Impact de la variabilité spatio-temporelle du Mistral sur la formation d’eaux denses en Méditerranée

Impact of the spatial and temporal variability of the Mistral on dense water formation in the Mediterranean Sea

• Auteur / Autrice : Douglas Keller
• Direction : Philippe Drobinski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 21/10/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Riwal Plougonven
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Drobinski, Bodo Ahrens, Marine Herrmann, Sophie Bastin, Romain Pennel, Cindy Lebeaupin Brossier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bodo Ahrens, Marine Herrmann

Mots clés

Mots clés libres

Mistral

Méditerranée

Formation d’eaux denses

Convection profonde

Mistral

Mediterranean

Dense water formation

Deep convection

Résumé

La convection profonde dans le golfe du Lion conduit à la formation d'une eau dense qui entraîne une partie de la circulation thermohaline en mer Méditerranée. Le mélange vertical résultant de ce processus distribue l'oxygène et les nutriments dans toute la colonne d'eau, entraînant de grandes proliférations de phytoplancton. Par conséquent, la convection profonde et la formation d'eau dense qui en résulte dans cette région est un processus important pour la circulation générale et les processus biologiques de la mer Méditerranée. L'objectif de cette thèse est d'identifier les principaux attributs du Mistral et les forçages atmosphériques saisonniers qui contrôlent le préconditionnement de la convection profonde et la formation d'eau dense dans le Golfe du Lion.Pour cela, nous avons utilisé des données de modèles atmosphériques (WRF/ORCHIDEE et RCSM6) et un modèle océanique (NEMO) qui nous ont permis de simuler en détails la circulation océanique du Golf du Lion. Deux séries de simulations NEMO ont été utilisées, une série témoin et une série saisonnière. La série saisonnière a été forcée avec un forçage atmosphérique filtré afin de supprimer l'effet du Mistral. Les deux séries ont ensuite été comparées pour déterminer l'effet du Mistral et des changements atmosphériques saisonniers sur la réponse de l'océan. Trois études dans cette thèse ont utilisé cette technique : une étude de cas de l'année 2012 à 2013, une étude de climatologie des années 1993 à 2013, et une étude de scénario des années 2015 à 2100.La première étude a révélé l'importance de la composante saisonnière du forçage atmosphérique sur le préconditionnement de la stabilité verticale de l'océan, démontrant qu'elle représentait plus de la moitié de la déstratification conduisant à la convection profonde. L'étude a également déterminé que l'attribut le plus important du Mistral pour la déstratification est sa force, plutôt que sa durée ou sa fréquence.La deuxième étude a déterminé que l'existence de la composante basse fréquence du Mistral, qui apparaît en hiver, contrôle quelles années présentent, ou non, une convection profonde : les années associées à de la convection profonde se caractérisaient par des vitesses de vent plus élevées dans le forçage saisonnier, causées par la composante basse fréquence du Mistral. L'inverse est démontré pour les années sans convection profonde.La troisième étude a montré que le forçage atmosphérique dans cette région reste à peu près constant jusqu'à la fin du scénario, l'advection apportant des eaux plus stratifiées dans la région à partir de 2060. Le résultat est une colonne verticale fortement stratifiée, conduisant à l'extinction de la convection profonde dans la région après l'année 2060.Une quatrième étude, légèrement distincte des autres, utilise les données du modèle de la deuxième étude et examine une méthode potentielle pour atténuer l'utilisation des combustibles fossiles en Méditerranée et capturer le carbone de l'océan : une île productrice de méthanol. Ces résultats suggèrent que le meilleur endroit pour placer une telle île se trouve dans les mers d'Alboran, Levantine et Crétoise, en raison de la disponibilité de l'énergie solaire (Alboran et Levantine) et éolienne (Crétoise). Un tel dispositif pourrait permettre aux communautés insulaires et éloignées de devenir plus indépendantes énergétiquement.La conclusion générale de cette thèse est que le mistral et le forçage atmosphérique saisonnier entraînent une convection profonde et une déstratification océanique dans le golfe du Lion. La composante saisonnière contribue davantage, mais ni le Mistral ni la composante saisonnière ne sont en mesure de surmonter la stratification par advection prédite dans le futur. Cela conduit à l'effondrement de la convection profonde dans la région, soulignant l'importance de l'atténuation du changement climatique et la nécessité d'appareils comme l'îlot de production de méthanol.

Deep convection in the Gulf of Lion leads to the formation of dense water that drives part of the thermohaline circulation in the Mediterranean Sea. The vertical mixing from this process distributes oxygen and nutrients throughout the water column, leading to large phytoplankton blooms. Therefore, deep convection and the resulting formation of dense water in the Gulf of Lion is an important process for the general circulation and biological processes of the Mediterranean Sea. The aim of the thesis is to identify key attributes of the Mistral and seasonal atmospheric forcing that control the preconditioning of deep convection and formation of dense water in the Gulf of Lion.For this purpose, we used atmospheric model data (WRF/ORCHIDEE and RCSM6) and an ocean model (NEMO) that allowed us to simulate in detail the ocean circulation in the Gulf of Lion. Two series of NEMO simulations were used, one control series and one seasonal series. The seasonal series was forced with filtered atmospheric forcing, that removed the effect of the Mistral. The two series were then compared to determine the effect of the Mistral and seasonal atmospheric change on the ocean response. Three studies in this thesis used this technique: a case study of the year 2012 to 2013, a climatology study of the years 1993 to 2013, and a scenario study of the years 2015 to 2100.The first study revealed the importance of the seasonal component of the atmospheric forcing on preconditioning the ocean vertical stability, demonstrating it accounted for more than half of the destratification leading to deep convection. The study also determined that the most important attribute of the Mistral for destratification is its strength, rather than its duration or frequency.The second study determined that the existence of the low frequency component of the Mistral, which appears in the winter, controls which years feature deep convection and which years do not. Years with higher wind speeds in the seasonal forcing, caused by the low frequency component of the Mistral, featured deep convection, while the others did not.The third study determined that the atmospheric forcing in the region remains roughly constant until the end of the scenario, with advection bringing in more stratified waters to the region starting after 2060. The result is a strongly stratified vertical column due to the advection, leading to the extinction of deep convection in the region after the year of 2060.A fourth study, slightly separate from the other studies, utilizes the model data from the second study and looks at a potential method to mitigate fossil fuel use in the Mediterranean and capture carbon from the ocean: a methanol producing island. Results from this study suggest the best place to place such an island are in the Alboran, Levantine, and Cretan Seas, due to solar (Alboran and Levantine) and wind power (Cretan) availability. Such a device could allow island and remote communities to become more energy independent.The overall conclusion for this thesis is both the Mistral and seasonal atmospheric forcing drive deep convection and ocean destratification in the Gulf of Lion. The seasonal component contributes more, but neither the Mistral nor seasonal component are able to overcome the advected stratification predicted in the future. This leads to the collapse of deep convection in region, highlighting the importance of climate change mitigation and the need for devices like the methanol producing island.