Dynamical evolution of intense mesoscale Ierapetra eddies in connection with orographic wind forcing

par Artemis Ioannou

Thèse de doctorat en Océanographie physique

Sous la direction de Sabrina Speich et de Alexandre Stegner.

Le président du jury était Francesco D'Ovidio.

Le jury était composé de Isabelle Taupier-Letage, Anestis Kalfas.

Les rapporteurs étaient Andrea Doglioli, Guillaume Roullet.

  • Titre traduit

    Évolution dynamique de tourbillons Ierapetras intenses de mésoéchelle et leur relation avec le forçage du vent orographique


  • Résumé

    Le tourbillon Ierapetra (IE) est l’un des plus grands et des plus longs tourbillons de mésoéchelle de la Méditerranée orientale (MED). Situé au sud-est de la Crète, la formation récurrente de IE a été attribuée au forçage éolien régional. Pourtant, il n’y a pas que très peu d’informations sur les caractéristiques de leur dynamique, ni aucune preuve que l’IE soit forcé par le vent. Dans cette étude, une caractérisation complète de la dynamique des tourbillons Ierapetra est réalisée. Premièrement, en utilisant des observations satellites de la hauteur de surface de la mer ainsi que l'algorithme de détection de tourbillons AMEDA, les tourbillons Ierapetra sont suivis sur 22 ans (1993-2014). Des informations sur les caractéristiques (telles que le rayon, les vitesses etc.) et les trajectoires des tourbillons sont extraites. On observe une forte variabilité dans leur intensité (Ro = 0.07-0.27) et une potentielle réintensification un an après leur formation. Ce processus d'intensification est d'abord observé ici et peut conduire à un doublement de l'intensité en moins de 3 mois. Pour les tourbillons Ierapetra, nous avons observé que les termes d'accélération centrifuge ne peuvent pas être négligés. Une méthode itérative est optimisée sur des tourbillons idéalisés pour retrouver avec la meilleure précision possible, l’équilibre cyclogéostrophique. L'importance des corrections cyclogéostrophiques est évaluée pour la MED. Lorsqu'elles sont prises en compte, les estimations de vorticité du tourbillon de base IE peuvent atteindre des valeurs fortement négatives ζ(0) ⁄ f = -1. Trois campagnes océanographiques spécifiques (EGYPTE / EGITTO, BOUM et PROTEVS-PERLE) fournissant des mesures de vitesses de tourbillons sont également présentées. La comparaison enre les observations et les mesures in situ démontre l'importance des termes cyclogéostrophiques pour l'estimation correcte des vitesses de tourbillon. Enfin, le forçage du vent est étudié en tant que mécanisme principal de la dynamique des IE. Une forme idéalisée de forçage du vent climatologique pouvant représenter le régime de forçage ététsien est construite à partir des jeux de données de vent de la réanalyse ALADIN. L'effet transitoire du forçage étésien idéalisé est ensuite évalué avec un modèle de gravité réduite. Différentes simulations numériques sont effectuées afin d'étudier l'effet isolé d'un tel forçage sur la surface de l'océan. Globalement, les résultats démontrent la formation d'un anticyclone persistant. La magnitude de forçage du vent mais aussi sa durée sont des paramètres clés permettant de contrôler l’intensité des tourbillons. Le rayon du tourbillon est principalement contrôlé par les caractéristiques spatiales du forçage du vent. De plus, nous retrouvons le processus d'intensification des anticyclones préexistants en présence de cisaillement. Les résutats de cette thèse suggèrent que les tourbillons Ierapetra sont parmi les plus forts tourbillons de moyenne échelle de la mer Méditerranée. De plus le forçage régional par le vent est suffisant pour expliquer les caractéristiques des tourbillons observés. Un jet de vent orographique asymétrique ou des valeurs γ élevées de forçage orographique symétrique sont les conditions préalables nécessaires pour favoriser la formation d'anticyclones puissants dans l'océan.


  • Résumé

    The Ierapetra eddy (IE) is one of the largest and longest-lived mesoscale eddies of the eastern Mediterranean Sea (MED). Located in the South East corner of Crete, the IE recurrent formation has been attributed to the regional Etesian wind forcing. Yet there are no many information on the eddy dynamical characteristics nor evidences that the IE is wind-forced. In this study, a full characterization of the Ierapetra eddy dynamics is attempted. Firstly, by using satellite observations of sea surface height and AMEDA eddy detection algorithm, the Ierapetra eddies are followed over 22 years (1993-2014). Information on the eddy characteristics (such as radius, velocities, vorticity) and the eddy trajectories are retrieved. The Ierapetra eddies are found to experience strong variability in their intensity (Ro=0.07-0.27) while one year after formation they may re-intensify. This intensification process is firstly observed here and can lead to an doubling of the eddy intensity in less than 3 months. For the Ierapetra eddies, we found that the centrifugal acceleration terms cannot be omitted. An iterative method is optimized on idealized eddies to recover with best accuracy the cyclogeostrophic balance. The importance of cyclogeostrophic corrections are evaluated for the total MED. When taken into account, estimations on the IE core vorticity may reach values of highly negative vorticity ζ(0) ⁄ f =  − 1. Three specific oceanographic campaigns (EGYPT/EGITTO, BOUM and PROTEVS-PERLE) that provide information on measured eddy velocities are also presented. Comparison between the observations and in-situ measurements demonstrate the importance of the cyclogeostrophic terms for the correct estimation of the eddy velocities. Lastly, the Etesian wind forcing is investigated as the driving mechanism for the IEs dynamics. An idealized climatological wind forcing shape that can represent the Etesian forcing regime is build based on ALADIN reanalysis wind datasets. The transient effect of the idealized Etesian forcing is then evaluated with a reduced gravity model. Various numerical simulations are performed in order to investigate the isolated effect of such forcing to the ocean surface. Overall the results demonstrate the formation of a persistent anticyclone. Both the wind forcing magnitude but also the wind forcing duration are key parameters that control the formed eddy intensity. The eddy radius is mainly controlled by the spatial characteristics of the applied wind forcing. Moreover, we recover the intensification process for pre-existing anticyclones in the presence of the shear wind. The findings of this thesis suggest that the Ierapetra eddies are among the strongest mesoscale eddies of the Mediterranean Sea while the regional wind forcing is sufficient to explain the observed eddy characteristics. An asymmetric orographic wind jet or high γ values of a symmetric orographic forcing are the necessary preconditions to favor the formation of strong anticyclones in the ocean.


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