Abyssal hill roughness impact on internal tide generation: linear theory

Internal tide driven mixing plays a key role in sustaining the deep ocean stratification and meridional overturning circulation. Internal tides can be generated by topographic horizontal scales ranging from hundreds of meters to tens of kilometers. State of the art topographic products hardly resolve scales smaller than ~10 km in the deep ocean, over which abyssal hills are the dominant ocean floor roughness fabric. An evaluation of the impact of abyssal hill roughness on internal-tide generation is presented in this study

Towards a pan-European coastal flood awareness system: Skill of extreme sea-level forecasts from the Copernicus Marine Service

European coasts are regularly exposed to severe storms that trigger extreme water-level conditions, leading to coastal flooding and erosion. Early Warning Systems (EWS) are important tools for the increased preparedness and response against coastal flood events, hence greatly reducing associated risks. With this objective, a proof-of-concept for a European Coastal Flood Awareness System (ECFAS) was developed in the framework of the H2020 ECFAS project, which capitalizes on the Copernicus products. In this context, this manuscript evaluates for the first time the capability of the current Copernicus Marine operational ocean models to forecast extreme coastal water levels and hence to feed coastal flood awareness applications at European scale. A methodology is developed to focus the assessment on storm-driven extreme sea level events (EEs) from tide-gauge records. For the detected EEs, the event peak representation is validated, and the impact of forecast lead time is evaluated. Results show satisfactory performance but a general underprediction of peak magnitudes of 10% for water levels and 18% for surges across the detected EEs. In average, the models are capable of independently flagging 76% of the observed EEs. Forecasts show limited lead time impact up to a 4-day lead time, demonstrating the suitability of the systems for early warning applications. Finally, by separating the surge and tidal contributions to the extremes, the potential sources of the prediction misfits are discussed and consequent recommendations for the evolution of the Copernicus Marine Service forecasting models towards coastal flooding applications are provided

Deep-ocean mixing driven by small-scale internal tides

Turbulent mixing in the ocean is key to regulate the transport of heat, freshwater and biogeochemical tracers, with strong implications for Earth’s climate. In the deep ocean, tides supply much of the mechanical energy required to sustain mixing via the generation of internal waves, known as internal tides, whose fate—the relative importance of their local versus remote breaking into turbulence—remains uncertain. Here, we combine a semi-analytical model of internal tide generation with satellite and in situ measurements to show that from an energetic viewpoint, small-scale internal tides, hitherto overlooked, account for the bulk (>50%) of global internal tide generation, breaking and mixing. Furthermore, we unveil the pronounced geographical variations of their energy proportion, ignored by current parameterisations of mixing in climate-scale models. Based on these results, we propose a physically consistent, observationally supported approach to accurately represent the dissipation of small-scale internal tides and their induced mixing in climate-scale models

Forcing factors affecting sea level changes at the coast

We review the characteristics of sea level variability at the coast focussing on how it differs from the variability in the nearby deep ocean. Sea level variability occurs on all timescales, with processes at higher frequencies tending to have a larger magnitude at the coast due to resonance and other dynamics. In the case of some processes, such as the tides, the presence of the coast and the shallow waters of the shelves results in the processes being considerably more complex than offshore. However, ‘coastal variability’ should not always be considered as ‘short spatial scale variability’ but can be the result of signals transmitted along the coast from 1000s km away. Fortunately, thanks to tide gauges being necessarily located at the coast, many aspects of coastal sea level variability can be claimed to be better understood than those in the deep ocean. Nevertheless, certain aspects of coastal variability remain under-researched, including how changes in some processes (e.g., wave setup, river runoff) may have contributed to the historical mean sea level records obtained from tide gauges which are now used routinely in large-scale climate research

Towards comprehensive observing and modeling systems for monitoring and predicting regional to coastal sea level

A major challenge for managing impacts and implementing effective mitigation measures and adaptation strategies for coastal zones affected by future sea level (SL) rise is our limited capacity to predict SL change at the coast on relevant spatial and temporal scales. Predicting coastal SL requires the ability to monitor and simulate a multitude of physical processes affecting SL, from local effects of wind waves and river runoff to remote influences of the large-scale ocean circulation on the coast. Here we assess our current understanding of the causes of coastal SL variability on monthly to multi-decadal timescales, including geodetic, oceanographic and atmospheric aspects of the problem, and review available observing systems informing on coastal SL. We also review the ability of existing models and data assimilation systems to estimate coastal SL variations and of atmosphere-ocean global coupled models and related regional downscaling efforts to project future SL changes. We discuss (1) observational gaps and uncertainties, and priorities for the development of an optimal and integrated coastal SL observing system, (2) strategies for advancing model capabilities in forecasting short-term processes and projecting long-term changes affecting coastal SL, and (3) possible future developments of sea level services enabling better connection of scientists and user communities and facilitating assessment and decision making for adaptation to future coastal SL change.RP was funded by NASA grant NNH16CT00C. CD was supported by the Australian Research Council (FT130101532 and DP 160103130), the Scientific Committee on Oceanic Research (SCOR) Working Group 148, funded by national SCOR committees and a grant to SCOR from the U.S. National Science Foundation (Grant OCE-1546580), and the Intergovernmental Oceanographic Commission of UNESCO/International Oceanographic Data and Information Exchange (IOC/IODE) IQuOD Steering Group. SJ was supported by the Natural Environmental Research Council under Grant Agreement No. NE/P01517/1 and by the EPSRC NEWTON Fund Sustainable Deltas Programme, Grant Number EP/R024537/1. RvdW received funding from NWO, Grant 866.13.001. WH was supported by NASA (NNX17AI63G and NNX17AH25G). CL was supported by NASA Grant NNH16CT01C. This work is a contribution to the PIRATE project funded by CNES (to TP). PT was supported by the NOAA Research Global Ocean Monitoring and Observing Program through its sponsorship of UHSLC (NA16NMF4320058). JS was supported by EU contract 730030 (call H2020-EO-2016, “CEASELESS”). JW was supported by EU Horizon 2020 Grant 633211, Atlantos

The Copernicus Marine Environment Monitoring Service Ocean State Report

The Copernicus Marine Environment Monitoring Service (CMEMS) Ocean State Report (OSR) provides an annual report of the state of the global ocean and European regional seas for policy and decision-makers with the additional aim of increasing general public awareness about the status of, and changes in, the marine environment. The CMEMS OSR draws on expert analysis and provides a 3-D view (through reanalysis systems), a view from above (through remote-sensing data) and a direct view of the interior (through in situ measurements) of the global ocean and the European regional seas. The report is based on the unique CMEMS monitoring capabilities of the blue (hydrography, currents), white (sea ice) and green (e.g. Chlorophyll) marine environment. This first issue of the CMEMS OSR provides guidance on Essential Variables, large-scale changes and specific events related to the physical ocean state over the period 1993–2015. Principal findings of this first CMEMS OSR show a significant increase in global and regional sea levels, thermosteric expansion, ocean heat content, sea surface temperature and Antarctic sea ice extent and conversely a decrease in Arctic sea ice extent during the 1993–2015 period. During the year 2015 exceptionally strong large-scale changes were monitored such as, for example, a strong El Niño Southern Oscillation, a high frequency of extreme storms and sea level events in specific regions in addition to areas of high sea level and harmful algae blooms. At the same time, some areas in the Arctic Ocean experienced exceptionally low sea ice extent and temperatures below average were observed in the North Atlantic Ocean

Les variations du niveau de la mer : de la moyenne globale aux échelles régionales et côtières et vers les services climatiques

Sea-level rise: from global to coastal scales and towards climate servicesWhen I started to work on sea level rise in 2014, 21st century projections were rather limited to global mean sea level rise (SLR); regional projections were only emerging back then. A World Climate Research Program grand challenge was setup on regional sea-level change and coastal impacts. Whether past and future sea levels were rising at the same rate in the deep, open ocean and at the coast was an open question. Because of the societal implications of sea level rise, I’ve thus decided early on to focus my research on coastal sea level variations. But as sea level changes at the coast depend on sea level changes at global and regional scales, I’ve also worked on these different scales. My scientific approach has been to (i) characterize how sea level trends and interannual variability differ from the deep, offshore ocean to the coastal ocean, (ii) to understand the relevant processes driving sea level changes, and especially so at the coast from the long-term trends to extremes, and (iii) to regionalize projected sea level trends and to better characterize projected changes in extreme sea levels. To that aim, I’ve analyzed existing data and developed dedicated tools such as reprocessed coastal altimetry, sensitivity model experiments to the representation of different processes, dynamically downscaled climate model projections of sea level changes. The main questions I’ve been interested in are: •Projections of SLR are essentially based on climate models. Confidence in SLR projections therefore depends on the ability of climate models to simulate the various components of SLR and to reproduce sea level (SL) changes over the historical period. Major questions in climate modeling are therefore: can climate models accurately reproduce past changes and can they successfully and robustly predict the future? What explains the spread in climate-model projections? These questions apply at both global and regional scales. •How representative are regional sea level changes induced from climate models for coastal sea level changes, where impacts are occurring? In other words, how different is coastal sea level variability from the large-scale, offshore one? How different are regionally downscaled projections of sea level changes compared to that from the parent global climate model? How the inclusion of coastal sea level drivers and their interactions with mean sea level changes are altering coastal sea level change representations? •What is the relative importance of the different processes and factors contributing to SL changes at the coast at different timescales? •Wind-waves are a known large contributor to extreme water levels at the coast. But as wind regimes are also changing in response to climate change, are wind-wave contribution to coastal sea level change also changing at interannual-to-multidecadal timescales? What are the time-mean projected changes by the end of 21st century? Over the past 7 years, I’ve developed my sea-level research activities mostly in parallel to my activities on the definition, coordination and management of the Copernicus Marine Service R&D program, although these two streams of activities have also fed one another. The Copernicus Marine Service is user and policy driven and as such, it provides scientific data and information for the ultimate benefit of society, thereby creating a pathway for actionable science for society. This "science for society" pathway is much needed for sea level rise since mitigation of climate change and adaptation measures can reduce SLR induced risks. Yet, authoritative, consistent and decision-oriented dedicated climate services to support policies, adaptation and decision-making are still in their early development worldwide. Floods, with their impacts on people, the built environment and the economy, have been identified as one of the four key climate change induced risks for Europe. More than 50 million people currently live in European low-elevation coastal zones, and the expected annual damage of marine coastal flood is estimated at €1.25 billion euros for Europe. The increased hazards posed by SLR in response to climate change has been identified as the main driver of the future rise in coastal flood losses for Europe (compared to increased exposure and vulnerability), stressing the need to better understand and characterize projected sea level changes. Although I chose to work on sea level changes motivated by both scientific and societal implications reasons, I’ve mostly focused on the former during the past years. In my on-going activities and research perspectives, I’m paying more attention to the latter by leveraging on the convergence of my sea-level research and of the development of Copernicus Marine and climate services. The objectives of my current and future research activities are two-fold. First, they aim at improving knowledge of past, current and projected sea level changes along European coasts, with a focus on coastal sea level changes and with an extension of my research towards extreme events. This will notably be achieved through a regional dynamical downscaling of climate model with a more comprehensive representation of physical drivers of coastal sea level changes. Second, they aim at bridging the gap between sea level science and actionable information for society. In that regard, I’ll contribute to the development of climate services dealing with sea level change at the coast and related risks, both for early warning systems based on short-term forecasts, and for long-term sea level rise and changes in water level extremes. This will extend my research towards other scales of sea level variability, more focused on coastal sea level changes, and with an opening from sea level hazards information for broad-scale, European, risk assessment. Finally, although my main research activity will be targeted towards the aforementioned sea level topics, the broad knowledge I’ve gained on blue, white and green ocean sciences through the management of the Copernicus Marine R&D program, much wider than SLR, and the capacity to identify and prioritize needed scientific evolution could lead me to define, coordinate and supervise research activities on a wider spectrum of thematics than SLR. On longer time horizons, the development of coordinated multidecadal-to-centennial projections, or even of decadal predictions dedicated to the marine environment could support many users and policies, for various applications. "What-if" scenarios could allow to explore different mitigation and adaptation strategies, for instance. These new activities could leverage on the capabilities of the Copernicus Marine Service, in collaboration with the Copernicus Climate Change Service and other programs, and become part of the core services such as the Copernicus Marine Service in the long run.Les variations du niveau de la mer : de la moyenne globale aux échelles régionales et côtières et vers les services climatiques Lorsque j’ai commencé à travailler sur l’élévation du niveau de la mer en 2014, les projections climatiques pour le 21ème siècle étaient principalement disponibles pour la moyenne globale ; les projections régionales de la hausse du niveau de la mer n’étant alors qu’émergentes. Un des grands défis du programme mondial de recherche sur le climat (WCRP) venait d’être mis en place sur les variations régionales du niveau de la mer et les impacts côtiers associés. Dans quelle mesure le niveau de la mer s’est élevé et s’élèvera au même rythme dans l’océan hauturier et sur les côtes restait une question ouverte. En raison des implications sociétales de la hausse du niveau de la mer, j’ai donc décidé très tôt de concentrer mes recherches sur les variations du niveau de la mer à la côte. Cela dit, les variations du niveau de la mer à la côte dépendent directement des variations du niveau de la mer aux échelles globale et régionale, et j’ai donc également travaillé sur ces échelles. Ma démarche scientifique a consisté (i) à caractériser les différences entre les tendances du niveau de la mer et la variabilité interannuelle entre l’océan profond, au large, et l’océan côtier, (ii) à comprendre les processus pertinents à l’origine des changements du niveau de la mer, et plus particulièrement à la côte, des tendances à long-terme aux variations interannuelles et jusqu’aux extrêmes, et (iii) à régionaliser les tendances projetées du niveau de la mer et à mieux caractériser les changements projetés des niveaux extrêmes de la mer. Pour cela, j’ai analysé les données existantes et développé des outils dédiés tels que l’altimétrie côtière, des expériences de sensibilité à la représentation de différents processus dans des modèles numériques, des descentes d’échelle statistique et dynamique pour étudier les variations du niveau de la mer à la côte, y compris en projection climatique. Les principales questions auxquelles je me suis intéressée sont les suivantes : •Les projections de la hausse du niveau de la mer sont essentiellement basées sur les modèles de climat. La confiance que l’on accorde à ces projections dépend donc de la capacité des modèles de climat à simuler les différentes composantes de la hausse du niveau de la mer et à reproduire les changements passés. Des questions essentielles qui se posent en matière de modélisation du climat sont donc les suivantes : les modèles de climat peuvent-ils reproduire correctement les variations passées du niveau de la mer ? Comment expliquer la dispersion de la représentation des variations du niveau de la mer dans les différents modèles de climat ?•Dans quelle mesure la hausse régionale du niveau de la mer issue des modèles de climat est- elle représentative de la hausse du niveau de la mer à la côte, là où les impacts se produisent ? En d’autres termes, comment la variabilité du niveau de la mer dans les zones côtières diffère-t-elle de la variabilité à grande échelle dans l’océan du large ? Dans quelle mesure les projections de la hausse du niveau de la mer obtenues par descente d’échelle dans un modèle régional diffèrent-elles de celles du modèle global de climat parent ? Dans quelle mesure l’inclusion de processus contribuant aux variations du niveau de la mer en zone côtière et non pris en compte dans les modèles globaux de climat modifie-t-elle la représentation des variations du niveau de la mer à la côte ? •Quelle est l’importance relative des différents processus et facteurs contribuant aux variations du niveau de la mer à la côte à différentes échelles de temps ? •Les vagues contribuent fortement aux niveaux d’eau extrêmes atteints à la côte lors de tempêtes. Mais étant donné que les régimes de vent changent également aux échelles interannuelles et en réponse au changement climatique, les vagues contribuent-elles également aux variations du niveau de la mer à la côte aux échelles interannuelles et aux tendances du niveau de la mer à la côte d’ici la fin du 21ème siècle ? Au cours des sept dernières années, j’ai développé mes activités de recherche sur le niveau de la mer en parallèle de mes activités sur la définition, la coordination et la gestion du programme de recherche d’accompagnement du Service Marin du programme européen d’observation de la Terre, Copernicus, bien que ces deux activités se soient également mutuellement alimentées. Le Service Marin de Copernicus répond aux besoins des utilisateurs y compris pour la mise en œuvre de politiques concernant l’environnement marin. En tant que tel, il fournit des données, des informations et de l’expertise scientifique qui bénéficient à la société, ouvrant ainsi la voie d’une science avec et pour la société. Cette voie de la "science au service de la société" est à développer pour l’élévation du niveau de la mer. En effet, l’atténuation du changement climatique et la mise en place de mesures d’adaptation peuvent considérablement réduire les risques induits par l’élévation du niveau de la mer. Toutefois, sur cette thématique, les services climatiques faisant autorité et orientés vers la prise de décision pour venir en aide à l’adaptation n’en sont encore qu’à leurs débuts à travers le monde. En Europe, les inondations côtières ont été identifiées comme l’un des quatre principaux risques induits par le changement climatique vu les impacts qu’elles ont sur la population, les infrastructures et l’économie. Plus de 50 millions de personnes vivent actuellement dans des zones côtières de faible élévation en Europe, et les pertes économiques annuelles dues aux inondations côtières marines y sont estimées à 1,25 milliard d’euros. Or, l’élévation du niveau de la mer en réponse au changement climatique a été identifiée comme le principal facteur d’augmentation des pertes économiques dues aux inondations côtières en Europe d’ici la fin du siècle (par rapport à l’augmentation de l’exposition et de la vulnérabilité), ce qui souligne la nécessité de mieux comprendre et caractériser la hausse à venir du niveau de la mer. Bien que j’aie choisi de travailler sur la hausse du niveau de la mer à la fois par motivation scientifique et à cause des implications de cette thématique pour la société, je me suis surtout concentrée sur l’aspect purement scientifique au cours des dernières années. Dans mes activités en cours et dans mes perspectives de recherche, j’accorde plus d’attention à la dimension sociétale en tirant parti de la convergence de mes recherches sur le niveau de la mer et du développement de services climatiques et du Service Marin de Copernicus. Mes activités de recherche actuelles et futures ont donc un double objectif. Premièrement, elles visent à améliorer les connaissances sur les variations passées, actuelles et futures du niveau de la mer le long des côtes européennes et en étendant mes recherches aux évènements extrêmes. Cela passera par une descente d’échelle dynamique de modèles de climat avec une représentation plus complète des facteurs physiques responsables des variations du niveau de la mer à la côte. Deuxièmement, elles visent à développer des informations scientifiques sur le niveau de la mer exploitables par la société. À cet égard, je contribuerai au développement de services climatiques dédiés à la hausse niveau de la mer à la côte et aux risques associés, tant pour les systèmes d’alerte précoce basés sur des prévisions à court terme que pour la hausse du niveau de la mer sur le 21ème siècle. Ce faisant, j’étendrai mes recherches à d’autres échelles de variabilité́ du niveau de la mer, plus axées sur les changements du niveau de la mer sur les côtes et vers les évènements extrêmes, et avec une ouverture vers les risques à grande échelle, en Europe. Enfin, même si mon activité de recherche principale sera axée sur la hausse du niveau de la mer, les connaissances étendues que j’ai acquises en océanographie (physique, biogéochimique, et glace de mer) grâce à la gestion du programme de recherche d’accompagnement du Service Marin de Copernicus, pourraient m’amener à définir, coordonner et superviser, en collaboration, des activités de recherche sur un spectre de thématiques plus large que la hausse du niveau de la mer. A plus long-terme, le développement de projections coordonnées multi-décennales à centennales dédiées à l’environnement marin, pourrait soutenir de nombreux utilisateurs et politiques pour diverses applications. Ces nouvelles activités pourraient s’appuyer sur les capacités développées dans le cadre du Service Marine de Copernicus, en collaboration avec le Service sur le Changement Climatique de Copernicus et d’autres programmes, et être intégrées à long terme dans le Service Marin de Copernicus

Les variations du niveau de la mer : de la moyenne globale aux échelles régionales et côtières et vers les services climatiques

Sea-level rise: from global to coastal scales and towards climate servicesWhen I started to work on sea level rise in 2014, 21st century projections were rather limited to global mean sea level rise (SLR); regional projections were only emerging back then. A World Climate Research Program grand challenge was setup on regional sea-level change and coastal impacts. Whether past and future sea levels were rising at the same rate in the deep, open ocean and at the coast was an open question. Because of the societal implications of sea level rise, I’ve thus decided early on to focus my research on coastal sea level variations. But as sea level changes at the coast depend on sea level changes at global and regional scales, I’ve also worked on these different scales. My scientific approach has been to (i) characterize how sea level trends and interannual variability differ from the deep, offshore ocean to the coastal ocean, (ii) to understand the relevant processes driving sea level changes, and especially so at the coast from the long-term trends to extremes, and (iii) to regionalize projected sea level trends and to better characterize projected changes in extreme sea levels. To that aim, I’ve analyzed existing data and developed dedicated tools such as reprocessed coastal altimetry, sensitivity model experiments to the representation of different processes, dynamically downscaled climate model projections of sea level changes. The main questions I’ve been interested in are: •Projections of SLR are essentially based on climate models. Confidence in SLR projections therefore depends on the ability of climate models to simulate the various components of SLR and to reproduce sea level (SL) changes over the historical period. Major questions in climate modeling are therefore: can climate models accurately reproduce past changes and can they successfully and robustly predict the future? What explains the spread in climate-model projections? These questions apply at both global and regional scales. •How representative are regional sea level changes induced from climate models for coastal sea level changes, where impacts are occurring? In other words, how different is coastal sea level variability from the large-scale, offshore one? How different are regionally downscaled projections of sea level changes compared to that from the parent global climate model? How the inclusion of coastal sea level drivers and their interactions with mean sea level changes are altering coastal sea level change representations? •What is the relative importance of the different processes and factors contributing to SL changes at the coast at different timescales? •Wind-waves are a known large contributor to extreme water levels at the coast. But as wind regimes are also changing in response to climate change, are wind-wave contribution to coastal sea level change also changing at interannual-to-multidecadal timescales? What are the time-mean projected changes by the end of 21st century? Over the past 7 years, I’ve developed my sea-level research activities mostly in parallel to my activities on the definition, coordination and management of the Copernicus Marine Service R&D program, although these two streams of activities have also fed one another. The Copernicus Marine Service is user and policy driven and as such, it provides scientific data and information for the ultimate benefit of society, thereby creating a pathway for actionable science for society. This "science for society" pathway is much needed for sea level rise since mitigation of climate change and adaptation measures can reduce SLR induced risks. Yet, authoritative, consistent and decision-oriented dedicated climate services to support policies, adaptation and decision-making are still in their early development worldwide. Floods, with their impacts on people, the built environment and the economy, have been identified as one of the four key climate change induced risks for Europe. More than 50 million people currently live in European low-elevation coastal zones, and the expected annual damage of marine coastal flood is estimated at €1.25 billion euros for Europe. The increased hazards posed by SLR in response to climate change has been identified as the main driver of the future rise in coastal flood losses for Europe (compared to increased exposure and vulnerability), stressing the need to better understand and characterize projected sea level changes. Although I chose to work on sea level changes motivated by both scientific and societal implications reasons, I’ve mostly focused on the former during the past years. In my on-going activities and research perspectives, I’m paying more attention to the latter by leveraging on the convergence of my sea-level research and of the development of Copernicus Marine and climate services. The objectives of my current and future research activities are two-fold. First, they aim at improving knowledge of past, current and projected sea level changes along European coasts, with a focus on coastal sea level changes and with an extension of my research towards extreme events. This will notably be achieved through a regional dynamical downscaling of climate model with a more comprehensive representation of physical drivers of coastal sea level changes. Second, they aim at bridging the gap between sea level science and actionable information for society. In that regard, I’ll contribute to the development of climate services dealing with sea level change at the coast and related risks, both for early warning systems based on short-term forecasts, and for long-term sea level rise and changes in water level extremes. This will extend my research towards other scales of sea level variability, more focused on coastal sea level changes, and with an opening from sea level hazards information for broad-scale, European, risk assessment. Finally, although my main research activity will be targeted towards the aforementioned sea level topics, the broad knowledge I’ve gained on blue, white and green ocean sciences through the management of the Copernicus Marine R&D program, much wider than SLR, and the capacity to identify and prioritize needed scientific evolution could lead me to define, coordinate and supervise research activities on a wider spectrum of thematics than SLR. On longer time horizons, the development of coordinated multidecadal-to-centennial projections, or even of decadal predictions dedicated to the marine environment could support many users and policies, for various applications. "What-if" scenarios could allow to explore different mitigation and adaptation strategies, for instance. These new activities could leverage on the capabilities of the Copernicus Marine Service, in collaboration with the Copernicus Climate Change Service and other programs, and become part of the core services such as the Copernicus Marine Service in the long run.Les variations du niveau de la mer : de la moyenne globale aux échelles régionales et côtières et vers les services climatiques Lorsque j’ai commencé à travailler sur l’élévation du niveau de la mer en 2014, les projections climatiques pour le 21ème siècle étaient principalement disponibles pour la moyenne globale ; les projections régionales de la hausse du niveau de la mer n’étant alors qu’émergentes. Un des grands défis du programme mondial de recherche sur le climat (WCRP) venait d’être mis en place sur les variations régionales du niveau de la mer et les impacts côtiers associés. Dans quelle mesure le niveau de la mer s’est élevé et s’élèvera au même rythme dans l’océan hauturier et sur les côtes restait une question ouverte. En raison des implications sociétales de la hausse du niveau de la mer, j’ai donc décidé très tôt de concentrer mes recherches sur les variations du niveau de la mer à la côte. Cela dit, les variations du niveau de la mer à la côte dépendent directement des variations du niveau de la mer aux échelles globale et régionale, et j’ai donc également travaillé sur ces échelles. Ma démarche scientifique a consisté (i) à caractériser les différences entre les tendances du niveau de la mer et la variabilité interannuelle entre l’océan profond, au large, et l’océan côtier, (ii) à comprendre les processus pertinents à l’origine des changements du niveau de la mer, et plus particulièrement à la côte, des tendances à long-terme aux variations interannuelles et jusqu’aux extrêmes, et (iii) à régionaliser les tendances projetées du niveau de la mer et à mieux caractériser les changements projetés des niveaux extrêmes de la mer. Pour cela, j’ai analysé les données existantes et développé des outils dédiés tels que l’altimétrie côtière, des expériences de sensibilité à la représentation de différents processus dans des modèles numériques, des descentes d’échelle statistique et dynamique pour étudier les variations du niveau de la mer à la côte, y compris en projection climatique. Les principales questions auxquelles je me suis intéressée sont les suivantes : •Les projections de la hausse du niveau de la mer sont essentiellement basées sur les modèles de climat. La confiance que l’on accorde à ces projections dépend donc de la capacité des modèles de climat à simuler les différentes composantes de la hausse du niveau de la mer et à reproduire les changements passés. Des questions essentielles qui se posent en matière de modélisation du climat sont donc les suivantes : les modèles de climat peuvent-ils reproduire correctement les variations passées du niveau de la mer ? Comment expliquer la dispersion de la représentation des variations du niveau de la mer dans les différents modèles de climat ?•Dans quelle mesure la hausse régionale du niveau de la mer issue des modèles de climat est- elle représentative de la hausse du niveau de la mer à la côte, là où les impacts se produisent ? En d’autres termes, comment la variabilité du niveau de la mer dans les zones côtières diffère-t-elle de la variabilité à grande échelle dans l’océan du large ? Dans quelle mesure les projections de la hausse du niveau de la mer obtenues par descente d’échelle dans un modèle régional diffèrent-elles de celles du modèle global de climat parent ? Dans quelle mesure l’inclusion de processus contribuant aux variations du niveau de la mer en zone côtière et non pris en compte dans les modèles globaux de climat modifie-t-elle la représentation des variations du niveau de la mer à la côte ? •Quelle est l’importance relative des différents processus et facteurs contribuant aux variations du niveau de la mer à la côte à différentes échelles de temps ? •Les vagues contribuent fortement aux niveaux d’eau extrêmes atteints à la côte lors de tempêtes. Mais étant donné que les régimes de vent changent également aux échelles interannuelles et en réponse au changement climatique, les vagues contribuent-elles également aux variations du niveau de la mer à la côte aux échelles interannuelles et aux tendances du niveau de la mer à la côte d’ici la fin du 21ème siècle ? Au cours des sept dernières années, j’ai développé mes activités de recherche sur le niveau de la mer en parallèle de mes activités sur la définition, la coordination et la gestion du programme de recherche d’accompagnement du Service Marin du programme européen d’observation de la Terre, Copernicus, bien que ces deux activités se soient également mutuellement alimentées. Le Service Marin de Copernicus répond aux besoins des utilisateurs y compris pour la mise en œuvre de politiques concernant l’environnement marin. En tant que tel, il fournit des données, des informations et de l’expertise scientifique qui bénéficient à la société, ouvrant ainsi la voie d’une science avec et pour la société. Cette voie de la "science au service de la société" est à développer pour l’élévation du niveau de la mer. En effet, l’atténuation du changement climatique et la mise en place de mesures d’adaptation peuvent considérablement réduire les risques induits par l’élévation du niveau de la mer. Toutefois, sur cette thématique, les services climatiques faisant autorité et orientés vers la prise de décision pour venir en aide à l’adaptation n’en sont encore qu’à leurs débuts à travers le monde. En Europe, les inondations côtières ont été identifiées comme l’un des quatre principaux risques induits par le changement climatique vu les impacts qu’elles ont sur la population, les infrastructures et l’économie. Plus de 50 millions de personnes vivent actuellement dans des zones côtières de faible élévation en Europe, et les pertes économiques annuelles dues aux inondations côtières marines y sont estimées à 1,25 milliard d’euros. Or, l’élévation du niveau de la mer en réponse au changement climatique a été identifiée comme le principal facteur d’augmentation des pertes économiques dues aux inondations côtières en Europe d’ici la fin du siècle (par rapport à l’augmentation de l’exposition et de la vulnérabilité), ce qui souligne la nécessité de mieux comprendre et caractériser la hausse à venir du niveau de la mer. Bien que j’aie choisi de travailler sur la hausse du niveau de la mer à la fois par motivation scientifique et à cause des implications de cette thématique pour la société, je me suis surtout concentrée sur l’aspect purement scientifique au cours des dernières années. Dans mes activités en cours et dans mes perspectives de recherche, j’accorde plus d’attention à la dimension sociétale en tirant parti de la convergence de mes recherches sur le niveau de la mer et du développement de services climatiques et du Service Marin de Copernicus. Mes activités de recherche actuelles et futures ont donc un double objectif. Premièrement, elles visent à améliorer les connaissances sur les variations passées, actuelles et futures du niveau de la mer le long des côtes européennes et en étendant mes recherches aux évènements extrêmes. Cela passera par une descente d’échelle dynamique de modèles de climat avec une représentation plus complète des facteurs physiques responsables des variations du niveau de la mer à la côte. Deuxièmement, elles visent à développer des informations scientifiques sur le niveau de la mer exploitables par la société. À cet égard, je contribuerai au développement de services climatiques dédiés à la hausse niveau de la mer à la côte et aux risques associés, tant pour les systèmes d’alerte précoce basés sur des prévisions à court terme que pour la hausse du niveau de la mer sur le 21ème siècle. Ce faisant, j’étendrai mes recherches à d’autres échelles de variabilité́ du niveau de la mer, plus axées sur les changements du niveau de la mer sur les côtes et vers les évènements extrêmes, et avec une ouverture vers les risques à grande échelle, en Europe. Enfin, même si mon activité de recherche principale sera axée sur la hausse du niveau de la mer, les connaissances étendues que j’ai acquises en océanographie (physique, biogéochimique, et glace de mer) grâce à la gestion du programme de recherche d’accompagnement du Service Marin de Copernicus, pourraient m’amener à définir, coordonner et superviser, en collaboration, des activités de recherche sur un spectre de thématiques plus large que la hausse du niveau de la mer. A plus long-terme, le développement de projections coordonnées multi-décennales à centennales dédiées à l’environnement marin, pourrait soutenir de nombreux utilisateurs et politiques pour diverses applications. Ces nouvelles activités pourraient s’appuyer sur les capacités développées dans le cadre du Service Marine de Copernicus, en collaboration avec le Service sur le Changement Climatique de Copernicus et d’autres programmes, et être intégrées à long terme dans le Service Marin de Copernicus

A three-dimensional map of tidal dissipation over abyssal hills

International audienceThe breaking of internal tides is believed to provide a large part of the power needed to mix the abyssal ocean and sustain the meridional overturning circulation. Both the fraction of internal tide energy that is dissipated locally and the resulting vertical mixing distribution are crucial for the ocean state, but remain poorly quantified. Here we present a first worldwide estimate of mixing due to internal tides generated at small-scale abyssal hills. Our estimate is based on linear wave theory, a nonlinear parameterization for wave breaking and uses quasi-global small-scale abyssal hill bathymetry, stratification, and tidal data. We show that a large fraction of abyssal-hill generated internal tide energy is locally dissipated over mid-ocean ridges in the Southern Hemisphere. Significant dissipation occurs above ridge crests, and, upon rescaling by the local stratification, follows a monotonic exponential decay with height off the bottom, with a nonuniform decay scale. We however show that a substantial part of the dissipation occurs over the smoother flanks of mid-ocean ridges, and exhibits a middepth maximum due to the interplay of wave amplitude with stratification. We link the three-dimensional map of dissipation to abyssal hills characteristics, ocean stratification, and tidal forcing, and discuss its potential implementation in time-evolving parameterizations for global climate models. Current tidal parameterizations only account for waves generated at large-scale satellite-resolved bathymetry. Our results suggest that the presence of small-scale, mostly unresolved abyssal hills could significantly enhance the spatial inhomogeneity of tidal mixing, particularly above mid-ocean ridges in the Southern Hemisphere

Les circulations océaniques en mer des Salomon (modélisation haute-résolution et altimétrie spatiale)

Située au bord du Pacifique tropical sud, la mer des Salomon voit transiter les eaux subtropicales alimentant le Pacifique équatorial. A ce titre, cette région méconnue peut moduler le climat du Pacifique tropical. Dans cette thèse, nous avons implémenté un modèle haute résolution de la mer des Salomon qui nous a permis de caractériser les circulations océaniques de la région dans la thermocline, ainsi que leurs variabilités. Nous avons notamment montré qu'une partie des eaux du New Guinea Costal Undercurrent rejoint le New Irelent Coastal Undercurrent. Ce courant se retroflecte partiellement dans l'Equatorial Undercurrent, produisant une connexion directe à la thermocline équatoriale. Le cycle saisonnier de cette circulation est forcé par le régime des ondes équatoriales au nord, et par le regime des ondes de Rossby au sud et à l'est. Une approche lagrangienne des résultats du modèle nous a permis de caractériser les chemins empruntés par les masses d'eau transitant en mer des Salomon avant de rejoindre le Pacifique équatorial, ainsi que leurs transformations. Nous montrons qu'un fort mélange diapycnal est responsable d'un transfert de chaleur vers le fond et d'une érosion du maximum de salinité présent dans la thermocline. Une approche parallèle d'analyse des observations altimétriques disponibles et de retraitement de données altimétriques nous a permis d'étudier la variabilité de la circulation des mer des Salomon, aux échelles saisonnières et interannuelles. Nous avons notamment mis en évidence l'intensification des courants de bord ouest pendant les évènements El Niño, qui vient compenser la déplétion du volume d'eau chaude du Pacifique équatorial ouest.In the southwest Pacific, thermocline waters connecting the tropics to the equator via western boundary currents transit throught the Solomon Sea. For this reason, this poorly known sea may modulate the tropical Pacific climate. In this thesis, we implemented a high-resolution model of the Solomon Sea which enabled us to characterize the regional oceanic circulations in the thermocline layer, and their variabilities. We notably showed that part of the New Guinea Coastal Undercurrent waters join the New Ireland Coastal Undercurrent, which partly retroflects to the Equatorial Undercurrent, providing the most direct western noundary-equator connection. The Solomon Sea western boundary currents' seasonal variability results from the combination of equatorial and of Rossby waves dynamics. A lagrangian analysis of the model results enabled us to characterize the pathways followed by the water masses transiting through the Solomon Sea to join the equatorial Pacific, and their transformations. We showed that strong diapycnal mixing occurs and is responsible for a downward heat transfer and for tje erosion of the maximum of salinity of the upper thermocline. The analysis of available and of reprocessed altimetric data enabled us to study the seasonal and interannual variabilities of the circulation in the Solomon Sea. We notably underlined the intensification of the western boundary currents during El Niño events, which counter balance the depletion of the warm pool in the equatorial western Pacific.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF