[PDF] Etude de la circulation océanique en Méditerranée Nord

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THÈSE

THÈSE

En vue de l"obtention du

DOCTORAT DE L"UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par :l"Université Toulouse 3 Paul Sabatier (UT3 Paul Sabatier)Présentée et soutenue le(28/04/2015)par :

Pierre DAMIENEtude de la circulation océanique en Méditerranée Occidentale à l"aide d"un modèle numérique à haute résolution: influence de la submésoéchelleJURY

Frank RouxLA, examinateur Président du Jury

Sabrina SPEICHLMD, rapporteure Membre du Jury

Bernard BARNIERLEGI, rapporteur Membre du Jury

X. DURRIEU DE MADRONCEFREM, rapporteur Membre du Jury Claude ESTOURNELLA, directrice de thèse Membre du Jury Patrick MARSALEIXLA, co-directeur de thèse Membre du JuryÉcole doctorale et spécialité : SDU2E : Astrophysique, Sciences de l"Espace, Planétologie

Unité de Recherche :

Laboratoire d"aérologie (UMR5560)

Directeur(s) de Thèse :

Claude ESTOURNELetPatrick MARSALEIX

Rapporteurs :

Sabrina SPEICH,Bernard BARNIERetXavier DURRIEU DE MADRON 2

Corto Maltese en Sibérie, Hugo Pratt

3 4

Résumé

La mer Méditerranée Nord occidentale est une des rares régions dans le monde où le phé-

nomène de convection profonde se produit au large. La circulation cyclonique locale amène des

eaux faiblement stratifiées à la surface et peut, sous certaines conditions atmosphériques hiver-

nales spécifiques à la région (vents froids venant du nord et induisant des pertes de chaleur

intenses à la surface de l"océan), mener à un mélange vertical diapycnal. Le phénomène de

convection est à l"origine des eaux qui se forment en hiver : la WIW (Winter Intermediate Water) et les nWMDW (new Western Mediterranean Deep Waters). Quand les forçages atmosphériques

diminuent en intensité, la restratification de la zone mélangée commence par l"advection d"eaux

légères environnantes. Des structures de mésoéchelle et de submésoéchelle jouent un rôle im-

portant pendant ces évènements à la fois par l"approfondissement de la couche de mélange et

l"export des eaux nouvellement formées. Le modèle SYMPHONIE a été implémenté avec une résolution de 1km sur le bassin nord

occidental et les évènements de convection des hivers récents ont été simulés. Le premier objectif

a été de vérifier la capacité du modèle à haute résolution à reproduire la réponse océanique

aux forçages atmosphériques en terme de formation de masses d"eau et de représentation des

structures de submésoéchelle. Cette validation a été réalisée par comparaisons avec un jeu de

données disponibles et issues de l"observation.

L"activité des petites échelles et le rôle qu"elles jouent dans un contexte d"approfondissement

de la couche de mélange en hiver ont été soulignés. La dynamique agéostrophique qu"elles dé-

veloppent par la submésoéchelle contribue à une augmentation des vitesses verticales et de la

diffusion latérale des propriétés de l"océan induisant une plus forte densification globale de la

couche de mélange. Comme conséquences, la formation d"eaux denses ainsi que la ventilation des eaux profondes du bassin est favorisée.

Pour la première fois, la formation de SCVs (Submesoscale Coherent Vortices) suite à un évè-

nement de convection profonde a été modélisée en Méditérranée Nord-Occidentale en utilisant un

modèle numérique à haute résolution dans un contexte réaliste. Des structures tourbillonnaires

cycloniques et anticycloniques se forment à la frontière de la zone de mélange et présentent

des temps de vie parfois supérieurs à une année reflètant de très lents processus de diffusion

entre leur coeur et les eaux environnantes. Ces tourbillons sont typiques des SCVs observés jusqu"à présent dans les zones de convection profonde, participent dans une proportion impor-

tante (~30%) à l"export des eaux nouvellement formées et jouent un rôle considérable dans la

ventilation des eaux profondes du bassin. 5

Abstract

The North Western Mediterranean Sea is one of the few regions in the world where open- ocean deep convection occurs. The local cyclonic circulation brings weakly stratified waters close to the surface, that can, under special atmospheric conditions (winter strong cold winds and high heat loss rates), lead to vertical diapycnal mixing. This convection phenomenon is the origin of newly formed winter waters : Winter Intermediate Water (WIW) and new Western Mediterranean Deep Waters (nWMDW). When the strong forcing stops, the restratification of the mixed patch occurs by lateral advection of surrounding lighter waters. Mesoscale and submesoscale structures play an important role during these events, both by the sinking and the spreading of the new water formed. The SYMPHONIE model was implemented at 1km resolution over the north-western Medi- terranean where recent convective years were simulated. The first objective was to review the capabilities of the high resolution model to reproduce the oceanic response to strong atmosphe- ric cooling in terms of water formation and to resolve the submesoscale structures. To do so, comparisons were performed with the available data set. The activity of the small scale structures and the role they played were highlighted in a context of winter mixed layer deepening. The ageostrophic dynamic developed by submesoscale contri- butes to the enhancement of vertical velocities and lateral dispersion of properties leading to a global increase of surface layer density. As a consequence, the dense water formation and the ventilation of the deep basin is favored. For the first time, the formation of Submesoscale Coherent Vortices (SCVs) during deep convection events was documented in a realistic high resolution numerical simulation of the ocea- nic circulation in the north-western Mediterranean Sea. Anticyclonic and cyclonic eddies were formed presenting lifetimes exceeding one year and reflecting very slow diffusive processes bet- ween their core and their surroundings. These eddies were typical of SCVs observed in deep convection areas so far, which were found to participate in the spreading of a significant propor- tion (~30%) of the newly formed waters and were of much importance for the ventilation of the deep basin. 6

Table des matières

Introduction9

1 Contexte et description générale de l"hydrodynamique de la Méditerranée Occiden-

tale12

1.1 De la mécanique des fluides vers l"océanographie physique

12

1.1.1 Point de vue macroscopique et approche milieu continu

12

1.1.2 Les équations de Navier-Stokes

14

1.1.3 L"océanographie physique, une dynamique des fluides géophysiques

17

1.1.4 Résumé des équations de l"océanographie

18

1.2 La Méditerranée Occidentale

19

1.2.1 Circulation générale et masses d"eau dans la Méditerranée occidentale

20

1.2.2 La convection profonde en Méditerranée Nord Occidentale

24

2 SYMPHONIE : un modèle numérique de circulation océanique

29

2.1 Les équations du modèle SYMPHONIE

30

2.1.1 Equation d"état

30

2.1.2 Hypothèse d"hydrostaticité

31

2.1.3 Approximation de Boussinesq et hypothèse d"incompressibilité

31

2.1.4 Turbulence : physique de sous-maille

32

2.1.5 Paramétrisation de la convection profonde

34

2.1.6 Système d"équations du modèle SYMPHONIE

35

2.2 La discrétisation des équations

35

2.2.1 Discrétisation spatiale : grille de calcul et indexation

36

2.2.2 Schéma numérique d"advection/diffusion

36

2.2.3 Schéma numérique temporel

37

2.3 Conditons aux limites

38

2.3.1 Conditions aux frontières fermées

38

2.3.2 Conditions aux frontières ouvertes

39

3 Simulations numériques et observations

41

3.1 Simulations

41

3.2 Observations

44

3.3 Comparaisons modèle-observations

45

3.4 Evaluation des configurations

60

3.5 Forçages atmosphériques

63

3.6 Conclusion

65

4 Etude de la circulation en Méditerranée Nord-Occidentale à haute résolution spatiale

pendant l"épisode de convection de l"hiver 2010-2011 66

4.1 Evolution des forçages atmosphériques

67

4.2 Importance de la résolution sur la représentation des différentes phases de la

convection 69

4.3 Quantification de l"activité de (sub-)mésoéchelle

75

4.4 Implication de la submésoéchelle sur la dynamique

82
7

4.5 Retour sur la circulation générale pendant l"épisode de convection 2010-2011 . . . 91

4.6 Conclusion

94

5 Formation et circulation de tourbillons cohérents de submésoéchelle en Méditerra-

née Nord Occidentale 95

5.1 Observations de tourbillons cohérents de submésoéchelle en Méditerranée Nord

Occidentale

95

5.2 Simulation SIMED et algorithme de détection et de suivi des tourbillons

98

5.3 SCVs d"eaux nouvellement formées en Méditerranée Nord Occidentale

102

5.3.1 Formation pendant le phénomène de convection

102

5.3.2 Anticyclones possédant un coeur de nWMDW

106

5.3.3 Cyclones possédant un coeur de nWMDW

109

5.3.4 Anticyclones possédant un coeur de WIW

112

5.3.5 Rôle des SCVs post-convection dans la propagation des eaux nouvellement

formées et dans le préconditionnement à submésoéchelle 114

5.4 Conclusion

116

Conclusion et perspectives

117
A Complément du chapitre 3 sur les comparaisons observations-modèles 121
B Etude de l"influence des évènements extrêmes de perte de chaleur en surface sur la représentation de l"approfondissement de la couche de mélange dans un contexte de convection hivernale en Méditerranée Nord-Occidentale 135
C Taux de detrainement/entrainement en Méditerranée Nord-Occidentale à haute réso- lution spatiale pendant l"épisode de convection de l"hiver 2010-2011 138
D SCVs de LIW en Méditerranée Nord Occidentale 140
E Article soumis au Geophysical Research Letters : Modeling post convective submesoscale coherent vortices in the Mediterranean Sea 142
8

Introduction

L"océan est comparable à une énorme machine thermique couplée à l"atmosphère. Globale-

ment, le soleil le réchauffe dans les zones tropicales, et la chaleur stockée dans l"eau est transpor-

tée vers les plus hautes latitudes où elle est restituée à l"atmosphère. Les courants océaniques

sont générées par un transfert thermique et un transfert mécanique induit par le vent en sur-

face. En plus de la chaleur, ils contribuent également au transport de sel, de carbone, d"éspèces

biologiques et de matières dissoutes dans l"eau. Cette physique est régie par la mécanique des

fluides, mathématiquement traduite par les équations du modèle de Navier-Stokes. Deux élé-

ments y jouent un rôle prédominant et la distinguent de la mécanique des fluides traditionnelle :

la rotation terrestre et la stratification. L"influence conjuguée de ces deux éléments conduit à des

écoulements singuliers et caractéristiques de la mécanique des fluides géophysiques. Le premier

élément induit une déviation des courants de grande ampleur (effet Coriolis) et le deuxième orga-

nise les masses d"eau sur la verticale (les eaux les moins denses en surface et les plus denses au

fond). Des masses d"eaux sont formées très localement au contact de l"atmosphère puis coulent

et se déplacent à une profondeur définie par leur densité. Par un long processus de mélange

verticale, elles voient leur densité peu à peu diminuer et remontent jusqu"à la surface subissant

ainsi la circulation thermohaline. Grâce à sa mécanique couplée à l"atmosphère, l"océan a un

rôle régulateur du système climatique terrestre. Il est capable d"absorber, de stocker et de libérer

d"énormes quantités de chaleur et de gaz carbonique. Il affecte donc fortement le climat et peut

retarder considérablement ses perturbations. A titre d"exemple, les océans sont responsables de

l"absorption d"envion 1/3 des émissions anthropiques de dioxyde de carbone, entrainant un long

processus d"acidification. De plus, l"absorption de chaleur par l"océan réduit les effets associés

au réchauffement climatique sur l"atmosphère mais augmente globalement sa température. L"océan étant un système dynamique complexe, il est fortement instable. Des méandres et

des tourbillons de mésoéchelle (~10-100km) apparaisent en marge de la circulation générale.

Ces structures mettent en jeu des cisaillements de courant sur l"horizontale (barotropes) et sur la

verticale (baroclines) et se décrivent par une dynamique quasi-géostrophique. Ils se rencontrent

partout dans l"océan et jouent un rôle considérable. Leur énergie cinétique est comparable ou

supérieure à celle des grands courants : ils contribuent ainsi à la circulation moyenne effectuant

un transport net d"eau, de chaleur et de propriétés dissoutes. A côté de ces grands tourbillons,

de plus fines structures coexistent. Les processus à cette échelle, caractérisée de submésoé-

chelle, se distinguent par une dynamique qui se trouve à mi-chemin entre la dynamique quasi-

géostrophique de la mésoéchelle et la dynamique 3D des fluides à l"échelle humaine. Il s"agit de

structures filamentaires, frontales ou tourbillonnaires qui ont une contribution importante dans les

échanges de masse, de flottabilité et de traceurs sur la verticale. Leurs effets semblent considé-

rables dans la couche de surface de l"océan impactant les processus biologiques de la couche

euphotique et les échanges entre l"océan et l"atmosphère. Ces petites échelles constituent l"as-

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