Dynamique lagrangienne dans la turbulence océanique à sous-mésoéchelle

Lagrangian particle dynamics in ocean submesoscale turbulence

• Auteur / Autrice : Michael Maalouly
• Direction : Gilmar Mompean, Stefano Berti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 06/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de Mécanique de Lille - Joseph Boussinesq
• Partenaire(s) de recherche : Financeur : Université de Lille (2018-2021)
• Jury : Président / Présidente : Martín Obligado
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cristóbal López
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ivana Vinkovic, Basile Gallet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement bidimensionnel

Équations de Boussinesq

Circulation océanique

Simulation par ordinateur

Turbulence

Mots clés libres

Transport Lagrangien

Turbulence

Sous-Mésoéchelles océaniques

Modèles numériques

Écoulement agéostrophique

Lagrangian transport

Turbulence

Ocean submesoscales

Numerical models

Résumé

Les écoulements turbulents de surface dévient de l'équilibre géostrophique à des échelles inférieures à 10 km, essentielles pour le transport vertical, la distribution de la chaleur et le plancton. Bien que mesurer ces vitesses soit difficile, de nouvelles altimétries satellitaires haute résolution commencent à les capter. Toutefois, comme elles reflètent surtout l'écoulement géostrophique, comprendre l'impact des mouvements âgéostrophiques non résolus est crucial pour bien caractériser le transport Lagrangien. Cette étude utilise des simulations numériques pour explorer la turbulence à petite échelle à l'aide d'un modèle tenant compte des corrections agéostrophiques, basé sur une expansion du nombre de Rossby des équations primitives, se réduisant au modèle quasi-géostrophique pour des nombres de Rossby nuls. De plus, nous analysons les trajectoires des particules lagrangiennes avec les champs de vitesse LLC4320, un modèle de circulation générale haute résolution capturant les processus océaniques de basse et haute fréquence.Premièrement, nous analysons l'impact des dynamiques agéostrophiques sur la dispersion par paires et le regroupement des particules pour différents nombres de Rossby. Les résultats montrent que, bien que la séparation des paires à long terme soit peu affectée, ces dynamiques provoquent une agrégation temporaire, dont l'intensité augmente avec le nombre de Rossby. Les particules s'accumulent préférentiellement dans les régions frontales cycloniques, en accord avec les observations et d'autres études.Deuxièmement, nous comparons les trajectoires advectées par l'écoulement complet et sa composante géostrophique, analogue au champ de vitesse dérivé des satellites. L'advection géostrophique surestime le taux de séparation des paires et introduit un biais dans les trajectoires, cet effet augmentant avec le nombre de Rossby. De plus, le regroupement induit par les dynamiques agéostrophiques peut être significatif, même avec une faible compressibilité, en raison de l'interaction avec des structures d'écoulement persistantes.Troisièmement, nous examinons l'advection des particules dans l'extension du Kuroshio en février et août 2012 avec les champs de vitesse LLC4320. En février, la dispersion est locale et dominée par les mouvements à mésoéchelle et sous-mésoéchelle, et l'approximation géostrophique capture bien les spectres d'énergie cinétique de la hauteur de la surface de la mer, avec une légère surestimation de l'énergie.En août, la situation est plus complexe, mais notre analyse suggère que la dispersion devient non-locale, tout en restant dominée par les mouvements à mésoéchelle et sous-mésoéchelle. Bien que les ondes de gravité internes soient importantes en été, elles n'affectent pas la dispersion.La relation de dispersion des ondes et l'approximation géostrophique sont nécessaires pour une approximation précise des spectres d'énergie cinétique à partir de la hauteur de la surface de la mer. Ces résultats fournissent de nouvelles perspectives sur le transport turbulent à petite échelle et sont pertinents avec l'arrivée de données satellitaires haute résolution sur les champs de vitesse de surface.

Turbulent flows at the ocean surface deviate from geostrophic equilibrium at scales smaller than 10 km, which are important for vertical transport, heat distribution, and plankton dynamics. Although measuring velocity fields at these small scales is challenging, new high-resolution satellite altimetry is beginning to detect them. However, since the satellite-derived velocities primarily represent the geostrophic flow component, understanding the influence of unresolved ageostrophic motions on particle dispersion is essential for accurately characterizing Lagrangian transport properties. This study uses numerical simulations to explore fine-scale ocean turbulence with a model accounting for ageostrophic corrections based on a Rossby-number expansion of the primitive equations, reducing to the surface quasi-geostrophic model at zero Rossby numbers. Additionally, we analyze Lagrangian particle trajectories using LLC4320 velocity fields, a high-resolution general circulation model that captures both low- and high-frequency ocean processes.First, we examine the effect of ageostrophic dynamics on the pair-dispersion and clustering properties of Lagrangian tracer particles for varying Rossby numbers. The results show that while long-term pair separation is weakly affected by ageostrophic motions, these motions drive temporary particle aggregation, with its intensity increasing with the Rossby number. Lagrangian tracers preferentially accumulate in cyclonic frontal regions, consistent with observations and other modeling studies.Second, we focus on the predictability of particle dynamics by comparing trajectories advected by the full flow and its geostrophic component, analogous to the velocity field derived from satellites. We find that geostrophic-only advection overestimates the pair-separation rate and introduces trajectory bias, with the effect increasing with the Rossby number. Moreover, clustering induced by ageostrophic motions can be significant, even for small flow compressibility, due to the interplay between compressibility and persistent flow structures.Third, we examine particle advection in the Kuroshio Extension, a region characterized by energetic fine scales, during February and August 2012, using LLC4320 velocity fields. In February, dispersion is local and driven by mesoscale and submesoscale motions. The geostrophic approximation effectively captures the kinetic energy spectra from sea surface height, with a slight overestimation of energy.In August, the situation is more complex, but our analysis suggests that dispersion becomes nonlocal while still being driven by mesoscale and submesoscale motions. Although internal gravity waves are energetically significant during summer, they do not appear to affect dispersion.Both the wave dispersion relation and geostrophic approximation are required for an accurate approximation of kinetic energy spectra from sea surface height. These findings provide insights into turbulent transport at ocean fine scales and are particularly relevant given the recent availability of new high-resolution satellite data on surface velocity fields.