Interactions d’échelles et cascades turbulentes dans l’océan atlantique nord

Cross-scale interactions and turbulent cascades in the North Atlantic Ocean

• Auteur / Autrice : Adekunle Ajayi
• Direction : Julien Le Sommer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Hydrologie
• Date : Soutenance le 13/01/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• 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 : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Chantal Staquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric P. Chassignet, Jonathan Gula
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Marie Treguier, Rosemary Anne Morrow

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes de gravité

Énergie mécanique

Analyse SWOT

Mots clés libres

Turbulence

Sous-Échelles

Échelle fine

Cascade d'énergie

Swot

Turbulence

Submesoscales

Fine-Scales

Energy cascade

Swot

Résumé

La dynamique de l’océan à une échelle <100 km (les fines échelles) n’est actuellement pas bien connue. Cela est dû au manque de données d’observations de l’océan à ces échelles. Des études récentes suggèrent que différents mouvements à cette échelle affectent la distribution et les échanges d’énergie cinétique dans l’océan et que des mouvements équilibrés de sous méso-échelle (<50 km) et des ondes de gravité internes non-équilibrées peuvent jouer un rôle actif dans la circulation de l’énergie cinétique vers des échelles dissipatives dans l’océan. Afin de mieux comprendre les mouvements de fines échelles, le satellite SWOT (Surface Surface and Ocean Topography), chargé de fournir une vue sans précédent de l’océan jusqu’à une longueur d’onde de 10 à 15 km, va être assemblé et son lancement est prévu pour 2021. En prévision de SWOT, des modèles océaniques numériques capables de résoudre les fines échelles ont été conçus et mis en œuvre. Dans cette étude, nous utilisons trois de ces simulations pour étudier (i) la variabilité spatiale et temporelle des tourbillons océaniques de fines échelles jusqu’à 10 km, (ii) les échanges d’énergie cinétique entre échelles spatiales dans un régime fortement turbulent et (iii) dans un régime avec marées internes. Nos résultats montrent que (i) la distribution des tourbillons océaniques à une échelle spatiale <100 km subit une forte saisonnalité et que cette saisonnalité provient du fait que de très nombreux tourbillons sous-mésoéchelles (10 - 50 km) sont présents en hiver. Nous avons constaté que la turbulence de sous méso-échelle (une turbulence océanique de fines échelles) est responsable de l’augmentation de la distribution des tourbillons de sous méso-échelle en hiver. Des analyses plus poussées ont montré que la turbulence de sous méso-échelle affecte également la cascade d’énergie cinétique en fournissant un moyen de dissiper l’énergie cinétique à la fois à la surface et à l’intérieur de l’océan. On remarque également que cette cascade d'énergie en présence de marées internes forcées est multipliée par 3 en été en raison d'une activité de vagues renforcée par la marée. Notre analyse montre également que lorsque que l'on ne prend pas en compte les mouvements agéostrophiques dans le calcul des échanges d’énergie cinétique inter-échelle, l'amplitude de la cascade directe est alors sous-estimée.

The dynamics of the ocean at a scale < 100km (fine-scales) is currently not well known. This is due to the lack of sufficient observational datasets at this scale-range in the ocean. There are suggestions from recent studies that classes of motions at this scale-range impacts the distribution and exchanges of kinetic energy in the ocean and that balanced submesoscale motions (<50km) and unbalanced internal gravity waves can play an active role in fluxing kinetic energy towards dissipative scales in the ocean. To better understand fine-scale motions, the Surface Water and Ocean Topography (SWOT) satellite with the task of providing an unprecedented view of the ocean down to a wavelength of 10-15km is been assembled and expected for launch in 2021. In anticipation of SWOT, numerical ocean models capable of resolving fine-scales has been designed and implemented. In this study, we use three of these simulations to investigate (i) the spatial and temporal variability of oceanic eddies at fine-scales down to 10km scale, (ii) cross-scale kinetic energy exchanges at fine-scales in a regime of active submesoscale motions and (iii) in a regime of externally forced internal tides. Our results show that the distribution of oceanic eddies at spatial scale < 100km undergo strong seasonality and that this seasonality is as a result of an increased population of submesoscales eddies (10 - 50km) in wintertime. We found that submesoscale turbulence (a class of oceanic turbulence at fine-scale) is responsible for the increase in the distribution of submesoscales eddies in winter. Further analysis showed that submesoscale turbulence also affects the kinetic energy cascade by providing a route towards dissipation both at the surface and in the interior of the ocean. Interestingly, this cascade in the presence of externally forced internal tides is increased by a factor of 3 in summertime due to enhanced wave activity by tidal motions. Our analysis also shows that not accounting for the ageostrophic flows in the calculation of cross-scale kinetic energy exchanges might underestimate the true magnitude of the forward cascade of energy.