Vitesses verticales à grande échelle de l'Océan global à travers la balance de vorticité linéaire

Large-scale Vertical Velocities in the Global Open Ocean via Linear Vorticity Balance

• Auteur / Autrice : Diego Cortés Morales
• Direction : Alban Lazar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du climat, de l'atmosphère et des océans, terrestres et planétaire
• Date : Soutenance le 11/01/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Sabrina Speich
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juliette Mignot, Diana Ruiz Pino, Jonathan Gula, Hervé Giordani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rémi Tailleux, Stéphanie Barrillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction mer-atmosphère

Tourbillons (mécanique des fluides)

Modèles mathématiques

Circulation océanique

Mots clés libres

Vitesses verticales

Balance de vorticité linéaire

Balance de Sverdrup

Produit de données

Vertical velocities

Linear Vorticity Balance

Sverdrup Balance

Data Product

Résumé

À l'échelle des bassins océaniques, les vitesses verticales présentent des valeurs nettement inférieures à celles des vitesses horizontales, imposant ainsi un défi considérable en ce qui concerne leur mesure directe dans l'océan. Par conséquent, leur évaluation nécessite une combinaison d'ensembles de données observationnelles et de considérations théoriques. Diverses méthodes ont été tentées, allant de celles qui se fondent sur la divergence du courant horizontal in situ à celles qui reposent sur des équations complexes de type oméga. Cependant, l'équilibre de Sverdrup a attiré l'attention des chercheurs, y compris la nôtre, en raison de sa description robuste et simple de la dynamique des océans. L'une de ses composantes fondamentales est l'équilibre de vorticité linéaire (LVB: βv = f ∂z w). Celle-ci introduit une dimension verticale dans l'équilibre de Sverdrup conventionnel, en établissant un lien entre le mouvement vertical et le transport méridien au-dessus de lui. Afin de progresser dans la perspective théorique de l'estimation des vitesses verticales, on analyse la validité de cet équilibre linéaire dans une simulation de modèle de circulation générale océanique (OGCM) eddy-permitting. Au départ, cette analyse est effectuée dans la région de l'océan Atlantique Nord, puis étendue à l'ensemble de l'océan mondial, en mettant l'accent sur des échelles supérieures à des échelles plus grandes que 5 degrés. L'analyse a révélé la faisabilité du calcul d'un champ de vitesse verticale robuste sous la couche de mélange en utilisant l'approche LVB pour de grandes fractions de la colonne d'eau dans les régions intérieures des gyres tropicaux et subtropicaux, ainsi que dans certaines couches de la circulation subpolaire et australe à des échelles de temps annuelles et interannuelles. Des déviations par rapport à la LVB se produisent dans les courants de la frontière occidentale, les flux tropicaux zonaux forts, les gyres subpolaires et les échelles plus petites en raison des non-linéarités, des mélanges et des contributions au bilan de vorticité induites par la bathymétrie. L'étude de la validité de la LVB dans l'océan global fournit une base relativement simple pour l'estimation des vitesses verticales à travers de la LVB intégrée indéfinie en profondeur. Grâce à l'utilisation d'un OGCM, il a été démontré que ces estimations ont la capacité de reproduire avec précision l'amplitude temporelle moyenne et de la variabilité interannuelle des vitesses verticales dans des portions substantielles de l'océan global, en comparaison avec le modèle de référence. Nous construisons ici le produit DIOLIVE (Depth-Indefinitive integrated Observation-based LInear Vorticity Estimates) dérivé des vitesses géostrophiques ARMOR3D basées sur des observations et appliquées à la LVB intégrée indéfinie en profondeur, avec les données de forçage du vent ERA5 comme conditions limites à la surface. Ce produit contient des vitesses verticales couvrant l'ensemble de la thermocline globale à une résolution horizontale de 5 degrés et 40 niveaux isopycnaux pendant la période 1993-2018.Une analyse comparative entre le produit DIOLIVE et quatre autres produits de vitesse verticale, comprenant une simulation OGCM, deux réanalyses et une reconstruction basée sur l'observation de l'équation oméga, est proposée. Diverses métriques sont utilisées pour évaluer les caractéristiques multidimensionnelles de la circulation verticale de l'océan. Le produit basé sur l'équation oméga révèle d'importantes divergences par rapport à la synchronisation et à la baroclinicité reproduites par l'ensemble de validation. Mais, dans les régions où la LVB est une hypothèse valide, le produit DIOLIVE démontre une capacité remarquable à reproduire la structure barocline de l'océan, présentant une cohérence spatiale satisfaisante et un accord notable en termes de variabilité temporelle lorsqu'il est comparé aux deux réanalyses et à la simulation OGCM.

At oceanic basin scales, vertical velocities are several orders of magnitude smaller than their horizontal counterparts, rendering a formidable challenge for their direct measurement in the real ocean. Therefore, their estimations need a combination of observation-based datasets and theoretical considerations.Historically, scientists have employed various techniques to estimate vertical velocities across different scales constrained by the available observations of their time. Various approaches have been attempted, ranging from methods utilizing in situ horizontal current divergence to those based on intricate omega-type equations. However, the Sverdrup balance has captured the attention of researchers and ours due to its robust and straightforward description of ocean dynamics. One of the fundamental components of the Sverdrup balance is the linear vorticity balance (LVB: βv = f ∂z w). It introduces a novel vertical dimension to the conventional Sverdrup balance, establishing a connection between vertical movement and the meridional transport above it.In order to advance on the theoretical prospect of estimating the vertical velocities, it is primarily identified the annual and interannual timescales patterns governing the linear vorticity balance within an eddy-permitting OGCM simulation. Initially, this analysis is conducted over the North Atlantic Ocean, and subsequently expanded to encompass the entire global ocean, focusing on larger scales than 5 degrees. The analysis revealed the feasibility of computing a robust vertical velocity field beneath the mixed layer using the LVB approach across large fractions of the water column in the interior regions of tropical and subtropical gyres and within some layers of the subpolar and austral circulation. Departures from the LVB occur in the western boundary currents, strong zonal tropical flows, subpolar gyres and smaller scales due to the nonlinearities, mixing and bathymetry-driven contributions to the vorticity budget.The extensive validity of the LVB description of the global ocean provides a relatively simple foundation for estimating the vertical velocities through the indefinite depth-integrated LVB. Using an OGCM, it has demonstrated that the estimates possess the capability to accurately reproduce the time-mean amplitude and interannual variability of the vertical velocity field within substantial portions of the global ocean when compared to the reference model. Here, we build the DIOLIVE (indefinite Depth-Integrated Observation-based LInear Vorticity Estimates) product by applying the observation-based geostrophic velocities from ARMOR3D into the indefinite depth-integrated LVB formalism, with wind stress data from ERA5 serving as boundary condition at the surface. This product contains vertical velocities spanning the global ocean's thermocline at 5 degrees horizontal resolution and 40 isopycnal levels during the 1993-2018 period.A comparative analysis between the DIOLIVE product and four alternative products, including one OGCM simulation, two reanalyses and an observation-based reconstruction based on the omega equation, is conducted using various metrics assessing the vertical circulation's multidimensional features of the ocean vertical flow. The omega equation-based product displays large departures from the synchronicity and baroclinicity reproduced by the validation ensemble. However, in regions where the LVB holds as a valid assumption, the DIOLIVE product demonstrates a remarkable ability to replicate the baroclinic structure of the ocean, exhibiting satisfactory spatial consistency and notable agreement in terms of temporal variability when compared to the two reanalyses and the OGCM simulation.