Modélisation océanographique compressible : dynamique océanique et propagation acoustique

Compressible ocean modelling : ocean dynamics and acoustic propagation

• Auteur / Autrice : Pierre-Antoine Dumont
• Direction : Francis Auclair, Franck Dumas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 01/10/2024
• 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'Aérologie (Toulouse ; 1983-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université Toulouse 3 Paul Sabatier (1969-2024)
• Jury : Président / Présidente : Nicholas Hall
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Ménesguen, Laurent Debreu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Ardhuin, Paul Cristini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sons

Mer

Modèles mathématiques

Acoustique sous-marine

Mots clés libres

Océanographie

Acoustique

Modélisation

Oceanography

Acoustics

Modeling

Résumé

Cette étude explore les perspectives pour l'acoustique sous-marine des modèles numériques d'océan compressible à surface libre. Ces modèles, qui ne font pas l'hypothèse hydrostatique ni l'approximation de Boussinesq, propage les anomalies de pressions induites par la dynamique océanique sous la forme d'ondes acoustiques. Une étude analytique démontre l'importance pour gagner du réalisme dans la propagation des ondes acoustiques d'introduire une couche sédimentaire. Le modèle numérique est validé au travers d'une série de cas tests acoustiques de complexité croissante: propagation en océan infini puis propagation guidée, en océan homogène puis stratifié, en présence de reliefs sous-marin. On dispose ainsi d'un modèle numérique modélisant simultanément les champs océanographiques et acoustique, en trois dimensions, dans le domaine temporel. L'originalité de ce travail est de permettre de modéliser de façon déterministe les effets de l'environnement sur la propagation acoustique à toutes les échelles spatiales et temporelles. Ce type de modèle vient ainsi combler des secteurs hors de portée des modèles de propagation acoustique ''classiques'', en particulier en présence d'un environnement océanographique complexe et pour les ondes acoustiques ultra-basse fréquence. Nous nous intéressons à une version compressible du modèle numérique d'océan CROCO. Nous illustrons le potentiel à grande échelle, avec une prévision de propagation acoustique, et à plus fine échelle en simulant l'effet de processus turbulents sur la propagation d'onde. On montre également le potentiel du modèle à évaluer la signature acoustique de processus océaniques, et donc la capacité d'un tel outil à explorer la contribution de l'océan au bruit ambiant. Les perspectives ouvertes par cette étude portent principalement sur l'effet des fluctuations océaniques sur la propagation acoustique basse-fréquence. Un focus particulier pourra être porté sur l'anisotropie de propagation attribuable à l'environnement, en termes d'hydrologie mais également de courants. Les applications montrées dans l'étude ciblent principalement les ondes acoustiques ultra basses-fréquences. La limite haute dépend des ressources numériques. Au travers de la parallélisation et de ses versions CPU et GPU, le code est orienté vers les capacités HPC. On peut donc espérer élargir le spectre d'application des ultra basses-fréquences vers les basses-fréquences.

This study explores the prospects for underwater acoustics of free-surface compressible ocean numerical models. These models, which do not make the hydrostatic assumption or the Boussinesq approximation, propagate pressure anomalies induced by ocean dynamics in the form of acoustic waves. An analytical study demonstrates the importance of introducing a sedimentary layer to enhance the realism of acoustic wave propagation. The numerical model is validated through a series of acoustic test cases of increasing complexity: propagation in an infinite ocean then guided propagation, in a homogeneous ocean then stratified, in the presence of underwater eddies. The result is a numerical model that simultaneously models the oceanographic and acoustic fields, in three dimensions and in the time domain. The originality of this work lies in its ability to model deterministically the effects of the environment on acoustic propagation on all spatial and temporal scales. This type of model thus fills in areas beyond the reach of ''classical'' acoustic propagation models, particularly in complex oceanographic environments and for ultra-low frequency acoustic waves. We focus on a compressible version of the CROCO numerical ocean model. We illustrate the potential at large scale, with a prediction of acoustic propagation, and at finer scale by simulating the effect of turbulent processes on wave propagation. We also show the model's potential for assessing the acoustic signature of oceanic processes, and thus the ability of such a tool to explore the ocean's contribution to ambient noise. The prospects opened up by this study mainly concern the effect of ocean fluctuations on low-frequency acoustic propagation. A particular focus will be on the anisotropy of propagation attributable to the environment, in terms of both hydrology and currents. The applications shown in the study mainly target ultra-low-frequency acoustic waves. The upper limit depends on digital resources. Through parallelization and its CPU and GPU versions, the code is oriented towards HPC capabilities. We can therefore hope to broaden the spectrum of applications from ultra-low frequencies to low frequencies.