Variabilité centennale de l'AMOC : mécanisme et impacts

The mechanisms driving the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) low-frequency variability and the climate impact are investigated in the atmosphere-ocean coupled general circulation model (AOGCM) IPSL-CM6A-LR. A centennial to multi-centennial variability of the AMOC emerges in this model, which increases the uncertainties associated with internal variability in the climate projections. We isolate the low-frequency variations in a 2000- yr preindustrial control simulation and show the dominant role of the freshwater exchanges between the Arctic Ocean and the North Atlantic in controlling the AMOC intensity.As the AMOC increases, the ocean transports heat northward, which leads to the sea-ice melting in the Arctic Ocean. Combined with the weakened southward East Greenland Current, the freshwater export from the Arctic reduces, and a progressive accumulation of freshwater occurs in the central Arctic. Meanwhile, the saltier Atlantic inflow through the Barents Sea results in a positive salinity anomaly in the Eastern Arctic subsurface. The mean transpolar drift across the Arctic towards the Lincoln Sea tends to transport the positive salinity in the Eastern Arctic subsurface to the central Arctic and the central freshwater anomaly to the Lincoln Sea north of Greenland. In parallel, a cyclonic circulation anomaly is simulated around Greenland, which competes with the tendency of the transpolar drift transporting freshwater southward towards Greenland. This competition leads to the relatively long retainment of a surface freshwater anomaly in the Arctic Ocean. When this accumulated freshwater finally reaches the Lincoln Sea, the oceanic currents around Greenland reorganize, leading to the export of the anomalous Arctic freshwater to the North Atlantic, enhancing the stratification in deep convection sites. The AMOC then decreases, positive salinity anomalies appear in the Central Arctic, and the variability switches to the opposite phase.We further examine the climate responses to this low-frequency AMOC and associated oceanic meridional energy transport (OMET) variability using AOGCM sensitivity experiments. The underlying mechanism is also revealed by comparison to a slab ocean model (SOM) coupled with the same atmospheric module as in IPSL-CM6A-LR. In the AOGCM experiments, we constrain the AMOC anomalies using a novel scheme modifying online the baroclinic current of the AMOC in the North Atlantic Ocean. These simulations do not use any flux correction into the climate system, so that the climate responses to an intensified AMOC can be investigated in the framework of energy flow diagnostics in the climate system.A strengthening of the AMOC is found to be responsible for a wide warming in the Northern Hemisphere and a northward displacement of the intertropical convergence zone (ITCZ). According to Bjerknes compensation, at the decadal time scale and beyond, a decreasing atmospheric meridional energy transport (AMET) should compensate for the AMOC-associated increasing OMET. Such compensation is verified when the AMOC increases, as the ocean heat storage changes are small, and the energy balance at the top of the atmosphere (TOA) is hardly modified. Therefore, the northward OMET anomaly due to strong AMOC is balanced by a southward AMET. In the tropics, the abnormal southward AMET is completed by an anomalous equatorial Hadley circulation through its upper branch. Thus, the moisture and heat are transported northward via its lower limb, leading to the shift of ITCZ. The anomalous wind stress associated with the Hadley cell also leads to the formation of an overturning cell transporting heat northward in the Indo-Pacific Ocean. In contrast, in analogous SOM experiments, where the ocean is motionless, the imposed increase in Atlantic OMET is therefore solely balanced by a decrease in AMET. The resulting climate variations in SOM experiments are similar to that in AOGCM but with much larger amplitudes. In addition, the SOM atmospheric circulation changes are further amplified by more intense radiative changes at the TOA than that in AOGCM, which are driven by the tropical low cloud changes.Les mécanismes à l’origine de la variabilité à basse fréquence de la circulation méridienne de retournement de l'Atlantique (AMOC, pour Atlantic Meridional Overturning Circulation) et la réponse du climat à cette variabilité, basée sur le modèle de circulation générale atmosphère-océan (AOGCM, pour atmosphere ocean general circulation model) IPSL-CM6A-LR. Une forte variabilité centennale à multi-centennale de l'AMOC apparaît dans le modèle, ce qui engendre de fortes incertitudes pour les projections climatiques. Nous isolons les variations à basse fréquence dans une simulation de contrôle préindustrielle de 2000 ans et avons trouvons que les échanges d'eau douce entre l'océan Arctique et l'Atlantique Nord jouent un rôle déterminant.Lors d’une intensification de l'AMOC, le transport de chaleur vers le nord réalisé par l’océan augmente. Ceci entraîne la fonte de la banquise dans l'océan Arctique. Nous trouvons également que le courant Est du Groenland orienté vers le sud s’affaiblit. Ainsi, l'export d'eau douce de l'Arctique diminue, entrainant une accumulation progressive d'eau douce dans le centre de l'Arctique. Parallèlement, l'afflux d'eau salée provenant de l'Atlantique Nord à travers les détroits bordant la mer de Barents entraîne la formation d’une anomalie de salinité positive de sous-surface au niveau de l'Arctique orientale. La dérive transpolaire à travers l'Arctique vers la mer de Lincoln tend à transporter cette anomalie de salinité positive de vers l'Arctique central, tandis que l'anomalie centrale d'eau douce de surface se propage vers la mer de Lincoln au nord du Groenland. En parallèle une anomalie de circulation cyclonique est simulée autour du Groenland, alors que des anomalies positives de salinité se forme le long des côtes du Groenland. Les courants générés entrent en compétition avec le renforment du transport d’eau douce vers le sud de de la dérive transpolaire. Cette compétition conduit à une rétention relativement longue de l'anomalie d'eau douce de surface dans l'océan Arctique. Lorsque cette eau douce accumulée atteint finalement la mer de Lincoln, un seuil est alors atteint. Les courants océaniques autour du Groenland se réorganisent alors, entraînant un export massif de l'eau douce de l’Arctique anormale vers l'Atlantique Nord. L'AMOC diminue alors, et des anomalies positives de salinité apparaissent dans le centre de l'Arctique, alors que la phase opposée de la variabilité se met en place.Nous examinons en détail les réponses climatiques aux anomalies de l’AMOC se formant à basse fréquence en utilisant des expériences de sensibilité avec le même AOGCM. Les mécanismes sous-jacents sont également mis en évidence par comparaison avec un modèle analogue utilisant une couche de mélange océanique (SOM, pour slab ocean model) couplé au même modèle atmosphérique que celui utilisé dans IPSL-CM6A-LR. Dans les expériences AOGCM, les courants barocline associés à l'AMOC dans l'océan Atlantique Nord sont contraint par une méthode innovante ne modifiant que la dynamique océanique. Ces simulations n'utilisent pas de correction de flux et les réponses climatiques à une intensification de l'AMOC peuvent être étudiées en étudiant les bilan et flux d'énergie dans le système climatique.Le renforcement de l'AMOC conduit à un fort réchauffement de l'hémisphère nord et déplace vers le nord de la zone de convergence intertropicale (ITCZ, pour Intertropical convergence zone). Selon la compensation de Bjerknes, à l'échelle décennale et au-delà, un transport méridien d'énergie dans l'atmosphère (AMET, pour atmopheric meridional energy transport) vers le sud doit se former pour compenser l'OMET (pour ocean merdional energy transport) vers le nord engendré par une intensification de l’AMOC. Cette compensation est vérifiée dans nos simulations car le contenu de chaleur océanique varie peu, de même que le bilan radiatif au sommet de l'atmosphère. L'anomalie de l'OMET vers le nord due à une forte AMOC est ainsi compensée par un AMET vers le sud. Dans les tropiques, l'anomalie de l'AMET vers le sud est réalisée par une cellule de Hadley anormale au niveau de l’équateur transportant de l'énergie dans sa branche supérieure. L'humidité et la chaleur sont en revanche transportées vers le nord par sa branche inférieure, ce qui est cohérent avec le déplacement de la ITCZ. La modification des vents alizées associée entraîne également la formation d’une cellule de circulation océanique superficielle transportant de la chaleur vers le sud dans l'océan Indo-Pacifique. En revanche, dans les expériences SOM, le changement de l'OMET imposé dans l’océan Atlantique est uniquement équilibré par un changement de l’AMET. Ainsi, les variations climatiques dans les expériences SOM sont similaires à celles du AOGCM, mais avec des amplitudes beaucoup plus grandes. Les changements de la circulation atmosphérique dans les expériences SOM sont également amplifiés par une rétroaction positive liée aux changements des nuages bas, entrainant une variation du bilan radiatif au sommet de l’atmosphère