Ondes de relief dans l'océan profond : mélange diapycnal et interactions avec les oscillations inertielles

Internal lee waves in the abyssal ocean : diapycnal mixing and interactions with inertial oscillations.

• Auteur / Autrice : Pierre Labreuche
• Direction : Chantal Staquet, Julien Le Sommer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océanographie
• Date : Soutenance le 02/04/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement (Grenoble ; 1958-2016) - Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble) - Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement (Grenoble ; 1958-2016)
• Jury : Président / Présidente : Achim Wirth
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gurvan Madec, François Lott
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Riwal Plougonven, George Nurser

Mots clés

Mots clés contrôlés

Océanographie -- Observations

Mots clés libres

Océanographie

Ondes internes de relief

Mélange diapycnal

Dissipation d'énergie cinétique turbulente

Intéractions onde-onde

Intéractions onde-courant moyen

Oceanography

Internal lee waves

Diapycnal mixing

Turbulent kinetic energy dissipation

Wave-wave interactions

Wave-mean flow interactions

Résumé

L'Océan Austral est une zone clef pour la circulation océanique tant à cause de l'intensité du courant circumpolaire antarctique qu'en tant que région de formation des masses d'eaux abyssales de l'océan global. Pour modéliser l'océan et prévoir les changements climatiques futurs, il est important de comprendre les processus de mélange diapycnal qui lient ces eaux abyssales aux couches supérieures. Dans l'Océan Austral, des courants profonds et intenses s'écoulent sur une topographie accidentée, ce qui génère des ondes internes de relief très énergétiques. Actuellement, la dissipation de l'énergie induite par ces ondes de relief est la candidate principale pour expliquer les forts taux de mélange observés à ces latitudes. L'objet du présent travail de thèse est de comprendre comment les ondes internes de relief sont dissipées et affectent la circulation et le mélange diapycnal dans l'océan abyssal. Nous examinons l'impact de ces ondes sur le mélange profond au moyen d'une combinaison d'expertise de terrain, de simulations non hydrostatiques bi-dimensionnelles et de calculs théoriques. Sur la gamme de paramètres étudiés, nous montrons, en présence des ondes de relief, une intensification du taux de dissipation d'énergie cinétique turbulente sur une profondeur de 1000 m au-dessus de la topographie, atteignant typiquement ~20 mW/m2. Nous montrons également comment les ondes participent à des interactions triadiques impliquant des oscillations inertielles qui sont amplifiées par intéractions résonantes contrôlées par les ondes de relief. Finalement, nous préparons de futures études tri-dimensionnelles en concevant un cadre numérique et en décrivant des outils théoriques adaptés à ce problème. Nos résultats préliminaires en trois dimensions montrent qui le confinement méridien de la topographie réduit significativement l'émissions d'ondes internes de relief.

The Southern Ocean plays a key role in global ocean circulation by connecting the major ocean basins with the intense Antarctic Circumpolar Current and as a formation region for abyssal water masses of the global ocean. Understanding the diapycnal mixing processes that link these abyssal waters to the overlying layers is essential both for ocean modelling and for predicting future climate change. In the Southern Ocean, deep reaching currents impinge on rough topography and create highly energetic internal lee waves. The dissipation of the energy of these internal lee waves is the main candidate for explaining the high mixing rates between waters of different densities observed at these latitudes. The purpose of this study is to understand the fate of the internal lee wave energy and how it affects the circulation and diapycnal mixing in the abyssal ocean. We first study the impact of internal lee waves on deep mixing with the combination of field expertise, two-dimensional non hydrostatic numerical simulations and theoretical developments. Over the range of parameters studied, an enhanced bottom turbulent kinetic energy dissipation is observed in the bottom 1000 m, typically reaching ~20 mW/m2. We further show that internal lee waves undergo non-dissipative wave-wave interactions that can be rationalized as resonant triad interactions between the bottom emitted internal lee waves, inertial oscillations and linear combinations of these two waves. We then build a three-dimensional model configuration and specific diagnostic methods that pave the way for future investigations in three dimensions. Preliminary results with the three-dimensional numerical configuration show that the meridional confinement of the topography notably reduces the emission of internal lee waves.