Modélisation réaliste de la marée interne : sa signature en surface, sa variabilité et son bilan énergétique

Internal tides realistic modeling : surface signature, variability and energy budget

• Auteur / Autrice : Simon Barbot
• Direction : Florent Lyard, Loren Carrere
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 15/10/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• 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'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales (Toulouse ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Chantal Staquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florent Lyard, Loren Carrere, Brian K. Arbic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sarah Gille, Guillaume Charria, Nicolas Grisouard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles géochimiques

Modèles mathématiques

Marées internes

Mots clés libres

Marée interne

Stratification

Variabilité saisonnière

Méthodes de clustering

Modélisation spectrale

Modélisation structurée/non-structurée

Altimétrie

SWOT

Internal tides

Stratification

Seasonal variability

Clustering methods

Frequency-domain modeling

Structured/unstructured modeling

Altimetry

SWOT

Résumé

La marée interne est générée lorsque les courants de la marée barotrope interceptent frontalement une pente bathymétrique importante dans un contexte d'océan stratifié, créant un déplacement périodique des couches océaniques. Les anomalies de pression baroclines générées ainsi se propagent sous la forme d'ondes internes sur des distances pouvant atteindre 2000 km, impactent la totalité de la colonne d'eau. La composante stationnaire du signal de surface de la marée interne est observée grâce aux longues séries temporelles de mesures altimétriques disponibles en continu depuis 1993. La composante non-stationnaire de la marée interne, principalement due à la variabilité de la circulation océanique et de la stratification, doit être abordée par des méthodologies différentes afin de décrire la variabilité de la marée interne. Cette dernière thématique a pris un essor particulier avec la préparation de la nouvelle mission large-fauchée SWOT, pour laquelle il devient indispensable de fournir des corrections précises de la marée interne pour pouvoir accéder à la mesure des signaux océaniques de sub-mésoéchelles notamment. La modélisation est un outil puissant permettant d'obtenir le signal complet de la marée interne, autrement difficilement accessible. Cette thèse fait le choix d'aborder la complexité de la marée interne de façon séquentielle, en analysant séparément chaque mécanisme pour en apporter une compréhension détaillée. Elle s'appuie sur des approches de modélisation idéalisées et semi-réalistes produisent un signal simplifié de la marée interne, pour examiner la contribution de la variabilité de la stratification océanique à la variabilité de la marée interne. Le signal de la marée interne est produit en utilisant des approches spectrales de modélisation et ces solutions sont détaillés en utilisant la décomposition en modes verticaux. L'analyse se focalise sur deux zones caractérisées par des dynamiques océaniques différentes : le Golfe de Gascogne et l'Atlantique équatorial-ouest. Tout d'abord, plusieurs conditions caractéristiques de stratification sont définies en utilisant une classification innovante des profils de densité in situ, et permettant de représenter la variabilité de la stratification à partir d'un nombre réduits de profils types. À partir de ces profils, la marée interne est simulée dans un cas idéalisé en utilisant le modèle T-UGOm, puis dans un cas semi-réaliste du Golfe de Gascogne en utilisant le modèle SYMPHONIE. Le cas idéalisé permet de mettre en évidence et de quantifier l'influence de la stratification sur l'amplitude et la longueur d'onde de la marée interne pour chaque mode, et d'étudier précisément les bilans d'énergie associés. Le cas semi-réaliste permet d'étendre cette étude à contexte réaliste, présentant plusieurs sites de génération et d'aborder la complexité des interactions entre ondes internes issues de ces sites. Afin de comparer ces simulations semi-réalistes aux données altimétriques, celles-ci sont analysées selon un découpage saisonnier, cohérent avec le contexte de stratification défini pour les simulations. Ce découpage mettant à l'épreuve la robustesse des méthodes d'analyse harmoniques traditionnellement utilisées pour la marée, cette thèse explore une méthode numérique et ses limitations. Ces travaux permettent de mieux comprendre la marée interne et les mécanismes qui la contrôlent et de mieux cerner la variabilité associée à la stratification seule en proposant de nouvelles approches. Cette compréhension de la marée interne et les simulations réalisées permettent également d'évaluer l'impact de la marée interne sur la remise en suspension profonde des sédiments dans le but d'affiner l'interprétation de mesures géochimiques.

The internal tides are generated when the barotropic tidal currents frontally intercept a significant bathymetric slope in a stratified ocean context, creating a periodic displacement of the ocean layers. The baroclinic pressure anomalies generated there propagate as internal waves over distances up to 2000 km, impacting the entire water column. The stationary component of the surface signal of the internal tides are observed thanks to the long time series of altimetry measurements available continuously since 1993. The non-stationary component of the internal tides, mainly due to the variability of ocean circulation and stratification, must be addressed by different methodologies to describe the variability of the internal tides. The internal tides non-stationarity is of special interest with the preparation of the new SWOT swath mission, for which it becomes essential to provide accurate corrections of the internal tides in order to access the measurement of sub-mesoscale ocean signals in particular. Modeling is a powerful tool to obtain the complete internal tides signal, otherwise difficult to access. This thesis chooses to address the complexity of the internal tides in a sequential manner, analyzing each mechanism separately to provide a detailed understanding. It uses idealized and semi-realistic modeling approaches that produce a simplified internal tides signal to examine the contribution of oceanic background stratification variability to internal tides variability. The internal tides signal is produced using spectral modeling approaches and these solutions are detailed using vertical mode decomposition. The analysis focuses on two areas characterized by different ocean dynamics: the Bay of Biscay and the western equatorial Atlantic. First, several characteristic stratification conditions are defined using an innovative classification of density profiles in situ, and allowing to represent the stratification variability from a reduced number of typical profiles. From these profiles, the internal tides are simulated in an idealized case using the T-UGOm model, then in a semi-realistic case of the Bay of Biscay using the SYMPHONIE model. The idealized case allows to highlight and quantify the influence of stratification on the amplitude and wavelength of the internal tides for each mode, and to study precisely the associated energy balances. The semi-realistic case allows to extend this study to a realistic context, presenting several generation sites and to address the complexity of interactions between internal waves from these sites. In order to compare these semi-realistic simulations with altimetric data, these data are analyzed according to a seasonal splitting, consistent with the stratification context defined for the simulations. This splitting tests the robustness of the harmonic analysis methods traditionally used for the tide, so this thesis explores a numerical method and its limitations. This work provides a better understanding of the internal tides and the mechanisms that control them, as well as a better understanding of the variability associated with background stratification alone by proposing new approaches. This understanding of the internal tides and the simulations performed also allow to evaluate the impact of the internal tides on the deep resuspension of sediments in order to refine the interpretation of geochemical measurements.