Influence des tourbillons océaniques sur le rail des dépressions atmosphériques

Effect of oceanic eddies on atmospheric storm tracks

• Auteur / Autrice : Alexis Foussard
• Direction : Guillaume Lapeyre, Riwal Plougonven
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique de l'atmosphère
• Date : Soutenance le 29/11/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau, Essonne ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Francis Codron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaëlle de Coëtlogon, Cindy Lebeaupin Brossier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Terray, Jean-Luc Redelsperger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couche limite (météorologie)

Tourbillons (mécanique des fluides)

Dépressions barométriques

Interaction mer-atmosphère

Mots clés libres

Interactions océan-atmosphère

Moyennes latitudes

Rail des tempêtes

Tourbillons océaniques

Courant-jet

Couche limite atmosphérique

Air-sea interactions

Midlatitudes

Oceanic eddies

Storm track

Jet stream

Boundary layer

Résumé

Cette thèse est consacrée à l'étude de la variabilité des rails des dépressions des moyennes latitudes induite par les anomalies de température de surface (SST) associées aux tourbillons océaniques. Les effets locaux et de grande échelle de ces tourbillons sur la couche limite et la troposphère libre sont analysés à partir de simulations atmosphériques à haute résolution. Un canal barocline périodique représente de manière idéalisée le rail des dépressions sur une aquaplanète, avec un forçage par des SST décrivant un front océanique et ses tourbillons. La première partie de la thèse traite de la réponse des basses couches de l'atmosphère, en lien avec les mécanismes d'ajustement de pression et de mélange vertical turbulent. L'ajustement de pression domine dans les conditions de vent faible, en accord avec la théorie. En présence d'un front de grande échelle, la direction du vent module également la stabilité des basses couches : pour des vents forts venant du côté chaud du front, la réponse atmosphérique est aussi dominée par une réponse en ajustement de pression, à l'inverse des vents de direction opposée. Cela montre que les mécanismes de réponse sont déterminés par la variabilité rapide de l'atmosphère. La divergence de tension de surface est, comme dans les observations, linéairement reliée au gradient de SST. Pour certaines conditions, la divergence du vent horizontal peut cependant présenter une réponse proportionnelle au laplacien de température de la couche limite. Ceci concerne une gamme d'échelles allant de 100 à 500 km. La seconde partie de la thèse compare la réponse atmosphérique à un champ de tourbillons à une expérience témoin caractérisée par un front de SST zonalement symétrique. Des déplacements vers le pôle du rail des dépressions et du courant-jet apparaissent, tous deux faibles mais statistiquement robustes. Les forçages à la surface conduisent à une réponse locale dans la troposphère libre, qui est dominée par la variabilité synoptique. L'asymétrie de réponses aux tourbillons chauds et froids engendre aussi une augmentation des flux de surface moyens, qui permet d'interpréter une grande partie de la réponse de grande échelle. Les déplacements vers le pôle sont expliqués à partir des bilans de chaleur et d'énergie mécanique du rail des dépressions. Le dégagement additionnel de chaleur latente, qui se produit dans les tempêtes, joue un rôle primordial dans ces deux bilans.

This thesis aims to understand how sea surface temperature (SST) anomalies associated with mesoscale oceanic eddies may contribute to mid-latitude storm tracks variability. Based on idealized high resolution atmospheric simulations, local and large scale remote influences of the eddies onto the boundary layer and the free troposphere are investigated. Basic configuration is a generic baroclinic channel above an eddying SST front. The first part of the manuscript deals with the response of the atmosphere in the boundary layer, based on the well-known mechanisms of pressure adjustment and vertical mixing of momentum. As expected from theoretical scaling arguments, the former is important for weak wind conditions. Due to the large scale SST front, direction of strong background wind also controls stability : a transition, from a forcing by mixing of momentum to a forcing by SST-driven pressure forces, occurs for equatorward winds as cold air is advected above warmer SST. It shows how sub-weekly atmospheric variability modulates the low level response. Wind stress divergence matches the linear relationship observed with downwind SST gradient. In specific conditions, horizontal divergence is however proportional to the laplacian of boundary layer temperature, within a large range of horizontal scales (500-100~km). In a second part, the experiment with oceanic eddies is compared to its zonally symmetric counterpart. It reveals weak but robust modifications of atmospheric large-scale circulation and synoptic variability : the Eulerian storm track and the jet stream are shifted poleward. Surface forcing is associated with a local response in the mid-troposphere, which is intermittent and dominated by the day-to-day variability. Because of an asymmetry in the response to cold and warm eddies, the oceanic eddies are also responsible for a net increase of both latent and sensible surface heat fluxes. It accounts for a large part of the differences obtained between eddying and zonally symmetric configurations. Based on heat and mechanical energy budgets, an interpretation of the poleward displacements of the storm track and the jet is given. The contribution of latent heat release to both budgets, occurring mainly within synoptic storms, plays a major role in the atmospheric response.