Lagrangian coherent structures and physical processes of coastal upwelling

par Anass El aouni

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées et calcul scientifique

Sous la direction de Hussein Yahia et de Khalid Minaoui.


  • Résumé

    L'étude des processus physiques d'un système d'upwelling est essentielle pour comprendre sa variabilité actuelle et ses changements passés et futurs. Cette thèse présente une étude interdisciplinaire du système d'upwelling côtier à partir de différentes données acquises par satellite, l'accent étant mis principalement sur le système d'upwelling d'Afrique du Nord-Ouest (NWA). Cette étude interdisciplinaire aborde (1) le problème de l'identification et de l'extraction automatiques du phénomène d'upwelling à partir d'observations satellitaires biologiques et physiques. (2) Une étude statistique de la variation spatio-temporelle de l'upwelling de la NWA tout au long de son extension et de ses différents indices d'upwelling. (3) Une étude des relations non linéaires entre le mélange de surface et l'activité biologique dans les régions d'upwelling. (4) études lagrangiennes de tourbillons cohérents; leurs propriétés physiques et identification automatique. (5) L'étude des transports effectués par les tourbillons lagrangiens de la NWA Upwelling et leur impact sur l'océan. Les approches d'identification d'upwelling proposées reposent sur la combinaison du processus physique déclenchant le phénomène d'upwelling et de différentes méthodes de traitement d'image, de vision par ordinateur et de traitement du signal. Deux méthodes d'identification de l'upwelling ont été proposées. La première utilise l'algorithme de classification Fuzzy c-mean avec la théorie de transport d'Ekman pour identifier et extraire les régions d'upwelling à partir d'images de température de surface de la mer (SST). La seconde méthode utilise une approche par région non seulement pour délimiter avec succès les régions d'upwelling à partir des images SST, mais également pour extraire la région d'upwelling à partir des images CHLa. Un nouvel indice d'upwelling est proposé basé sur les méthodes de segmentation d'upwelling. Cet index présente plusieurs avantages par rapport à aux précédents: simplicité, efficacité et précision des calculs. Cet indice est utilisé avec différents indicateurs d'upwelling pour effectuer une analyse statistique de la variabilité spatiotemporelle de la dynamique d'upwelling dans la marge NWA. Cette variabilité statistique de l'upwelling est axée sur sa relation avec les variables atmosphériques (vent de 10 m, contrainte du vent). La relation entre l'extension spatiale des remontées d'eau et les variables atmosphériques diffère quelque peu dans les deux régions. Cependant, le schéma de son intensité reflète généralement le schéma atmosphérique commun qui favorise l'upwelling: vent du sud / stress du vent, transport Ekman transfrontière. À cet égard, un système informatique permettant de calculer l'indice de l'upwelling est mis à la disposition des utilisateurs afin d'extraire et de surveiller l'intensité et l'extension de la remontée le long de la marge de la réserve. Ce code C permet de fournir aux utilisateurs des produits synthétiques spatiaux en continu, informant sur les paramètres environnementaux et permettant l'évaluation et la surveillance de la dynamique de l'upwelling côtier dans l'espace et dans le temps. La relation entre les structures physiques des fronts océaniques et l'activité biologique est explorée. À cet égard, un nouveau concept d'étude de la relation non linéaire entre le mélange en surface et la concentration en chlorophylle est proposé. Le mélange de surface est calculé sur la base d'une théorie géodésique récente des structures cohérentes lagrangiennes (LCS). Ces LCS sont utilisés pour étudier le lien existant entre le mélange de surface et la concentration de fronts de chlorophylle-a (CHLa) extraits par le calcul d'exposants de singularité avec un calcul géométrique du plus singulier (MSM). Les résultats ont jeté un nouvel éclairage sur les études précédentes, abordant le mélange à l'aide d'exposants de Lyapunov de taille finie (FSLE). Deux définitions objectives du vortex cohérent lagrangien sont introduites avec leur détection automatique. La première méthode est basée sur une décomposition de la trajectoire des particules en deux parties: des courbes fermées qui donnent des informations sur un écoulement tournant uniformément et une qui décrit le déplacement moyen. La première partie fournit une mesure objective de la rotation des matériaux. La méthode proposée définit un vortex cohérent lagrangien comme des lignes de matière fermées dans lesquelles des particules de fluide effectuent la même rotation polaire. La seconde méthode est basée sur la représentation dans le domaine fréquentiel des trajectoires lagrangiennes. Le procédé identifie et extrait des tourbillons cohérents sous forme de surfaces de niveau tubulaires le long desquelles les trajectoires des particules partagent des fréquences similaires. Les deux méthodes identifient tous les tourbillons cohérents de manière automatique, en montrant une capacité de surveillance élevée. De plus, ils conviennent aux applications pour faire flotter des données car ils définissent des vortex en fonction de leurs trajectoires observées. L'impact de l'upwelling NWA sur l'océan est exploré à travers les rôles joués par les tourbillons de moyenne échelle de l'archipel des Canaries. Ces tourbillons transportent des eaux cohérentes provenant de régions d'upwelling et les déversent dans l'océan. On détecte annuellement jusqu'à 4 tourbillons cohérents à méso-échelle caractérisés par des diamètres variant de 25 à 140 km. Un total de 63 tourbillons cohérents d'environ 40 km de diamètre sur environ 59% de leur contenu réside dans l'Upwelling et sa transition. Ces tourbillons de moyenne échelle ont été utilisés pour calculer le transport de fluide cohérent au large des îles Canaries, qui s'est avéré être inférieur (d'environ un ordre de grandeur) aux estimations de transport précédentes.

  • Titre traduit

    Structures lagrangiennes cohérentes et processus physiques de l'upwelling côtier


  • Résumé

    Studying physical processes of an upwelling system is essential to understand its present variability and its past and future changes. This thesis presents an interdisciplinary study of the coastal upwelling system from different satellite acquired data, with the main focus placed on the North-West African (NWA) upwelling system. This interdisciplinary study covers (1) the problem of the automatic identification and extraction of the upwelling phenomenon from biological and physical satellite observations. (2) A statistical study of the spatio-temporal variation of the NWA upwelling throughout its extension and different upwelling indices. (3) A Study of the nonlinear relationships between the surface mixing and biological activity in the upwelling regions. (4) Lagrangian studies of coherent eddies; their physical properties and automatic identification. (5) The study of transport made by Lagrangian eddies off the NWA Upwelling and their impact on the open ocean. The proposed upwelling identification approaches are based on the combination of the physical process triggering the upwelling event along with different methods in image processing, computer vision and signal processing. Two upwelling identification methods were proposed, the first one uses the Fuzzy c-mean clustering algorithm along with the Ekman transport theory to identify and extract the upwelling regions from Sea Surface Temperature (SST) images. The second method uses a region-based approach to not only successfully delineate upwelling regions from SST images but also extract upwelling region from CHLa images. A novel upwelling index is proposed based on the upwelling segmentation methods. This index has several advantages over state-of-the-art ones: simplicity, computational efficiency and accuracy. This index is used along with different upwelling indices to carry on a statistical analysis of the spatio-temporal variability of the NWA upwelling dynamics. This statistical variability of upwelling focuses on its relationship to atmospheric variables (10m-wind, wind stress). The relationship between upwelling spatial extension and the atmospheric variables differ somewhat in the two regions. However, the pattern of its intensity generally reflects the common atmospheric pattern favoring upwelling: southward wind/wind stress, Cross-shore Ekman transport. In these regards, a computational software system for the calculation of the upwelling index is made available for users in order to extract and monitor the intensity and extension of upwelling along the NWA margin. This C-code allows providing users continually by space synthetic products informing about environmental parameters and permitting the evaluation and monitoring of the coastal upwelling dynamic in space and time. The relationship between physical structures of oceanic fronts and the biological activity is explored. In this regard, a new concept of studying the nonlinear relationship between surface mixing/stirring and chlorophyll concentration is proposed. The surface mixing/stirring is computed based on a recent geodesic theory of Lagrangian coherent structures (LCSs). These LCSs are used to study the link between surface mixing/stirring and chlorophyll-a (CHLa) fronts concentration extracted through the calculation of singularity exponents in a microcanonical formulation of singularity exponents associated to gradient measure, with a geometric computation of the Most Singular Manifold (MSM). The results shed new light on the previous studies, addressing mixing using Finite-size Lyapunov exponents (FSLEs). Two objective definitions of Lagrangian coherent vortex are introduced along with their automatic detection. The First method is based on a decomposition of particle trajectory into two parts: closed curves which give information about uniformly rotating flow, and one that describes the mean displacement. The former part yields an objective measure of material rotation. The proposed method defines a Lagrangian coherent vortex as closed material lines in which fluid particles complete the same polar rotation. The second method is based on frequency-domain representation of Lagrangian trajectories. The method identifies and extracts coherent vortices as tubular level surfaces along which particles' trajectories share similar frequencies. Both methods identify all coherent vortices in an automatic manner, showing high vortices' monitoring capacity. Moreover, they are suitable to applications to float data as they define vortices based on their observed trajectories. The impact of NWA upwelling over the open ocean is explored throughout the roles played by mesoscale eddies off the Canary archipelago. These eddies carry coherent waters from upwelling regions and pour them into the open ocean. A yearly up to 4 coherent mesoscale eddies characterized by diameters varying from 25 to 140 km are detected. An overall of 63 coherent eddies of about 40 kms in diameter among about 59% of their contents resides in the Upwelling and its transition. These mesoscale eddies were used to compute coherent fluid transport off Canary Islands, which proved to be lower (by about one order of magnitude) than previous transport estimates.