Cohérence et propriétés générales des tourbillons de mésoéchelle dans l'océan global

Coherence and general properties of mesoscale eddies in the global ocean

• Auteur / Autrice : Yan Barabinot
• Direction : Sabrina Speich, Xavier Carton
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 16/06/2025
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMD - Laboratoire de Météorologie Dynamique
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Lapeyre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sabrina Speich, Chantal Staquet, Eric Chassignet, Xavier Carton, Ananda Pascual ascaso, Jean Reinaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chantal Staquet, Eric Chassignet

Mots clés

Mots clés libres

Tourbillon

Mésoéchelle

Océan global

Cohérence

Eddy

Mesoscale

Global ocean

Coherence

Résumé

Dans l’océan, la déstabilisation des courants majeurs engendre la formation de tourbillons de mésoéchelle, qui jouent un rôle clé dans la redistribution géographique de la chaleur, du sel et des produits biogéochimiques. Leur omniprésence et leur longévité en font une source majeure de variabilité océanique. Si leur capacité à transporter des traceurs est avérée, la quantification précise de ce transport reste incertaine, notamment en raison des multiples définitions du concept de ''cohérence'' utilisées pour les caractériser. Traditionnellement étudiés via l’altimétrie satellitaire, les tourbillons ont principalement été analysés en surface, introduisant un biais dans l’évaluation de leur capacité de transport. Bien que des travaux récents s’intéressent à leur structure tridimensionnelle, cette dimension reste encore peu explorée, limitant notre compréhension de leur dynamique de subsurface. Dans ce contexte, nous avons conduit une revue de la littérature afin de clarifier la notion de cohérence appliquée aux tourbillons de mésoéchelle. En exploitant une base de données in situ issue de campagnes océanographiques et des simulations numériques, nous proposons une nouvelle définition de la cohérence fondée sur les propriétés thermohalines des coeurs des tourbillons. La présence d’anomalies thermohalines permet en effet d’identifier le transport effectif d’une masse d’eau par un tourbillon, et ainsi d’évaluer sa cohérence matérielle. Nous proposons également de caractériser la frontière tridimensionnelle des tourbillons de mésoéchelle et analysons leurs formes à l'aide de modélisation analytique. Nos résultats révèlent que les frontières des tourbillons sont dynamiques, turbulentes, et d'intensité dépendante du nombre de Rossby du tourbillon considéré. Elles marquent la zone de contact entre la masse d’eau piégée et les eaux environnantes. Par ailleurs, nous montrons que l’extension verticale des tourbillons est contrôlée par la stratification locale. L’inclinaison des isopycnes constitue la principale source d’anomalie de densité, tandis que les anomalies le long des isopycnes n’affectent pas leur dynamique.

In the ocean, instabilities of major currents gives rise to mesoscale eddies, which play a key role in the geographical redistribution of heat, salt, and biogeochemical products. Their ubiquity and longevity make them a major source of oceanic variability. While their ability to transport tracers is well established, the precise quantification of this transport remains uncertain, largely due to the multiple definitions of the concept of ''coherence'' used to characterize them. Traditionally studied through satellite altimetry, eddies have been primarily analyzed at the surface, introducing a bias in the assessment of their transport capacity. Although recent studies have begun to investigate their three-dimensional structure, this dimension remains poorly explored, limiting our understanding of their subsurface dynamics. In this context, we conducted a literature review to clarify the notion of coherence as applied to mesoscale eddies. Using an in situ database from oceanographic campaigns combined with numerical simulations, we propose a new definition of coherence based on the thermohaline properties of eddy cores. The presence of thermohaline anomalies effectively indicates the transport of a coherent water mass by an eddy, and thus allows us to evaluate its material coherence. We also propose to characterize the three-dimensional boundary of mesoscale eddies and analyze their shapes using analytical modeling. Our results show that eddy boundaries are dynamic, turbulent, and their intensity depends on the Rossby number of the eddy. These boundaries delineate the interface between the trapped water mass and the surrounding fluid. Furthermore, we demonstrate that the vertical extent of eddies is controlled by the local stratification. The tilting of isopycnals is the main source of density anomaly, while anomalies along isopycnals do not influence eddy dynamics.