Etude du cycle de l'énergie cinétique et des voies de dissipation dans le Gulf Stream

A study of the kinetic energy pathways and routes to dissipation in the Gulf Stream

• Auteur / Autrice : Marcela Contreras Contreras
• Direction : Lionel Renault, Patrick Marchesiello
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 27/11/2023
• 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 : Yves Morel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Ménesguen, Oscar Pizarro, Héctor Hito Sepúlveda
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Capet, Julien Lesommer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Gulf Stream

Courants marins -- Atlantique (océan)

Dissipation d'énergie

Mots clés libres

Modélisation forcée et couplée océan-atmosphère

Gulf Stream

Marée

Processus à sous-mésoéchelle

Bilan énergétique

Dissipation de l'énergie

Ocean-Atmosphere Coupled and Uncoupled Models

Gulf Stream

Tides

Oceanic submesoescale processes

Energy Budget

Energy Dissipation

Résumé

La circulation méridienne de retournement de l'océan Atlantique (AMOC) joue un rôle essentiel sur le climat en convoyant la chaleur à l'échelle du globe. Le Gulf Stream (GS) est un courent de Bord ouest, composante majeure de l'AMOC. Les observations et modèles océaniques ont montré sa complexité sur une large gamme d'échelles spatio-temporelles. Notre compréhension de la dynamique du GS présente encore des lacunes importantes, et les simulations numériques montrent des biais par rapport aux observations. Une amélioration significative est obtenue en résolvant l'activité de mésoéchelle (résolution <1/10°), mais dans ce cas une énergie excessive est souvent générée, suggérant des processus de dissipation manquants. L'objectif principal de cette étude est d'évaluer le cycle de l'énergie cinétique dans le GS, en insistant sur les mécanismes de dissipation. Nous présentons tout d'abord une simulation forcée de l'océan résolvant en partie la sous-mésoéchelle (dx = 2 km) pour décrire la distribution spatio-temporelle des cascades turbulentes, basée sur une méthode de coarse-graining. L'étude confirme que les mouvements équilibrés conduisent à une cascade inverse d'énergie depuis les échelles d'injection vers les grandes échelles. Inversement, l'interaction des courants équilibrés et déséquilibrés (advection agéostrophique) entraîne une cascade directe vers les plus fines échelles. Le changement de direction de ce transfert d'énergie varient dans l'espace et le temps, mais se situe en moyenne autour de 10 km dans le GS. Pour identifier les principaux puits d'énergie, nous avons comparé la dissipation intérieure (provenant de la cascade directe) avec la dissipation numérique et dissipation frictionelle au fond et en surface (interaction océan-atmosphère). Nos résultats indiquent que la dissipation intérieure est bien inférieure aux autres puits d'énergie. La dissipation numérique est sensible au choix des schémas d'advection et un schéma d'ordre supérieur conduit à une réduction significative, mais compensée par une augmentation de friction aux limites, plutôt que de la cascade directe. Nous avons également évalué l'influence de la marée sur le cycle énergétique de la circulation. En comparant la simulation précédente avec une simulation similaire ne différant que par le forçage des marées, nous constatons que les marées internes modulent la cascade turbulente du GS via l'interaction vague-courant, conduisant finalement à une augmentation de la cascade directe. Cependant, malgré l'intensification, la cascade directe d'énergie cinétique reste significativement inférieur à la dissipation numérique et frictionnelle. Afin d'obtenir une compréhension globale du bilan énergétique du GS, nous avons réalisé pour finir une simulation couplée océan-atmosphère d'une durée d'un an et résolvant de manière plus complète la gamme sous-mésoéchelle (dx = 700 m). Nous représentons le cycle énergétique par un diagramme de Lorenz, couvrant à la fois l'énergie potentielle et cinétique. Les résultats montrent qu'il existe des voies distinctes pour le transfert de l'énergie cinétique et potentielle. La principale route vers la sous-mésoéchelle est permis par le transfert direct de l'énergie potentielle (par brassage tourbillonnaire et frontogénèse), qui subit une conversion barocline pour former de l'énergie cinétique à toutes les échelles. L'énergie cinétique subit alors une atténuation par friction, ou par mélange vertical dans la couche de surface. L'énergie cinétique se déplace également par interaction nonlinéaire, d'une part de la sous-mésoéchelle équilibrée (>10 km) vers les échelles supérieures, et, d'autre part, de la sous-mésoéchelle déséquilibrée (<10 km) vers les plus fines échelles suivant une cascade directe.

The Atlantic Meridional Ocean Circulation (AMOC) plays a critical role in the climate system, conveying heat around the globe. The Gulf Stream (GS) is a major surface component of the AMOC, renowned as a strong western boundary current. Observations and ocean models have shown that the GS is complex with diverse mechanisms affecting a wide spectrum of temporal and spatial scales. Our understanding of GS dynamics still has major gaps, and numerical simulations have biases compared with observations. A significant improvement is achieved by resolving the mesoscale activity (grid scale <1/10°), but in this case the models often generate excessive kinetic energy, suggesting missing dissipation processes. The main objective of this study is to assess the kinetic energy (KE) pathway in the GS, with a focus on the mechanisms of dissipation. We first present a submesoscale-permitting (dx=2 km) forced ocean simulation to describe the spatial and temporal distribution of turbulent cascades based on a coarse-graining method. The study confirms that balanced motions lead to an inverse KE cascade from injection scales to large scales. Conversely, the interaction of balanced and unbalanced motions (ageostrophic advection) results in a forward cascade to smaller scales. The scale at which energy transfer changes direction depends on the dominant mechanisms, which vary in space and time, but is on average around 10 km in the GS. To identify the main kinetic energy sinks, we compared interior dissipation --- assumed to ensue from the forward cascade --- with numerical dissipation and frictional dissipation at the vertical boundaries ( extit{i.e.}, bottom drag and top drag). Our results indicate that the interior dissipation is an order of magnitude lower than other energy sinks. Numerical dissipation is sensitive to the choice of horizontal momentum advection schemes and using a higher-order scheme leads to a significant reduction in numerical dissipation, as expected. However, this reduction is offset by an increase in boundary friction rather than downscale flux. Top and bottom boundary friction therefore appears to be the most important and most robust dissipation process. In addition, we evaluate the influence of tides on the energy pathways of wind-driven circulation. Comparing the previous simulation with a similar one differing only in tidal forcing, we find that internal tides modulate the turbulent GS cascade via wave-flow interaction, ultimately leading to an increase in the forward cascade. However, despite intensification, the downscale energy flux remains significantly lower than numerical and boundary dissipation. To gain a global understand of the GS's energy balance, we finally carried out a year-long coupled ocean-atmosphere simulation with submesoscale resolution (dx=700 m). We assessed the accuracy of the simulation using observational data and constructed a Lorenz diagram to represent the complete energy cycle at submesoscale, covering both potential and kinetic energy pathways. The results confirm that wind stress is the primary external source of energy, injecting it on a large scale. However, there are distinct pathways for the travel and sink of kinetic and potential energy. The primary pathway for potential energy is a downscale flux to submesoscales, while converting to kinetic energy through baroclinic processes. Meanwhile, kinetic energy experience depletion at all scales through boundary dissipation, including vertical mixing in the surface boundary layer. However, kinetic energy also travels across scales as balanced submesoscales (>10 km) energize the larger scale through shear production and unbalanced submesoscales (<10 km) follow a forward cascade. The submesoscale range therefore appears to be divided into two ranges, whose dynamic regime is determined by the extent of ageostrophic advection.