastern flank of the Plateau. Model fields also highlighted the onset of new AW pathways: a recurrent anticyclonic circulation established in Sofia Deep. An offshore AW circulation developed downstream of the Yermak Plateau (following the 3800-3900 m isobaths), fed by waters from the Yermak Plateau tip to the west. East of 20°E, additional AW from boundary current was injected in this offshore circulation, via enhanced basin-ward mesoscale activity.


Résumé en Français

En Arctique, les effets du changement climatique sont plus intenses et plus rapides que sur le reste du globe. L’étendue de banquise en Septembre (Juillet) a diminué de 45% (26%) par rapport à 1979 (Onarheim et al., 2018). En parallèle, les nombreux changements observés dans tous les milieux (océan, atmosphère, cryosphère) pourraient avoir des conséquences sur le climat global et en particulier sur les latitudes moyennes (Grassi et al., 2013). Dans cet Arctique en transition, le nord du Svalbard se démarque par une surface de glace plus réduite en hiver qu’en été. En effet, dans cette région, les eaux Atlantiques entrant en Arctique par le détroit de Fram sont plus chaudes et salées en hiver et maintiennent l’océan libre de glace. L’analyse combinée d’observations in-situ et de sorties de modèle océanique haute-résolution a apporté un nouvel éclairage sur les récentes conditions océaniques du Bassin Eurasien Arctique occidental, région d’entrée des eaux Atlantiques.


En 2017, deux bouées IAOOS (Ice Atmosphere Ocean Observing System) ont collecté 8 mois de données hydrographiques et biogéochimiques dans le Bassin Eurasien occidental (0-350 m). L’analyse des paramètres physiques de ce jeu de données a indiqué que la couche de surface observée en 2017 était moins salée qu’en 2007-2012, et la couche chaude des eaux Atlantiques était plus proche de la surface comparé à la climatologie World Ocean Atlas 2013 (Athanase et al., 2019). Après une comparaison favorable aux données IAOOS, le modèle opérationnel global 1/12° Mercator Océan a apporté des informations complémentaires sur l’origine et la nature de quatre structures de méso-échelle documentées par les plateformes IAOOS. Dans le Bassin Amundsen, deux tourbillons de halocline résultaient probablement d’instabilités dans la zone frontale entre les eaux salées du Bassin Eurasien et les eaux plus douces du Bassin Makarov. Dans le Bassin Nansen, la large structure à 83.7°N, 34.5°N fut identifiée comme un méandre d’eaux Atlantiques se détachant du courant de bord et évoluant en un tourbillon anticyclonique après le passage des bouées IAOOS. La seconde structure à 82.8°N, 3°W concordait avec un méandre d’eaux Atlantiques se détachant du Plateau de Yermak pour recirculer vers le Détroit de Fram au sud.


Les jeux de données tels que la dérive IAOOS 2017 sont rares en Arctique, et les observations restent sporadiques dans les Bassins Eurasien et Nansen occidentaux. Ainsi, 14 années de sorties du modèle Mercator ont été utilisées pour examiner les conditions hivernales dans le Bassin Nansen occidental en 2007-2020 (Athanase et al., 2020). Au préalable, 12 ans (2007-2018) de données non-assimilées par le modèle sont utilisés pour évaluer sa performance dans la région. Cette évaluation a démontré la capacité du modèle à représenter les eaux Atlantiques de façon réaliste, ainsi qu’à reproduire un évènement de convection hivernale. Les sorties du modèle ont montré que les propriétés des eaux Atlantiques ont été considérablement modifiées par la convection hivernale profonde et par l’écoulement récurrent d’eaux relativement moins chaudes et salées venant du plateau continental. De 2007 à 2020, deux hivers exceptionnels se démarquent avec des couches de mélange particulièrement profondes dans des zones précédemment couvertes de glace: 2017/18 sur le Plateau de Yermak et Sofia Deep; 2012/13 sur le talus continental à l’est du Svalbard. Ces régions sont devenues des « Zones Marginales de Convection » avec, à partir de 2011, l’absence occasionnelle de banquise en hiver ainsi que des couches de mélanges et flux océan-atmosphère fortement variables. 


Enfin, le modèle Mercator a indiqué l’amplification des courants dans les Bassin Nansen occidental (Athanase et al., submitted). En particulier, le modèle a montré l’intensification de la Yermak Branch et sa circulation le long de flanc ouest du Plateau de Yermak ou traversant directement le Plateau, allant alimenter la Return Yermak Branch sur le flanc est du Plateau. Les sorties du modèle ont également souligné la mise en place de nouveaux chemins empruntés par les eaux Atlantiques: dans le Sofia Deep, une circulation anticyclonique récurrente s’est développée. En aval du Plateau de Yermak, un courant s’est mis en place le long des isobathes 3400-3900 m, alimenté pour sa partie Ouest (orientée vers le sud-est) par les eaux venant de l’extrémité nord-est du Plateau, et par le courant de bord à l’est de 20°E pour sa partie est (orientée vers le nord-est) via l’injection régulière de structures de méso-échelles.



Pour suivre la soutenance :

Lien : https://us02web.zoom.us/j/86379012951

ID de réunion : 863 7901 2951

Contact :
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