On the change in thermocline seasonal variability along the equatorial Pacific from before and after 2000

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Emergence des théories et prévisions du phénomène El Niño

Cette théorie n’expliquait cependant pas la nature oscillatoire d’ENSO: les événements El Niño chauds peuvent être suivis par une phase froide (c.a.d. La Niña) et reviennent après un certain temps, ce dernier définissant la « périodicité» de l’oscillation. Les années 80 et 90 sont une periode prospère pour l’émergence des théories d’ENSO, ce qui a été permis en partie grâce aux développements du système d’observation dans le Pacifique tropical: in situ (cf. programme TOGA-TAO lancé en 1985) et satellite (le premier altimètre (GEOSAT) a été lancé en 1985). En particulier, l’altimétrie a permis l’observation quasi-synoptique des ondes équatoriales planétaires, ce qui a permis de tester les différentes théories basées sur les réflexions des ondes équatoriales aux frontières méridionales du bassin Pacifique. Dans ces théories (par exemple, celle de l’oscillateur retardé, voir #1.3.2 pour plus de détails), l’effet retardé de l’onde réfléchie est le processus par lequel un événement El Niño est contraint à s’amortiret ce processus permet d’introduire le concept nécessaire à la nature oscillante d’ENSO.
Néanmoins, les dimensions zonales du bassin Pacifique Tropical associées à la propagation d’ondes libres ne pouvaient pas fournir une vue cohérente des échelles de temps de l’évolution d’ENSO et de sa périodicité. La théorie de recharge-décharge a émergé à la fin des années 90, en partie afin de résoudre cette question. Cette théorie considère un ajustement rapide qui a lieu à l’échelle du bassin Pacifique tropical. Le long de l’équateur, les alizés induisent un transport zonal, mais aussi un transport méridional associé à l’effet de la force de Coriolis (transport de Sverdrup). Ce dernier « recharge » la bande équatoriale en eaux chaudes lorsque la thermocline est remontée (processus de recharge) ou évacue les eaux chaudes de la bande équatoriale (décharge), ce qui constitue la rétroaction négative lente et permet au système d’osciller (voir schémas de la Figure 1.2). Cette théorie est basée sur l’observation qu’il a un ajustement différé entre la SST et le contenu thermique dans le Pacifique équatorial (i.e. Warm Water Volume). Cette théorie a fourni le cadre général pour l’étude d’ENSO durant les deux dernières décennies. Au moment où j’ai démarré cette thèse, la théorie de la recharge-décharge était encore le principal paradigme pour interpréter la variabilité interannuelle dans le Pacifique équatorial. Elle fournit des bases théoriques solides pour étudier divers aspects de l’ENSO, en particulier le changement de ses propriétés (fréquence, amplitude, prévisibilité) sur de longues périodes de temps. Par exemple, à partir des années 80, ENSO a connu une augmentation de son amplitude, qui a été attribuée à l’état moyen plus chaud, après le « shift » climatique de la fin des années 70 (Yeh et al., 2001). Une augmentation de l’activité ENSO peut être liée à une diminution de la stabilité de l’oscillateur, qui peut être diagnostiquée à partir d’observations ou de produits de réanalyses et en utilisant ce formalisme (An et Jin, 2001). Ainsi les progrès de la modélisation numérique et de l’assimilation de données de la fin du XXe nous ont conduits à l’idée que le phénomène El Niño pourrait être prévu avec au moins deux ou trois saisons à l’avance.

Un nouveau type d’événement El Niño

Or, depuis le début du 21ième siècle, les manifestations du phénomène El Niño ont réduit ces expectatives. En particulier, depuis les années 2000, le score de prédictibilité de la théorie de recharge-décharge s’est significativement réduit, car la phase entre la SST dans la région NINO3 [150°W-90°W; 5°S-5°N] et l’indice de contenu thermique du bassin (WWV) a significativement diminué (McPhaden, 2012). Tout d’abord, il a été suggéré que cela était dû à la modification de la position de la région où les anomalies de tension de vent associées à ENSO sont observées. En particulier, il a été montré que plus l’anomalie de vent est à l’Ouest, plus le décalage entre l’indice NINO3 SST et le mode WWV est marqué (Clarke, 2010; Fedorov, 2010). En outre, les processus de dissipation pourraient jouer un rôle important dans la diminution du décalage entre NINO3 SST et l’index WWV (Thual et al., 2013). Toutefois, il n’est pas certain qu’un tel changement dans les caractéristiques d’ENSO observés après 2000 pourrait être interprété à la lumière de la théorie de recharge-décharge. En fait, un nouveau type d’El Niño, connu sous le nom de El Niño Pacifique Central (CP El Niño, Kug et al., 2009) ou El Niño Modoki (Ashock et al., 2007), caractérisé par des anomalies de température moins intenses et localisées dans le centre du Pacifique équatorial a placé la communauté scientifique devant un nouveau défi.
Cette thèse est une contribution aux efforts de la communauté pour comprendre ce changement. Elle se concentre sur l’étude de la variabilité équatoriale dans le bassin Pacifique au cours du siècle dernier, lorsqu’un seul type d’événement El Niño était observé. Ces nouveaux événements El Niño ont un centre d’action localisé dans le Pacifique central, comparé aux événements El Niño Pacifique Est ou Cold Tongue El Niño qui ont des impacts plus graves pour le Pérou.
Pour résumer le positionnement de cette thèse dans l’histoire de la recherche consacrée au phénomène El Niño, la Figure 1.2 présente un schéma de la chronologie de la recherche de la communauté ENSO au cours du XXe siècle.
Figure 1.2 Chronologie de la recherche sur ENSO depuis le début du XXe siècle, illustrée à partir d’une série temporelle de la SST moyennée dans la région NINO3 (150°W-90°W; 5°S-5°N) à partir des données ERSST (Extended Reconstructed Sea Surface Temperature, Smith et al., 2008) v3b. L’unité est ° C. D’aprés Dewitte et al. (2014).

Motivations et objectifs de cette thèse

Il est maintenant reconnu qu’ENSO implique divers type de variabilité à des échelles de temps distinctes: de l’intrasaisonnier à l’interannuel. Un intérêt particulier a été porté à la variabilité atmosphérique intrasaisonnière dans le Pacifique tropical car elle a été observée avant le développement des événements El Niño récents et elle peut être impliquée dans la rectification d’ENSO (Kessler et Kleeman, 2000). Cette variabilité intra-saisonnière est en particulier composée de l’Oscillation Madden Julian (MJO, Madden and Julian, 1994) et les coups de vent d’ouest (Westerly Wind Bursts) dont les échelles de temps de variabilité s’étendent de 10 à 60 jours. Étonnamment, l’onde de Kelvin IntraSaisonnière (ISKw) a un spectre de variabilité beaucoup plus large allant de (50 jours)-1 jusqu’à la fréquence semi-annuelle, avec un pic d’énergie marqué dans la bande de fréquence (90-120 jours)-1 (Cravatte et al., 2003, Dewitte et al., 2008a). Une étude récente (Guschina and Dewitte, 2012) suggère par ailleurs que la relation entre ENSO et la variabilité intrasaisonnière atmosphérique dans le Pacifique pourrait être distincte suivant le type d’El Nio. Il semble donc important d’étudier les caractéristiques de l’onde ISKw et sont rôle sur le développement et la décroissance des événements CP El Niño, considérant de plus que l’onde ISKw a un impact sur la dispersion des prévisions d’ENSO (Wang et al., 2011) et que les systèmes de prédiction présentent une capacité de prévision réduite sur la période récente (Hu et al., 2012; Xue et al., 2013).
D’autre part, il est également connu qu’une partie de l’énergie de l’onde de Kelvin équatoriale qui se propage le long de l’équateur à travers tout le Pacifique se propage vers les pôles le long de la côte du continent Sud-Américain, lorsque l’onde de Kelvin atteint la frontière Est du Pacifique. Le long de la côte péruvienne, l’onde de Kelvin de downwelling advecte des eaux chaudes équatoriales vers le Sud (surtout pendant les événements El Niño intenses) et approfondit également la thermocline, ce qui peut entraîner une augmentation de la SST associée à une diminution de l’advection ou du mélange vertical. La Figure 1.3 illustre le phénomène de propagation depuis l’Ouest du Pacifique vers l’Est pour l’événement de 2002. En ce qui concerne la relation avec l’écosystème marin, l’onde de Kelvin de downwelling diminue l’efficacité de l’upwelling côtier, en termes d’enrichissement en nutriments (maintenant à la surface des eaux chaudes, faibles en nutriments; cf. Barber and Chavez, 1983). Les événements chauds associés à l’onde de Kelvin de downwelling incitent les anchois à se concentrer près de la côte et à se réfugier plus en sub-surface, et semblent influencer la stratégie d’exploitation des navires de pêche (Bertrand et al., 2008). L’augmentation de la SST dans le Nord du Pérou en l’été austral, en raison de l’impact de l’onde de Kelvin, peut également créer une instabilité atmosphérique qui engendre des précipitations le long des côtes péruviennes et des inondations dans la région de Piura [80,6°W; 5,3°S] (Takahashi, 2004). Les implications sociétales de la dynamique de l’onde de Kelvin le long de la côte du Pérou sont donc aussi une motivation à ce travail.
Figure 1.3 Sur la gauche, les séries temporelle des anomalies de profondeur de la thermocline (en mètres) le long du Pacifique équatorial estimées à partir des profils de température TAO situés à 180°E (a) , 155°W (b) , 125°W (c) et 95°W (d). Sur la droite (e), anomalies interannuelles de la SST (en °C, par rapport à la climatologie 2000-2013) pour le 3 Avril 2002. D’aprés Mosquera (2014).
L’objectif général de cette thèse est de mieux comprendre la variabilité interannuelle dans le Pacifique équatorial depuis 2000, compte tenu de l’évolution observée des caractéristiques de la dynamique associée à ENSO à depuis cette date. (McPhaden et al., 2011). En particulier depuis 2000, le Pacifique équatorial n’a connu que des événements El Niño de type Pacifique Central. Les raisons en reste inconnues. Cette thèse s’inscrit dans l’effort de la communauté internationale d’en comprendre les raisons. Elle s’intéresse en particulier à la dynamique ondulatoire et aux échelles de temps intrasaisonnières. Le chapitre 1 rappelle les théories actuelles d’ENSO, et synthétise l’état des connaissances sur la dynamique des événements CP El Niño. Il aborde aussi l’état des connaissances sur les processus agissant sur les caractéristiques de propagation des ondes de Kelvin équatoriales. Il est suivi par un examen détaillé d’un événement El Niño Pacifique Central, l’événement El Niño 2002/03, le premier CP El Niño du 21e siècle (chapitre 2). Dans cette étude, nous étudions les processus dans la couche de mélange associés aux ondes longues équatoriales et nous examinons si un tel événement satisfait la théorie de recharge-décharge. Puis, dans le chapitre 3, cette thèse aborde les échelles de temps intrasaisonnières, en documentant l’activité de l’onde ISKw au cours des événements CP El Niño des deux dernières décennies, et en étudiant les processus associés à la dissipation de l’onde ISKw. Enfin, considérant qu’El Niño est étroitement liée au cycle saisonnier, nous documentons les changements dans les caractéristiques du cycle saisonnier long de l’équateur avant et après 2000 (chapitre 4). Pour tous les chapitres, la méthodologie adoptée est basée sur l’analyse combinée de données (in situ et satellite) et de sorties de modèles, du modèle linéaire (Mosquera, 2009; Mosquera et al., 2010) aux modèles océaniques de circulation générale (OGCM).

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Introduction (English version)

A brief history of El Niño phenomenon

At the end of 19th century, Carranza (1891) described for the first time the characteristics of a strong climatic event that took place along the Peruvian coast in 1891. He depicted an abnormal southward current apparently originating from the Guayaquil Gulf, and that was opposite to the southerly current. This abnormal current disrupted the oceanic and atmospheric climatological conditions, resulting in warmer than usual ocean conditions and heavy precipitations along the Peruvian coast and, as a consequence, flooding in the Northern edge of Peru in April and May of 1891. This event was so strong that precipitation anomalies reached cities such as Lima [77ºW, 12ºS] and Ica [75.7ºW, 14ºS] (Rodriguez, 2001) – cities that usually have no precipitation all year around. The southward extension of this unusual event can be appreciated from Figure 1.1bis that displays the Sea Surface Temperature (SST) interannual anomaly in March (Figure 1.1bis-a) and April (Figure 1.1bis-b) of 1891 over the South Eastern Pacific region and highlights that the SST anomaly increased by ~2°C from March to April on average along the coast of Peru. This event was mostly described based on its coastal expression and it was not clear at that time, how such event was connected to the equatorial variability. The first document that ever mentions “El Niño” along the coast of Peru was published two years later in the bulletin of the Sociedad Geográfica de Lima, written by Carrillo (1892), in which he reported the various evidences of a “strange” southward current observed in the ocean off Peru just after Christmas: La corriente del Niño (El Niño current).
It was the El Niño that occurred in 1925, the largest one registered at the time and documented by an ornithologist (Murphy, 1926) that first enticed the concern of the international scientific community on the El Niño phenomenon. Whereas the meteorologist H. P. Berlage was the first to suggest that El Niño could be linked to the large scale circulation in the tropical Pacific (Cushman, 2004), the first theory was proposed by Sir Bjerknes, following earlier works by Sir Walker who was sent to India to forecast the monsoon in order to improve the cotton production- an important raw material for Europe at that time. Sir Walker observed that the fluctuations of pressure at Tahiti and Darwin were opposite and they were varying a lot from one year to the other.
He used these data (the difference between both) to forecast the Indian monsoon that is now known to be associated with the El Niño Southern Oscillation (ENSO). Sir Bjerknes was the first to suggest that, the unusual phenomenon which was occurring along the coast of Peru (the episodic warming of sea water at Christmas time) could be related to the large scale fluctuations identified by Sir Walker. He spurred the concept that the zonal contrast in SST across the equatorial Pacific is tightly linked to the so-called Walker circulation driven by the difference in sea level pressure between Tahiti and Darwin.

El Niño theories and forecasts

What was not explained by this theory is the oscillatory nature of ENSO: warm El Niño events can be followed by a cold phase (i.e. La Niña) and comes back after some time, the later defining its “periodicity”. The 80s and 90s were the decades of intense development in the theory of ENSO, which was allowed in part thanks to the development of the observing system in the tropical Pacific, both in situ (TOGA-TAO program launched in 1985) and from space (the first altimeter (GEOSAT) was launched in 1985). In particular, altimetry allowed for the quasi-synoptic observation of planetary equatorial waves, which permitted testing theories based on the reflections of equatorial waves onto the Pacific meridional boundaries. In these theories (for instance, the so-called delayed action oscillator, see #1.3.2 for more details), the delayed effect of the reflected wave is the process by which an El Niño event is suppressed, providing a concept for its oscillating nature.
Even if, at the time, the observation of long equatorial waves permitted to understand its role on the oscillatory process of El Niño, the basin scale adjustment associated with the free propagating waves could not provide a consistent view of the timescales of ENSO evolution and periodicity. The recharge-discharge theory emerged in the late 90s in part in order to resolve such issue. The recharge-discharge oscillator considers a fast adjustment that takes place at the scale of the tropical Pacific basin. Along the equator, the trade winds induced a zonal transport but also a meridional transport due to the effect of the Coriolis force (the so-called Sverdrup transport). The latter replenishes the equatorial band in warm waters when the thermocline has risen (recharge process) or evacuates the warm waters from the equatorial band (discharge), which provides the slow negative feedback for the system to oscillate (see details in Section 1.3). The theory is based on the observation that there is a delayed adjustment between the SST and the heat content over the equatorial Pacific (the so-called warm water volume). This theory has provided the most general framework for studying ENSO for the last two decades. At the time when I started this thesis, the recharge-discharge oscillator was still the main paradigm for interpreting the interannual variability in the equatorial Pacific. The recharge-discharge oscillator provides a solid theoretical basement for studying various aspects of ENSO, in particular its changes in properties (frequency, amplitude, predictability) over long-timescales. For instance, from the 80s, ENSO experienced an increase in its amplitude, which has been attributed to the warmer mean state after the climate shift of the late 70s. An increase in ENSO activity may be related to a decrease in the stability of the oscillator, which can be diagnosed from observations or Reanalysis products based on this formalism (An and
Jin, 2001). Hence, along with improvements in numerical modeling and data assimilation, at the end of the XXe, we came to the idea that El Niño could be predicted with at least 2 or 3 seasons in advance.

A new type of El Niño

However, the observations since the beginning of the 21st century have wiped out this expectation. In particular, it has been observed that since the 2000s, the predictive value of the recharge-discharge oscillator has been limited since the lag between the NINO3 SST [150°W-90°W; 5°S-5°N] and the WWV index has decreased significantly (McPhaden, 2012). First, this has been suggested to be due to changes in the location of the center of ENSO wind stress anomalies. In particular, it can be shown that the further to the west the wind stress forcing, the smaller the lag between NINO3 SST and the WWV mode (Clarke, 2010; Fedorov, 2010). Also, dissipation processes could play a significant part in explaining the lag between the NINO3 SST and WWV mode (Thual et al., 2013). However, it was not clear if such change in ENSO characteristics observed after 2000 could be fully interpreted in the light of the recharge-discharge theory. In fact, a new type of El Niño, known as the Central Pacific El Niño (CP El Niño, Kug et al., 2009) or Modoki El Niño (Ashock et al., 2007), characterized by weaker SST anomalies located in the central Pacific was described, which, since then, has put the community in front of a new challenge (Capotondi et al., 2015).
This thesis is a contribution to the efforts of the ENSO community for understanding such change. It focuses on the investigation of the equatorial variability in the Pacific over the last century, when only El Niño of one type has taken place. Those new El Niño events have a center of action in the central Pacific conversely to the Eastern Pacific or Cold Tongue El Niño that has the most severe impacts for Peru.
As a summary of where the thesis stands within the history of El Niño research, the Figure 1.2bis provides a schematic of the chronology of ENSO research over the Twentieth century.

Motivations and objectives of the thesis

It is now well known that ENSO involves a variety of variability timescales: from intraseasonal to interannual. The intraseasonal atmospheric variability in the tropical Pacific has a particular interest because it has been observed prior to the development of recent El Niño events and possibly involved in the rectification of the ENSO (Kessler and Kleeman, 2000). This intraseasonal atmospheric variability is in particular composed by the Madden and Julian oscillation (Madden and Julian, 1994) and the Westerly Wind Bursts (stochastic in nature) that are associated to periods of variability ranging from 10 to 60 days. Surprisingly, the IntraSeasonal Kelvin wave (ISKw) has a much wider spectrum of variability ranging from (50 days)-1 to the semi-annual frequency with a particular energy peak in the (90 -120 days)-1 frequency band (Dewitte et al., 2008a). A recent study (Gushchina and Dewitte, 2012) also indicates that the relationship between ENSO and the intraseaonal atmospheric variability could be distinct among the two types of El Niño. It appears important to document the characteristics of the IEKws and its relationship with the CP El Niño development and decay, considering that the ISKw is influential on the spread of ENSO forecasts (Wang et al., 2011) and that prediction systems exhibit a distinct forecast skill depending on the El Niño type (Hu et al., 2012; Xue et al., 2013).

Table of contents :

Chapter 1: Overview
1.1 Introduction (Version française)
1.1.1 Bref historique du phénomène El Niño
1.1.2 Emergence des théories et prévisions du phénomène El Niño
1.1.3 Un nouveau type d’événement El Niño
1.1.4 Motivations et objectifs de cette thèse
1.2 Introduction (English version)
1.2.1 A brief history of El Niño phenomenon
1.2.2 El Niño theories and forecasts
1.2.3 A new type of El Niño
1.2.4 Motivations and objectives of the thesis
1.3 ENSO theories
1.3.1 Bjerknes theory
1.3.2 The delayed oscillator
1.3.3 Discharge and recharge oscillator theory
1.4 The Central Pacific El Niño (CP El Niño)
1.5 ENSO and the Kelvin wave
1.6 Processes impacting the Kelvin wave in the equatorial Pacific
Chapter 2: The 2002/03 El Niño: Equatorial waves sequence and their impact on Sea Surface Temperature
2.1 Overview
2.2 Article published in Journal Geophysical Research- Oceans
2.3 Thermodynamics associated to the El Niño phenomenon over 1990 – 2011
2.3.1 Introduction
2.3.2 Data and methodologies
2.2.3 Results
Chapter 3: The Central Pacific El Niño Intraseasonal Kelvin wave
3.1 Overview
3.2 Article published in Journal of Geophysical Research – Oceans
Chapter 4: On the change in thermocline seasonal variability along the equatorial Pacific from before and after 2000
4.1 Overview
4.2 Draft Article to be submitted to Journal of Geophysical Research – Oceans
Chapter 5: Conclusions and Perspectives

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