Variabilité à long terme et tendances dans la mer des Caraïbes

(a)
(b)
(c)
(d)

Figure 1

(a) Densité des observations de température par cellule de grille en moyenne de 1 à 300 m de profondeur sur 1958-2007 et noms de lieux. (b) Série temporelle d’observations de la température de la mer en moyenne sur les Caraïbes. Le point de départ de l’analyse de la sub-surface est la ligne verticale. (c) Modèle spatial du mode-1 de la PSL (1854-2007) comme indication de l’amplitude multidécennale. (d) Cospectre en ondelettes de la SLP et de la SST des Caraïbes (cf. figures 2(a) et 2(b)), avec contours de puissance aux intervalles 10, 25, 50, 75 % et cône de validité.

Les conditions de l’océan supérieur sont décrites, depuis 1958, par les champs SODA (Simple Ocean Data Assimilation) version 2.4 comprenant la hauteur de la surface de la mer (SSH), la température (), la salinité (), les courants () et le mouvement vertical () à 50 km de résolution horizontale et ~50 m de résolution verticale. La tension du vent de surface (,) est dérivée des prévisions météorologiques à moyen terme de la Communauté européenne (CEPMMT ; voir ). Les champs océaniques sont basés sur l’assimilation par un modèle numérique de données in situ et télédétectées, et comprennent les données hydrographiques des stations côtières et des navires, la température de surface, la hauteur altimétrique et les vents des satellites, les dériveurs océaniques et les flotteurs de profilage, ingérés par le Système mondial d’assimilation des données océaniques et ses prédécesseurs. Bien que les Caraïbes bénéficient d’une couverture raisonnable pour les éléments de surface et les profils océaniques à l’ère de la réanalyse (figure 1(b)), il est utile de minimiser les erreurs apportées par des observations inégales par le biais d’une agrégation spatiale et temporelle comme indiqué ci-dessous.

Pour définir le modèle et la tendance dans la partie supérieure de l’océan, les vecteurs propres dans une matrice de covariance sont calculés via la bibliothèque climatique de l’IRI pour chaque variable : SSH, ,,,,, ,, à partir des moyennes annuelles par cellule de grille et par profondeur sur la période 1958-2007. La composante principale principale (mode-1) représentant la variabilité dominante est analysée sous forme de cartes (8°N-25°N, 85°W-55°W) en utilisant les moyennes de profondeur : 1-100 m pour et , et 1-200 m pour , , . Cette méthode est répétée pour les sections de profondeur E-W (85°W-55°W, 1-350 m, moyenne sur 8°N-25°N) et les sections de profondeur N-S (8°N-25°N, 1-350 m, moyenne sur 85°W-55°W). De cette manière, de nombreuses observations de profil sont regroupées dans chaque analyse.

L’analyse en composantes principales (PC) est employée comme moyen de regrouper et de déduire la variabilité à long terme qui nous intéresse ici. Le tableau 1 compare la variance expliquée par le premier et le deuxième mode. Le premier mode, contenant la tendance, explique environ la moitié de la variance dans tous les domaines, à l’exception des courants océaniques – où les observations sont potentiellement moins fiables. Les tendances se sont avérées non significatives dans les modes secondaires. Pour isoler le signal de tendance et établir le taux de changement, la pente du score temporel du PC mode-1 est cartographiée par cellule de grille. Pour déterminer son importance relative, l’ajustement de la régression de la tendance est calculé après normalisation et lissage avec une moyenne courante de 5 ans. La signification statistique est évaluée par le test du produit-moment de Pearson avec 10 degrés de liberté pour les données de sub-surface (à 95% de confiance) et 25 degrés de liberté pour les enregistrements de surface plus longs. La comparaison des enregistrements à long terme d’une seule station est limitée à la SSH de Porto Rico (1966+) et au débit du fleuve Orénoque à 8°N, 63°W (1923+) et à l’écoulement de son bassin versant provenant d’une réanalyse hydrologique .

La recherche de tendances à long terme comporte certains écueils. On pense que les tendances du contenu thermique de l’océan supérieur se sont accélérées depuis les années 1970 , et l’enregistrement de la subsurface peut refléter ce signal. Mais la densité d’observation change avec les données satellitaires assimilées après 1979. En outre, les séries temporelles contiennent des oscillations multidécennales qui se propagent vers les Caraïbes à partir de latitudes plus élevées (cf. modèle SLP mode-1 Figure 1(c) ; ). En utilisant la technique de co-variance en ondelettes de Torrence et Compo , on constate que la SLP et la SST des Caraïbes partagent une énergie spectrale autour de 16 ans dans la période de réanalyse (Figure 1(d)). Il est donc utile de distinguer la tendance de la variabilité dans l’analyse. En fin de compte, les résultats ici devraient être considérés comme des « meilleures estimations » avec une incertitude apportée par les erreurs d’échantillonnage des instruments et l’interpolation des observations inégales aux cellules de grille du modèle.

Les relations biophysiques sont analysées en comparant les scores PC de l’océan supérieur avec les prises marines annuelles (incluant toutes les espèces, ~75% de poissons) pour la mer des Caraïbes, à l’exclusion des eaux d’Amérique centrale et d’Amérique du Nord, obtenues sur le site Web http://www.fao.org/fishery/ à l’époque de la réanalyse. Il existe des problèmes connus de déclaration liés à l’exploitation commerciale des ressources marines ; peu de pays disposent de données historiques de capture dont la qualité est contrôlée. Pour les ressources terrestres, les rendements annuels des cultures par surface (plantée) en tant qu’agrégat pour tous les pays des Caraïbes (à l’exclusion de l’Amérique centrale et du Nord) ont été obtenus à partir de http://faostat.fao.org/ à l’ère de la réanalyse. Les rendements agricoles affichent une étape en 1985, les écarts ont donc été calculés à partir de moyennes distinctes. La sensibilité du rendement des cultures (pour l’avocat, la noix de coco, les agrumes, la mangue, les épices et la canne à sucre) a été testée par comparaison avec les scores PC de la couche supérieure de l’océan et avec les précipitations moyennes de la zone des Caraïbes provenant du Global Precipitation Climatology Project . La variabilité des ressources peut résulter d’effets environnementaux ou d’influences humaines telles que des changements dans l’effort ou la déclaration. Dans cette optique, les prises marines ont été divisées par la population des Caraïbes. On s’attend à ce que les séries chronologiques de la capture marine par habitant et du rendement des cultures intègrent et soient décalées par rapport au climat, de sorte que les corrélations croisées ont été calculées sur les indices annuels des ressources avec un décalage d’un an.

3. résultats

3.1. Tendances de surface

Les séries chronologiques historiques de surface dans la zone des Caraïbes sont données dans la figure 2. Les TSM présentent des oscillations quasi-décennales et une période fraîche au début du 20e siècle. Il y a une tendance positive de second ordre avec un ajustement de 40% suggérant une accélération du réchauffement au cours des dernières années. Les cyclones tropicaux dans les Caraïbes oscillent avec les TSM mais présentent une faible tendance. Il existe un écart croissant (figure 2(a)) induit par la baisse des flux de chaleur sensible (> SST). Le SLP est inversement lié au SST (), avec une énergie spectrale partagée dans les bandes ~30 et ~60 ans avant 1960 (cf. figure 1(d)). SLP présente une faible tendance à la baisse et un cycle de 16 ans depuis 1960 (Figure 2(b)). Pour le vent de surface, la réanalyse commence après 1900. Le vent zonal a peu de tendance au cours du 20e siècle tandis que le vent méridional présente une tendance positive de 17% d’ajustement (figures 2(c) et 2(d)).

(a)

(b).

(c)

(d)

(a)
(b)
(c)
(d)

Le modèle de chargement mode-1 pour la hauteur de surface de la mer (SSH ; figure 3(a)) de réanalyse est positif partout avec des valeurs plus élevées au large du Venezuela et autour de Cuba, et des valeurs plus faibles le long des Antilles centrales et du gyre de Panama. La hausse plus rapide à proximité de Key West/Havana est liée à la subsidence des terres. Le score temporel de la SSH présente une tendance linéaire à la hausse avec un ajustement de 72 % (figure 3(c)). Les données de la station de Porto Rico indiquent une augmentation plus lente de la SSH que la moyenne régionale. Le « vecteur de changement » de la tension du vent (d’après , tendances) est orienté vers l’est dans les Caraïbes centrales. Au sud de Cuba et à l’est de Trinidad, les alizés du NE se sont renforcés. La tendance pour est de second ordre avec un ajustement de 68 % (figure 3(d)).

(a)

(b)

.(c)

(c)

(d)

(a)
(b)
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(d)

.

Figure 3

Taux de variation par an pour (a) la hauteur de la surface de la mer (m/an) et (b) la contrainte de vent (N m-2/an). (c) Scores temporels normalisés lissés de la SSH avec la jauge de Porto Rico (triangle dans (a)) et la tendance. (d) Scores temporels standardisés lissés de la tension du vent et tendance. -L’axe est les écarts normalisés en (c) et (d).

3.2. Cartes de subsurface

Les cartes des tendances pour , , les courants, et sont présentées dans la figure 4. Il y a eu un réchauffement généralisé de la couche de thermocline des Caraïbes, comme prévu. La pente ascendante de est plus importante au large du Venezuela (figure 4(a)), associée à une diminution de la remontée des alizés au cours des dernières décennies. La salinité dans la thermocline a diminué, en particulier dans le courant des Caraïbes 13°-17°N, à l’est de 75°W (Figure 4(b)). La langue fraîche suggère un afflux d’eaux de l’Atlantique Sud. Les courants ont tendance à faire une boucle autour de la Jamaïque à partir du passage du vent et à se connecter avec les tendances vers l’est du courant des Caraïbes (figure 4(c)). La tendance du mouvement vertical est ascendante autour d’Hispanola/Porto Rico et descendante au sud, au large de la Colombie et du Venezuela (figure 4(d)).

(a)

(b)

(c)

.

(d)

(e)

(f)

(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)

Figure 4

Taux de changement par an pour (a) la température (°C/an) et (b) la salinité (ppt/an) en moyenne à 1-100 m. Taux de changement pour (c) les courants sous forme de vecteurs avec clé m/s, et (d) le mouvement vertical (m jour-1/an) en moyenne de 1 à 200 m. (e) et scores temporels normalisés lissés et tendances, (f) débit jauge du fleuve Orénoque lissé sur 5 ans (1923+) et tendance, et ruissellement du bassin versant à partir de la réanalyse (Vic-mod).

Roemmich a constaté que les eaux de surface et de thermocline qui quittent les Caraïbes par le Yucatan sont composées de 17 Sv du SE des Caraïbes et de 6 Sv du passage du vent. Ce que l’on observe dans les tendances ici, c’est une réduction du flux entrant en provenance du sud-est des Caraïbes et une augmentation en provenance du passage du vent. Il y a une tendance à la réduction du débit sortant vers le Yucatan et les tendances linéaires atteignent 65% et 78% d’ajustement, respectivement (Figure 4(e)). La salinité dans le sud-est des Caraïbes étant affectée par le panache de l’Orénoque, son débit est pris en compte (figure 4(f)). La tendance de l’apport fluvial sur l’enregistrement historique est faible, et les précipitations régionales sont en baisse, donc les changements dans l’advection des courants océaniques sous-tendent le rafraîchissement, et non les flux air-mer locaux.

3.3. Sections de profondeur

La tendance de la température dans la section de profondeur N-S (figure 5(a)) présente un maximum de 11°-16°N à 100-200 m de profondeur. L’amplitude du réchauffement est la plus faible à la surface et dans le sud en dessous de 300 m. La section de profondeur de la salinité (figure 5(b)) présente une charge négative (positive) au-dessus (en dessous) de ~150 m, d’où l’affaiblissement de l’halocline. Cette interface est en pente descendante vers le nord, avec une fraîcheur maximale de 12°-17°N au-dessus de 50 m. La section de profondeur N-S pour les courants zonaux est présentée dans la figure 5(c). Des bandes alternées sont évidentes ; la tendance maximale vers l’est se situe près de 15°N dans le courant des Caraïbes. Le taux de changement pour les courants exprimés sous forme de vecteurs dans les sections de profondeur est orienté vers le sud-est. Pour la section N-S du courant (figure 5(d)), les tendances sont les plus fortes entre 18 et 23°N au-dessus de 300 m, reflétant l’afflux du courant des Antilles. Les composantes verticales sont largement ascendantes (descendantes) au nord (sud) de 15°N, reflétant une tendance vers des mouvements ascendants (descendants) dans les Antilles centrales (au large de l’Amérique du Sud). L’affaiblissement de l’upwelling dans le sud des Caraïbes est lié à un affaiblissement des alizés depuis 1990 (cf. figure 3(b)). La tendance actuelle est généralement à l’est sur le Nicaragua Rise et dans les Caraïbes centrales 75°-60°W au-dessus de 200 m (Figure 5(e)). Les tendances et les fluctuations lentes de la circulation de la thermocline des Caraïbes semblent modulées par les apports des passages de Grenade () et du Vent (). La série temporelle des courants présente une tendance positive de second ordre avec un ajustement de 94% (Figure 5(f)). Les oscillations multidécennales semblent influencer la circulation (tendances de second ordre) plus que les propriétés thermodynamiques (linéaires) dans l’ère de la réanalyse.

(a)

(b)

(c).

(d)

(e)

(f)

(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)

Figure 5

N-S des sections du taux de changement par an pour (a) la température, (b) la salinité, (c) le courant zonal, et (d) le courant méridional et le mouvement vertical comme vecteurs avec clé. (e) Section E-W du taux de changement par an pour le courant zonal et le mouvement vertical en tant que vecteurs avec clé. (f) , , , scores temporels normalisés lissés et tendance. exagéré 102 en (d) et (e).

3.4. Ressources

Les captures marines par habitant sont relativement stationnaires dans les années 1960 (figure 6(a)) et augmentent dans les années 1980 avec le déclin des cyclones tropicaux (cf. figure 2(a)). Par la suite, les prises s’épuisent, avec une tendance négative de second ordre de 59 % d’ajustement. La croissance démographique suit les tendances mondiales, doublant au cours de la période de réanalyse et mettant les ressources sous pression. Le rendement des cultures dans les Caraïbes a suivi les précipitations jusqu’à récemment ; une faible tendance à l’assèchement est observée (figure 6(b)). Le rendement des cultures est moins sensible aux conditions océaniques supérieures ; les corrélations croisées à 1 an de décalage sont généralement négatives avec des rendements en baisse et modérées en ce qui concerne les courants océaniques (cf. tableau 2).

. . SSH Trend 85 83 83 81 83 81 -26 -19 Poissons 26 28 27 11 16 15 -6 38 Culture -16 -26 -27 -37 -39 -39 -10 7

Tableau 2

Cross-corrélation (%) du score temporel PC mode-1 avec la tendance linéaire, et avec les prises de poissons et le rendement des cultures décalés d’un an. Les valeurs supérieures à 58 sont significatives à l’intervalle de confiance de 95 %.

(a)

(b)

(a)
(b)

Figure 6

(a) Captures marines des Caraïbes par habitant et croissance démographique. (b) Rendement des cultures dans les Caraïbes retardé de 1 an et précipitations lissées avec tendance.

Tableau 2 résume les corrélations croisées mode-1 du score PC avec tendance linéaire. Des valeurs significatives à la hausse sont observées pour toutes les variables, à l’exception de la contrainte du vent. Ainsi, des signaux de réchauffement global (et une réduction de dS/dz) émergent de l’analyse. Les corrélations croisées entre les scores PC environnementaux et les captures de poissons marins décalées d’un an sont également résumées dans le tableau 2. De manière surprenante, les valeurs ne sont pas significatives, ce qui suggère que les modèles d’advection et les propriétés thermodynamiques peuvent être moins importants que les facteurs affectant l’effort et l’efficacité des captures (par exemple, la fréquence des tempêtes, l’état de la mer). La corrélation modérée avec suggère que l’augmentation des prises suit les vents du nord provenant de la zone d’upwelling du Venezuela.

4. Résumé

Les conditions dans la mer des Caraïbes ont été étudiées pour les tendances à long terme dans la période des observations historiques de surface en utilisant les moyennes de surface et dans les champs de sub-surface en utilisant l’analyse des composantes principales et l’extraction des tendances. La couverture continue des données a commencé dans les années 1850 pour la PSL et la TSM, dans les années 1900 pour les vents, et à la fin des années 1950 pour la hauteur de la surface de la mer et la sous-surface réanalysées par le modèle, les courants et le mouvement vertical. Des méthodes d’agrégation des données ont été utilisées pour réduire la variabilité dans le temps, l’espace et la profondeur, laissant la tendance à long terme qui a été analysée par régression au premier ou au second ordre. La TSM a reflété une tendance à la hausse accélérée tandis que la PSL a présenté des fluctuations quasi-décennales. La SSH et la subsurface ont augmenté linéairement à des taux quasi globaux, tandis que la subsurface présentait des couches supérieures plus fraîches et des couches inférieures plus salées. L’amplitude du réchauffement était spatialement homogène mais faible dans les 100 m supérieurs, de sorte que l’hypothèse descendante liée aux échanges air-mer n’a pas été confirmée. En moyenne dans les Caraïbes, les températures ont augmenté deux fois plus vite (0,015 C/an) à 150 m que dans les autres couches. Les tendances de la hauteur de la surface de la mer étaient les plus élevées (+ 0,0014 m/an) à 14° et 23°N et les plus faibles (+ 0,0008 m/an) à 10° et 18°N. Le rafraîchissement de la couche de surface n’était pas lié aux précipitations régionales ou au débit des rivières, ce qui suggère des changements dans l’advection et les sources océaniques. La salinité a diminué le plus rapidement (- 0,004 ppt/an) près de 30 m. Les rendements agricoles étaient insensibles aux conditions océaniques et suivaient les précipitations comme prévu. Les prises marines par habitant dans les Caraïbes n’étaient pas liées à et , et suivaient les vents renforcés vers le nord qui propageaient la productivité.