Dynamique de surface et de subsurface de tourbillons à longue durée de vie en Méditerranée sous l'influence du forçage atmosphérique

Surface and sub-surface dynamics of long-lived mesoscale eddies in the Mediterranean Sea under atmospheric forcing

• Auteur / Autrice : Alexandre Barboni
• Direction : Alexandre Stegner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 09/10/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau, Essonne ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Sabrina Speich
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Stegner, Lionel Renault, Yves Morel, Anne Petrenko, Franck Dumas, Johannes Karstensen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Renault, Yves Morel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Océanographie -- Recherche

Mésométéorologie

Tourbillons (mécanique des fluides)

Mots clés libres

Tourbillon

Méso-Échelle

Vertical

Longue durée de vie

Eddy

Mesoscale

Vertical

Long-Lived

Résumé

Les tourbillons méso-échelle sont des structures turbulentes omniprésentes dans l'océan, en équilibre thermique avec une signature en densité. Les anticyclones ont une vorticité négative associée à une anomalie de densité négative, et inversement pour les cyclones. Des descriptions quantitatives n'ont réellement commencé qu'avec les détections automatiques de tourbillons à partir sur des produits altimétriques maillés. Les premières études ont été réalisées avec une approche composite : de nombreuses observations colocalisées avec les contours de tourbillons dessinent une image moyenne. Cette approche combinée à la télédétection et aux profileurs Argo a permis de dévoiler la signature moyenne des tourbillons en température de surface de la mer (SST), en salinité, en chlorophylle mais aussi sur les flux air-mer. Les études antérieures n'ont pas étudié de manière significative l'évolution temporelle des tourbillons, en dehors des statistiques de trajectoire. Les tourbillons interagissent avec l'atmosphère, à la fois en chaleur et en quantité de mouvement, aux courtes et aux longues échelles de temps, mais leur évolution demeure pourtant méconnue. Nous étudions ici l'évolution de structures méso-échelle sous l'effet des interactions air-mer, à la fois en surface et en profondeur.Les tourbillons méditerranéens constituent un cas d'étude idéal, avec une couverture en mesure in situ dense et la présence d'anticyclones à longue durée de vie. Dans une première partie, nous définissons la méthode de suivi lagrangien des tourbillons grâce à l'altimétrie au 1/8 extdegree. Les observations de tourbillons sont colocalisées avec des profils verticaux in situ pour mesurer les propriétés physiques, et un profil extérieur de référence est défini afin de mesurer les anomalies induites. Dans une deuxième partie, l'évolution des anomalies SST des tourbillons révèle un fort signal saisonnier. Les signatures de surface anticycloniques froides et cycloniques chaudes passant de très rares en hiver à prédominantes au début de l'été, ce qui est également vrai pour une structure individuelle. La colocalisation avec les profils verticaux révèlent que ce changement saisonnier ne se produit que proche de la surface, d'où l'hypothèse d'une modulation du mélange vertical par les tourbillons à l'origine de cette évolution saisonnière, avec un mélange accru dans les anticyclones. Une troisième partie étudie ensuite les effets sur la couche de mélange. Les observations dans les anticyclones mettent en évidence un approfondissement considérablement de la couche de mélange hivernale (jusqu'à 350m plus profond) et une restratification estivale fortement retardée (jusqu'à 2 mois). Les anomalies de profondeur de couche de mélange ne correspondent pas aux relations des études composites antérieures, et sont plutôt influencées par l'interaction avec le profil de densité en subsurface. Dans une quatrième partie, nous simulons à haute résolution l'évolution des tourbillons avec le modèle numérique CROCO, retrouvant les variations saisonnières des tourbillons dans la SST et la couche de mélange. L'hypothèse d'un mélange accru dans les anticyclones est confirmée. Les ondes quasi-inertielles excitées par le forçage haute-fréquence se propagent davantage dans l'anticyclone et y augmentent le mélange, produisant un exemple remarquable d'interaction d'échelles. Enfin d'autres interactions sont discutées, en particulier le rôle des échanges air-mer sur la salinité. Cette étude met en évidence le détail de l'évolution des tourbillons de méso-échelle avec des interactions air-mer. Cette dynamique est gommée dans une vision composite mais s'observe par un suivi lagrangien, et elle reste peu étudiée dans les modèles globaux.

Mesoscale eddies are ubiquitous turbulent structures in the oceans, in thermal wind balance with a signature in density. Anticyclones with negative vorticity are associated with a negative density anomaly translating in a sea surface height (SSH) elevation, and conversely for cyclones. Statistical studies really began with eddy automated detections based on gridded altimetry products. The first quantitative studies were done in a composite approach : many observations are collocated with eddy contours and gathered into a single mean eddy picture. This approach combined with remote-sensing and Argo profiling floats provided eddy average signature in sea surface temperature (SST), salinity, chlorophyll but also air-sea fluxes. Previous studies did not significantly investigate eddy temporal evolution, apart from trajectory statistics. Eddies interact with heat and momentum air-sea fluxes interact over both short and long timescale, but their evolution remains unknown. We then investigate the mesoscale evolution submitted to atmospheric interactions, in both surface and at depth.Mediterranean eddies provide an ideal case study with extensive in situ measurements and occurrence of long-lived anticyclones. In a first part, we define a Lagrangian method tracking eddies in altimetric data at 1/8 extdegree. Eddy observation are collocated with in situ vertical profiles to measure eddy subsurface physical properties, and an outside-eddy reference background is defined to retrieve the eddy-induced anomalies. In a second part, evolution of eddy SST anomalies reveals a strong seasonal signal. Anticyclonic cold and cyclonic warm surface signatures shift from very rare in winter to predominant in early summer. This seasonal oscillation also recovered tracking individual structures. Collocated vertical profiles reveals this summer shift to occur only in near-surface. Hence an eddy-modulated vertical mixing is hypothesized to drive this evolution, with increased mixing in anticyclones. Getting to the mixed layer in a third part, anticyclones are observed to enhance winter mixed layer deepening (up to 350m anomaly) and significantly delay spring restratification (up to 2 months). Eddy MLD anomalies do not scale with relationship from previous composite studies, and are rather impacted by the subsurface density profile. In a fourth part, we assess the accuracy of eddy evolution in a high resolution numerical experiment with the CROCO model. Eddy seasonal variations in both SST and MLD are retrieved. Increased mixing in anticyclone is confirmed and found to be sensitive to grid resolution. Near-inertial waves triggered by high frequency winds propagate more into the anticyclonic negative relative vorticity and enhancing mixing, in a remarkable example of scales interaction. Last, remaining interactions are discussed, in particular the role air-sea fluxes on salinity. This study highlights the rich evolution occurring in mesoscale eddies with atmospheric interactions, blurred in composite approach but observable using Lagrangian tracking, and not yet properly retrieved nor studied in global models.