Air-sea interaction at the synoptic- and the meso-scale

par Aimie Moulin

Thèse de doctorat en Océan, Atmosphère, Hydrologie

Sous la direction de Achim Wirth.

Le président du jury était Chantal Staquet.

Le jury était composé de Alessandra Lanotte, Florian Lemarié.

Les rapporteurs étaient David Straub, Nicholas Hall.

  • Titre traduit

    Interaction air-mer à l’échelle synoptique et méso-échelle


  • Résumé

    Cette thèse concerne l'étude de l'interaction air-mer, due aux échanges de mouvements, avec un modèle idéalisé mais consistant. Les études sont réalisées à partir d'un modèle shallow-water bicouches (une pour l'océan et une pour l'atmosphère), avec une fine résolution spatiale et temporelle. L'interaction est uniquement due à la friction de surface entre les deux couches.Elle est implémentée par une loi de friction quadratique. La force appliquée à l'océan est calculée en utilisant la différence de vitesse entre les vents et les courants. Pour la force appliquée à l'atmosphère on distingue deux cas l'interaction ``1way'' et ``2way''. Pour la première, la friction appliquée à l'atmosphère néglige la dynamique de l'océan; elle est calculée en utilisant uniquement les vents. Pour l'interaction ``2W'', la friction appliquée à l'atmosphère est l'opposée de celle appliquée à l'océan.Trois configurations idéalisées sont explorées ici.La première configuration explique la génération d'une instabilité barotrope dans l'océan due à la force de friction quadratique et la dissipation visqueuse horizontale de l'atmosphère. Dans le cas 1W le cisaillement entraîne une instabilité barotrope dans l'océan. Dans le cas 2W, l'instabilité est amplifiée en amplitude et en dimension et est transférée à l'atmosphère. L'échelle principale de cette instabilité correspond à celle du rayon de Rossby dans l'océan. Elle est uniquement visible dans les modèles numériques, lorsque la dynamique est résolue à cette échelle à la fois dans l'océan mais aussi dans l'atmosphère.Dans la deuxième configuration, des expériences pour différentes valeurs du coefficient de traînée de surface sont réalisées. Le forçage diffère de la première configuration, et permet d'avoir une dynamique turbulente dans l'océan et l'atmosphère. L'énergie perdue par l'atmosphère et gagnée par l'océan par cisaillement à l'interface sont déterminées et comparées aux estimations basées sur les vitesses moyennes. La corrélations entre la vorticité océanique et atmosphérique est déterminée à l'échelle synoptique et méso-échelle de l'atmosphère. L'océan a un rôle passif, et absorbe l'énergie cinétique à quasiment tout les instants et tous les lieux. Les résultats différent des études réalisées à l'échelle du bassin. De par les faibles vitesses de l'océan, le transfert d'énergie dépend que faiblement des courants. La dynamique de l'océan laisse cependant son empreinte dans la dynamique de l'atmosphère conduisant à un état `quenched disorder' du système océan-atmosphère, pour le plus fort coefficient de friction utilisé.La dernière configuration, considère l'échange de mouvements entre l'océan et l'atmosphère autour d'une île circulaire. Dans les simulations actuelles de la dynamique océanique, le champs du forçage atmosphérique est généralement trop grossier pour inclure la présence de petites îles (<100km). Dans les calculs présentés ici, l'île est représenté dans la couche atmosphérique par un coefficient de traînée cent fois plus fort au dessus de l'île que l'océan. Cela engendre de la vorticité dans l'atmosphère , autour et près du sillage de l'île. L'influence de la vorticité atmosphérique sur la vorticité de l'océan, l'upwelling, la turbulence et le transfert d'énergieest considéré en utilisant des simulations couplées océan-atmosphère.Les résultats sont comparés avec des simulations ayant un forçage atmosphérique constant dans le temps et l'espace (pas de sillage) et des simulations "1W" (pour lesquelles les courants n'ont pas d'influence sur l'atmosphère).Les résultats des simulations sont en accords avec les travaux et les observations précédemment réalisés, et confirment que le sillage atmosphérique est le principal processus générant des tourbillons océanique dans le lit de l'île. Il est aussi montré que la vorticité est injectée directement par le rotationel du vent, mais aussi par la force du vent perpendiculaireau gradient d'épaisseur de la couche de surface océanique.


  • Résumé

    This thesis considers air-sea interaction, due to momentum exchange, in an idealized but consistent model. Two superposed one-layer fine-resolution shallow-water models are numerically integrated. The upper layer represents the atmosphere and the lower layer the ocean. The interaction is only due to the shear between the two layers. The shear applied to the ocean is calculated using the velocity difference between the ocean and the atmosphere.The frictional force between the two-layers is implemented using the quadratic drag law. Three idealized configurations are explored.First, a new mechanism that induces barotropic instability in the ocean is discussed. It is due to air-sea interaction with a quadratic drag law and horizontal viscous dissipation in the atmosphere. I show that the instability spreads to the atmosphere. The preferred spatial scale of the instability is that of the oceanic baroclinic Rossby radius of deformation.It can only be represented in numerical models, when the dynamics at this scale is resolved in the atmosphere and the ocean.In one-way interaction the shear applied to the atmosphere neglectsthe ocean dynamics, it is calculated using the atmospheric wind, only. In two-way interaction it is opposite to the shear applied to the ocean.In the one-way interaction the atmospheric shear leads to a barotropic instability in the ocean. The instability in the ocean is amplified, in amplitude and scale, in two-way interaction and also triggers an instability in the atmosphere.Second, the air-sea interaction at the atmospheric synoptic and mesoscale due to momentum transfer, only, is considered. Experiments with different values of the surface friction drag coefficient are performed, with a different atmospheric forcing from the first configuration, that leads to a turbulent dynamics in the atmosphere and the ocean. The actual energy loss of the atmosphere and the energy gain by the ocean, due to the inter-facial shear,is determined and compared to the estimates based on average speeds.The correlation between the vorticity in the atmosphere and the ocean is determined. Results differ from previous investigations where the exchange of momentum was considered at basin scale. It is shown that the ocean has a passive role, absorbing kinetic energy at nearly all times and locations.Due to the feeble velocities in the ocean, the energy transfer depends only weakly on the ocean velocity. The ocean dynamics leaves nevertheless its imprint in the atmospheric dynamics leading to a quenched disordered state of the atmosphere-ocean system, for the highest value of the friction coefficient considered. This finding questions the ergodic hypothesis, which is at the basis of a large number of experimental, observational and numericalresults in ocean, atmosphere and climate dynamics.The last configuration considers the air-sea interaction, due to momentum exchange, around a circular island. In todays simulations of the ocean dynamics, the atmospheric forcing fields are usually too coarse to include the presence of smaller islands (typically $<$ 100km).In the calculations presented here, the island is represented in the atmospheric layer by a hundred fold increased drag coefficient above the island as compared to the ocean. It leads to an increased atmospheric vorticity in the vicinity and in the wake of the island. The influence of the atmospheric vorticity on the ocean vorticity, upwelling, turbulence and energy transfer is considered by performing fully coupled simulations of the atmosphere-oceandynamics. The results are compared to simulations with a constant, in space and time, atmospheric forcing (no wake) and simulations with one-waycoupling only (where the ocean velocity has no influence on the atmosphere).Results of our simulations agree with previous published work and observations, and confirm that the wind-wake is the main process leading to mesoscale oceanic eddies in the lee of an island.


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