Thèse Influence de la Distribution Verticale de la Chaleur Océanique sur le Bilan d'Énergie de la Terre des Échelles Interannuelles aux Échelles Séculaires une Analyse Multi-Outils du Réchauffemen H/F - Doctorat_Gouv

Établissement : Université de Toulouse
École doctorale : SDU2E - Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace
Laboratoire de recherche : LEGOS - Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiale
Direction de la thèse : Benoît MEYSSIGNAC ORCID 0000000163259843
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59

Contexte:
Le changement climatique résulte de l'accumulation des gaz à effet de serre (GES) d'origine anthropique dans l'atmosphère, qui perturbe l'équilibre radiatif du système climatique. En réponse à l'augmentation des concentrations de GES, la Terre absorbe davantage d'énergie solaire qu'elle n'en émet vers l'espace, ce qui induit un déséquilibre énergétique global positif.
La quasi-totalité de cet excédent d'énergie est stockée dans l'océan (environ 93 %), sur l'ensemble de la colonne d'eau. L'évolution du déséquilibre énergétique de la Terre dépend à la fois du forçage radiatif imposé par les GES et de la réponse radiative du système climatique. Cette réponse est principalement contrôlée par la température moyenne globale de la surface océanique et par l'intensité des rétroactions radiatives associées.
Ces rétroactions sont fortement modulées par les anomalies régionales de température de surface de l'océan, en particulier dans le Pacifique tropical, où les interactions océan-atmosphère liées aux circulations de Hadley et de Walker jouent un rôle central. À l'inverse, la chaleur stockée dans les couches profondes de l'océan n'affecte pas directement la nature de la réponse radiative de la Terre. Elle agit essentiellement comme un réservoir inertiel, ralentissant la réponse du système climatique en limitant le réchauffement de surface par le transfert de chaleur vers les profondeurs.

Problématique scientifique:
Comprendre la distribution verticale de l'excédent d'énergie stocké dans l'océan, ainsi que son évolution temporelle, est donc essentiel pour contraindre l'amplitude et les temps caractéristiques de la réponse radiative de la Terre. Cela nécessite de caractériser précisément le réchauffement de l'océan depuis la surface jusqu'aux grandes profondeurs.
Ce défi reste majeur aujourd'hui, en particulier pour l'océan profond (au-delà de 2000 m), qui demeure très faiblement observé, avec un échantillonnage spatio-temporel extrêmement limité. Cette insuffisance d'observations empêche également une validation robuste des simulations issues des modèles de circulation générale. De plus, ces modèles présentent souvent des dérives numériques dans les couches profondes, ce qui limite leur fiabilité pour l'étude du stockage de chaleur océanique à grande profondeur.
Depuis 1993, les observations satellitaires d'altimétrie radar et de gravimétrie spatiale permettent de mesurer l'expansion thermique de l'océan. Combinées, ces observations offrent la possibilité d'estimer le contenu thermique total de l'océan intégré sur la verticale, avec une résolution temporelle et spatiale élevée. Par ailleurs, depuis le début des années 2000, le réseau de profileurs autonomes ARGO fournit des mesures in situ de température jusqu'à 2000 m de profondeur, permettant de caractériser finement la structure verticale du réchauffement océanique dans les couches supérieures, bien que la résolution horizontale reste limitée.
La combinaison optimale de ces observations satellitaires et in situ ouvre ainsi la voie à une estimation conjointe :
-de la distribution verticale de la chaleur océanique dans les 2000 premiers mètres,
-du contenu en chaleur de l'océan profond intégré de 2000m au fondUne telle séparation verticale est cruciale pour distinguer la chaleur stockée dans la couche de surface, directement impliquée dans la réponse radiative de la Terre, de celle stockée plus profondément, et pour quantifier le rôle actuel de l'océan dans la dynamique temporelle du bilan d'énergie du système climatique.

Objectif:
L'objectif principal de cette thèse est de déterminer la distribution verticale de la chaleur océanique, de la surface aux grandes profondeurs, afin d'évaluer le rôle du stockage de chaleur dans l'océan sur la réponse radiative de la Terre et le bilan énergétique global.

L'objectif principal de cette thèse est de déterminer la distribution verticale de la chaleur océanique, de la surface aux grandes profondeurs, afin d'évaluer le rôle du stockage de chaleur dans l'océan sur la réponse radiative de la Terre et le bilan énergétique global.
Pour cela, il s'agira de développer une estimation du contenu en chaleur de l'océan à haute résolution temporelle et spatiale, en particulier sur la verticale, à partir de la combinaison d'observations in situ (ARGO) et satellitaires (altimétrie radar et gravimétrie spatiale).
En exploitant la fermeture du bilan du niveau de la mer, les observations satellitaires permettront d'estimer la composante thermo-stérique du niveau marin et, par conséquent, les variations locales et globales du contenu en chaleur de l'océan intégré sur la verticale. Leur combinaison avec les données ARGO, au sein d'une méthode inverse, visera à :
-séparer le contenu en chaleur de l'océan profond (> 2000 m),
-caractériser finement le contenu en chaleur des couches supérieures, décomposées en sous-couches grâce à la résolution verticale des observations in situ.
Ces estimations seront ensuite combinées aux observations du bilan radiatif de la Terre issues de la mission CERES afin de contraindre un modèle conceptuel de bilan thermique de l'océan à deux couches (type MT2 ; Gregory et al., 2024). Ce cadre permettra d'étudier les variations récentes du bilan énergétique de la Terre et le rôle joué par la distribution verticale du réchauffement océanique.
Enfin, l'influence respective des différentes couches verticales de l'océan sur les variations récentes du bilan d'énergie de la Terre sera évaluée et comparée aux simulations des modèles de circulation générale, afin d'interpréter la variabilité énergétique globale qu'ils simulent.

La première étape du travail se concentrera sur l'estimation du contenu en chaleur de l'océan à haute résolution temporelle et spatiale notamment sur la profondeur à partir des observations ARGO, altimétrie radar et gravimétrie spatiale. On utilisera en parallèle deux approches pour combiner de manière optimale les observations afin de déterminer le contenu en chaleur de différentes couches successives de l'océan en coordonnées de densité :
-Une méthode inverse basée sur un algorithme d'optimisation de coefficient entre les mesures in-situ et satellites suivi par un mapping objectif des résidus de l'optimisation.
-Une approche basée sur les méthodes d'intelligence artificielle

Dans une deuxième étape Les estimations obtenues alimenteront un modèle conceptuel de transport vertical de chaleur dans l'océan de type MT2 à deux couches, afin d'identifier les paramètres clés du réchauffement océanique contrôlant l'impact de la stratification verticale de l'énergie sur le bilan d'énergie de la Terre.

Dans la dernière étape, les résultats issus du modèle conceptuel contraint par les observations seront comparés aux simulations historiques des modèles de circulation générale. L'objectif sera d'évaluer la capacité de ces simulations historiques à reproduire l'évolution récente de la stratification verticale de l'océan au cours des premières décennies du XXI siècle, ainsi que son impact sur le bilan d'énergie de la Terre.
On examinera en particulier si les modèles de circulation générale attribuent un rôle comparable à celui déduit du modèle conceptuel contraint par les observations aux contributions respectives des couches de surface tropicales et des couches profondes de l'océan dans la modulation du bilan d'énergie global, aux échelles annuelles à multi-décennales.

Etre titulaire d'un master en science ou d'un diplôme d'ingénieur ou équivalent. Bien connaitre la physique du changement climatique
Savoir coder des programmes informatiques (de préférence en Python avec xarray et DASK). Savoir parler et écrire en anglais
Savoir travailler en équipe. Savoir présenter ses résultats et communiquer.