Modélisation de la marée interne et analyse de son impact sur la structure thermique de l'océan au large de l'Amazone

Modeling of internal tides and analysis of their impact on ocean thermal structure off the Amazon

• Auteur / Autrice : Fernand Bernie Assene Mvongo
• Direction : Ariane Koch-Larrouy, Isabelle Dadou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 21/05/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales (Toulouse ; 1995-....) - Mercator Océan
• Jury : Président / Présidente : Yves Morel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Carton
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Raphaël Onguéné, Nicolas Grisouard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Hydrodynamique

Mer -- Température

Amazone, Bassin de l'

Marées internes

Mots clés libres

Marée

Marée interne

Mélange vertical

Talus amazonien

Température

Modélisation numérique

Tides

Internal tides

Vertical mixing

Amazonian slope

Temperature

Numerical modelling

Résumé

La marée interne est un phénomène complexe généré par l'interaction entre les marées de surface avec la topographie marine (monts sous-marins, pentes continentales, dorsales) dans un contexte d'océan stratifié. La dissipation de l'énergie associée à la marée interne engendre un intense mélange vertical qui influence la température de l'océan sur toute la colonne d'eau jusqu'en surface, ce qui a un impact significatif pour circulation thermohaline, pour le mélange profond, et pour la convection nuageuse, concernant le mélange plus en surface. L'ensemble des deux (marée interne et de surface) a donc un impact important sur le climat. Ce mélange influence également les concentrations en nutriments, et par ricochet la production primaire et la distribution des organismes marins. Ces divers impacts sont assez documentés dans certaines régions océaniques grâce aux données in situ et à la modélisation numérique. Mais la question de l'impact de la marée interne sur la structure de la température et des nutriments reste encore ouverte concernant la région au large de l'embouchure de l'Amazone, qui est ma zone d'étude. L'objectif premier de ma thèse, qui est technique, est de fournir une base de données de simulations numériques permettant d'étudier la dynamique de la marée interne et de son impact sur le milieu physique et la biogéochimie marine au large de l'embouchure de l'Amazone. Le second objectif, qui est scientifique, est d'utiliser ces simulations pour analyser l'impact de la marée interne sur la structure de la température et sa variabilité dans le temps. Durant ma thèse, j'ai participé à la mise en place de deux configurations du modèle NEMO dédiées à l'étude des ondes internes de marée. L'une est physique et baptisée ''AMAZON36'', et l'autre est couplée physique-biogéochimie avec le modèle PISCES et baptisée ''AMAZON36-BIO''. Ensuite, j'ai réalisé, pour chacune des deux configurations, des simulations jumelles (avec et sans forçage de marée) sur plusieurs années, 2007-2016 et 2013-2016 pour AMAZON36 et AMAZON36 -BIO, respectivement. Dans la suite de la thèse, nous avons utilisé les simulations de la configuration AMAZON36 pour montrer comment au large de l'embouchure de l'Amazone, les ondes internes de marée entrainent un refroidissement significatif de la SST qui induit une augmentation des flux net de chaleur entre l'océan et l'atmosphère sus-jacente. Les ondes internes de marée induisent également un refroidissement de la température sur la verticale à l'intérieur de l'océan, dans la couche de mélange et au-dessus de la thermocline, et un refroidissement en dessous jusqu'à plusieurs centaines de mètres. Nous avons aussi montré que c'est par le mélange vertical que les ondes internes de marée impactent la température sur toute la verticale. Dans la suite, nous avons utilisé ces simulations et des observations satellites de la température de surface de la mer (SST) pour analyser variabilité temporelle de cet impact sur la température aux fréquences semi-diurnes et bimensuelle depuis la surface jusqu'à l'intérieur de la colonne d'eau. Il apparait clairement que les ondes internes dans leurs zones de dissipation sur le talus et au large, entrainent de fortes fluctuations de température à haute fréquence pouvant atteindre plusieurs degrés Celsius, et un peu moins à l'échelle bimensuelle. Les travaux de ma thèse permettent ainsi (i) de mieux appréhender les mécanismes et les échelles temporelles d'action de la marée interne sur la température au large de l'embouchure de l'Amazone, et (ii) posent une base solide, en termes de réalisation de simulations numériques, pour l'analyse de l'impact de la marée interne sur la biogéochimie dans cette région.

Internal tides (IT) are a complex phenomenon generated by the interaction between surface tides and marine topography (seamounts, continental slopes, ridges) in a stratified ocean. The dissipation of IT's energy generates an intense vertical mixing that influences the temperature of the ocean over the entire water column down to the surface, which has a significant impact on the thermohaline circulation, for the deep mixing, and for the cloud convection, concerning the mixing close to the surface. Together, they both (internal and surface tides) have a significant impact on the climate. This mixing also influences nutrient concentrations, and in turn the primary production and distribution of marine organisms. These various impacts are well documented in some ocean regions thanks to in situ data and numerical modelling. But the question of the impact of ITs on the structure of temperature and nutrients is still open regarding the region off the mouth of the Amazon, which is my study area. The primary objective of my thesis, which is technical, is to provide a database of numerical simulations to study the dynamics of ITs and their impact on the physical environment and marine biogeochemistry off the mouth of the Amazon. The second objective, which is scientific, is to use these simulations to analyze the impact of ITs on the temperature structure and its variability over time. During my thesis, I participated in the implementation of two configurations of the NEMO model dedicated to the study of ITs. One is physical and called ''AMAZON36'' and the other is coupled with the PISCES model and is called ''AMAZON36 -BIO''. Then, for each of the two configurations, I performed twin simulations (with and without tidal forcing) over several years, 2007-2016 and 2013-2016 for AMAZON36 and AMAZON36 -BIO, respectively. In the rest of the thesis, we used simulations of the AMAZON36 configuration to show how off the mouth of the Amazon, the mixing induced by the dissipation of ITs impacts the SST, the net heat flux between the ocean and the overlying atmosphere, the temperature on the vertical. And finally, what are the processes by which the internal tides act. Subsequently, we used these simulations and satellite observations of sea surface temperature (SST) to analyze the temporal variability of this impact on temperature at semi-diurnal and fortnightly frequencies from the surface to the interior of the water column. My thesis has allowed (i) to better understand the mechanisms and the temporal scales of IT's actions on the temperature off the mouth of the Amazon, and (ii) lay a solid basis for the analysis of the impact of the internal tides on biogeochemistry in this region.