The antarctic circumpolar current in the Drake passage : circulation and heat fluxes

par Ramiro Ferrari

Thèse de doctorat en Océanographie Physique

Sous la direction de Christine Provost et de Nathalie Sennechael.

Soutenue en 2013

à Paris 6 .

  • Titre traduit

    Le courant circumpolaire antarctique dans le passage de Drake : circulation et flux de chaleur


  • Résumé

    This thesis examines Antarctic Circumpolar Current (ACC) circulation and the mechanisms of meridional heat transport in Drake Passage. In order to achieve these goals we used in situ measurements collected during the DRAKE project (from January 2006 to March 2009; DRAKE 2006-9), available observations from the historical DRAKE 79 experiment, satellite altimetry data (since 1993) and high resolution model outputs (ORCA 12, MERCATOR). DRAKE 2006-9 current meter records, obtained from a current meter array deployed on the eastern side of the Shackleton Fracture Zone (SFZ), suggested the existence of a permanent strong deep cyclonic circulation in the northeastern part of the Yaghan Basin and in the Ona Basin. Mooring data also revealed a vertical consistency of the velocity and temperature variations. However, the rotation of the mean velocity vector with depth indicated consistent downwelling through the entire water column practically all along the mooring line. Near-surface current meter velocities provided an unprecedented opportunity to evaluate the altimetric velocities in this region. Comparison between in situ velocities and velocities derived from altimetry has shown good agreement allowing to further interpret observations at isolated mooring sites and to put them in the context of the 18-year-long satellite record. Altimetry helped to identify a dominant spatial structure associated to the presence of a strong southward meander of the Subantarctic Front in Yaghan Basin. Furthermore, it provided an accurate documentation concerning how the major topographic features control the mean location and meandering of the Antarctic Circumpolar Current frontal branches. In situ temperature and velocity time series from the DRAKE 2006-9 project were combined with the year-long historical DRAKE 79 experiment data set in order to analyse the eddy and mean flow contributions to the meridional heat flux across in the Drake Passage. Estimated cross-stream heat fluxes caused by the rotation of the mean flow with depth were found to be at least an order of magnitude larger than eddy heat fluxes. Equatorward heat fluxes caused by the mean flow found downstream the SFZ were in agreement with the general downwelling observed along the DRAKE 2006-9 project mooring array. Upstream the SFZ, however, the distribution of equatorward and poleward fluxes was puzzling. This distribution was analyzed using model outputs. Heat flux estimates due to the mean flow from the model outputs were similar to those obtained from in situ data and exhibited small spatial scales. The rough topography in Drake Passage likely promotes associated small spatial scales of vertical velocities and heat fluxes. The model-estimated heat flux due to the mean flow across the Southern ACC Front in Drake Passage (covering about 3% of the circumpolar longitudes between 48°W and 64°W) is thus on the order of 10% of the heat lost to the atmosphere south of 60°S.


  • Résumé

    Dans cette thèse, on s’est attaché à examiner la circulation du Courant Circumpolaire Antarctique (CCA) et les mécanismes du transport méridien de chaleur dans le Passage de Drake. Pour atteindre ces objectifs, nous avons utilisé les mesures in situ recueillies pendant le projet DRAKE (de Janvier 2006 à Mars 2009; DRAKE 2006-9), les observations récoltées pendant l’expérience historique DRAKE 79, ainsi que les données altimétriques (depuis 1993) et les sorties d’un modèle de haute résolution (ORCA 12, MERCATOR). Les mesures courantométriques de DRAKE 2006-9, obtenues à partir de dix mouillages déployés à l’est de la Shackleton Fracture Zone (SFZ) ont montré l’existence d’une circulation cyclonique profonde permanente dans la partie nord du Bassin de Yaghan et dans le Bassin de Ona. Les données des mouillages ont également révélé une cohérence verticale des variations de vitesse et de température. La rotation de la vitesse moyenne avec la profondeur a permis de mettre en évidence un downwelling sur toute la colonne d’eau pratiquement à tous les points de mouillages. Les courantomètres situés près de la surface ont fourni une opportunité sans précédent de valider les vitesses dérivées de l’altimétrie. La comparaison avec les vitesses in situ a montré un bon accord, ce qui a permis d’aller plus loin dans l’interprétation des données isolées aux points de mouillages et de mettre les 3 ans de données in situ dans le contexte de la période altimetrique (1992-2010). L’altimétrie a permis d’identifier une structure spatiale dominante associée à la présence d’un grand méandre du Front Subantarctique vers le sud dans le Bassin de Yaghan. De plus, elle a documenté avec précision le rôle de la topographie dans le contrôle la position moyenne et des méandres des fronts du Courant Circumpolaire Antarctique. Les séries temporelles de vitesse et de température in situ du projet DRAKE 2006-9 ont été combinées avec les données de l’expérience DRAKE 79 afin d’analyser les contributions respectives des tourbillons et du courant moyen au flux méridien de chaleur à travers le Passage de Drake. Le flux de chaleur induit par la rotation de vitesse moyenne avec la profondeur s’est révélé être au moins d’un ordre de grandeur supérieur au flux de chaleur tourbillonnaire. Les flux de chaleur vers l’équateur provoqués par la rotation du vecteur moyen du courant estimés à l’est de la SFZ étaient cohérents avec le downwelling observé aux points de mouillage du projet DRAKE 2006-9. Cependant, en amont de la SFZ, la répartition des flux vers l’équateur et vers les pôles était déroutante. Nous avons cherché à l’expliquer à l’aide des sorties de modèle. Les estimations de flux de chaleur à partir de sorties du modèle de haute résolution sont similaires à celles obtenues à partir des données in situ montrant de très petites échelles spatiales. La topographie très chahutée du Passage de Drake favorise probablement les petites échelles spatiales associées aux vitesses verticales et aux flux de chaleur. L’estimation du flux de chaleur induit par la rotation de vitesse moyenne avec la profondeur à partir de sorties du modèle à travers du Front Sud du CCA dans le Passage de Drake représente 10% de la chaleur perdue vers l’atmosphère au sud 60°S.

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  • Détails : 1 vol. (VII-129 p.)
  • Annexes : Ref. bibliogr. en fin de chapitres.

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