Dynamique et structure tri dimensionnelle des tourbillons

Proposition de sujet de thèse 2016
Titre du sujet :
Dynamique et structure tri dimensionnelle des tourbillons océaniques de longue
durée de vie
Directeur de thèse :
Sabrina SPEICH, HDR, Professeure (Laboratoire de Météorologie Dynamique, UMR
8539, Ecole Normale Supérieure, Département de Géosciences, Paris, France :
[email protected]) [email protected]
Co-Encadrant de thèse:
Alexandre STEGNER, Chargé de Recherche (Laboratoire de Météorologie
Dynamique, UMR 8539, Ecole Polytechnique, Palaiseau, France :
[email protected])
Laboratoire d’accueil :
Laboratoire de Météorologie Dynamique,
Ecole Polytechnique, Palaiseau et Ecole Normale Supérieure, Paris.
Directeur du Laboratoire :
Vincent CASSE ([email protected])
Coopérations nationales/internationales :
Projet ANR Astrid maturation DYNED-Atlas (2016-2019), PI : A.Stegner.
Campagnes de mesures SHOM PROTEVS MED
Projet SOCLIM (http://www.obs-banyuls.fr/SOCLIM/);
Projet SOCCO (http://socco.org.za);
Profile du candidat :
Un master d’Océanographie ou d’un champ de recherche proche. Le candidat
sélectionné sera amené à travailler dans une équipe hautement interdisciplinaire.
Description du sujet :
Impact des tourbillons de grande échelle et de longue durée de vie
Les observations satellitaires ont permis de mettre en évidence l’omniprésence des
tourbillons de méso échelle (caractérisés par un rayon supérieur ou égal au rayon de
déformation) dans l’Océan. La durée de vie d’un grand nombre de ces tourbillons
peut atteindre plusieurs années pour les structures les plus robustes. Ces structures
peuvent ainsi piéger dans leur cœur des grandes masses d’eaux et les transporter
sur des très grandes distances. Les tourbillons qui sont générés par le courant des
Aiguilles sont très intense et peuvent se propager plusieurs milliers de kilomètres
dans l’Atlantique Sud (Laxenaire, 2014 ; Laxenaire et al., in prep). Dans un bassin
fermé, tel que la Méditerranée, certains anticyclones formés le long de la cote
Algérienne ou de la Crête sont restés cohérents plus de deux ans et se sont
propagés sur plusieurs centaines de kilomètres (Puillat et al. 2002, Mkhinini et al.
2014).
Ces tourbillons constituent des anomalies hydrologiques qui sont clairement
identifiés par les profileurs argo, les transects CTD et les profils issus de gliders
sous-marins. Par conséquent, ces structures de longue durée de vie ont un impact
déterminant sur le mélange horizontal et vertical de propriétés physiques
(température, salinité, propagation acoustique), chimiques (oxygène, CO2,
nutriments, etc …) et biologique (phyto et zoo plancton notamment). Ces structures
cohérentes ont un impact à l’échelle locale (mélange au voisinage du tourbillon) mais
aussi sur la circulation globale de l’océan car le transport horizontal peut dépasser le
millier de kilomètre. La représentativité et la précision de ces champs tourbillonnaires
(à méso et sous méso échelle) issus des modèles numériques est aujourd’hui une
des questions majeure en océanographie.
Détection et suivi des tourbillons océaniques
Afin de fournir des statistiques sur ces champs de tourbillons, de nombreux outils de
détection et de suivi tourbillonnaire ont été élaboré ces dernières années (Sadarjoen
et al., 1998 ; Isern-Fontanet et al., 2003; Morrow et al., 2004; Chelton et al., 2007 ;
Chaigneau et al., 2008 ; Chaigneau et al., 2009 ; Nencioli et al., 2010 ; Chelton et al.,
2011 ; Mkhinini et al. 2014 ; Halo et al. 2014). Ces outils permettent aujourd’hui de
suivre les trajectoires des tourbillons méso-échelle de longue durée de vie qui ont
une signature de surface (Mkhinini et al. 2014). Les trajectoires et la durée de vie de
ces structures peuvent être ainsi quantifié de façon systématique quel que soit la
couverture nuageuse. De plus, la récente prise en compte des épisodes de fusion et
de séparation des tourbillons dans les algorithmes de suivi tourbillonnaire permet
aujourd’hui de suivre les structures sur une période bien plus longue.
Malheureusement la résolution des produits altimétriques grillés pour l’océan globale
(1/4°) reste encore limitée et ne permet pas de caractériser finement la structure
horizontale des tourbillons. Néanmoins, lorsque la résolution du champ altimétrique
est suffisante comme c’est le cas aujourd’hui pour la méditerranée (1/8° pour les
produits AVISO) il est possible de mieux quantifier les profils de vitesse de surface
de ces grands tourbillons. Un modèle paramétrique du profil de vitesse a été tout
récemment utilisé (Tuel, 2016) pour quantifier la structure de surface des tourbillons
cyclo géostrophique en Méditerranée. Ces résultats sont prometteurs sur la
possibilité de quantifier plus précisément la structure des tourbillons de longue durée
de vie.
Structure tri-dimensionnelle des tourbillons
Contrairement à l’atmosphère, la caractérisation de la structure tri dimensionnelle
des tourbillons océanique reste extrêmement difficile et très couteuse. L‘extension
verticale des tourbillons ayant une signature de surface n’est pas accessible en
utilisant uniquement les données altimétriques de surface. Seul des mesures in-situ
permettent de caractériser l’extension verticale de l’anomalie hydrologique ou du
champ de vitesse induit par le tourbillon. Le déploiement constant des profileurs
autonomes ARGO permet depuis les années 2005-2010 d’identifier les principales
masses d’eau, en temps réel, dans les 2000m de la couche océanique
(http://www.argo.ucsd.edu/). L’utilisation de ces profils
pour caractériser des
structures spécifiques comme les tourbillons est assez récente. Des méthodes de
co-localisation qui permettent de positionner un profil vertical par rapport au centre
tourbillonnaire ont été récemment utilisées pour caractériser la structure verticale
moyenne des tourbillons cycloniques ou anticycloniques dans une large zone du
Sud-Est Pacifique (Chaigneau et al., 2011; Pegliasco et al., 2015). Cette méthode
n’est pertinente que pour les tourbillons de longue durée de vie car la probabilité
d’avoir des profils ARGO dans le cœur des grandes structures augmente avec le
temps. Cette méthodologie sera développé et validé dans le projet DYNED-Atlas qui
vise à construire un Atlas dynamique des tourbillons de grande échelle ayant une
signature de surface pour deux régions cibles: la Méditerranée et la Mer d’Arabie.
Nous disposerons donc de tous les outils pour quantifier la structure tri
dimensionnelle d’un grand nombre de tourbillon individuel. Cette technique de colocalisation peut-être étendu aux données in-situ (transects CTD, ADCP, gliders)
provenant de campagnes en mer spécifiques (SOMBA 2014; PROTEVSMED 2015,
2016) en Méditerranée et dans l’Atlantique Sud (campagnes annuelles GoodHope,
SAMOC). Une bonne caractérisation de l’extension verticale des structures est
essentielle pour quantifier les volumes des masses d’eau piégées dans le cœur des
tourbillons.
Stabilité, dispersion et dissipation des tourbillons
De nombreux mécanismes dynamiques peuvent affecter la durée de vie des
tourbillons (instabilité, dispersion, dissipation turbulente). En fonction des différents
paramètres dynamiques (nb de Rossby, nb de Burger, rapport d’aspect) différents
régimes d’instabilités vont dominer et affecter la structure tri dimensionnelle initiale.
De même pour des structures de grande taille l’effet beta planétaire doit être pris en
compte et la dispersion engendrée par les ondes de Rossby peut fortement atténuer
les tourbillons de grande taille (Stegner and Zeitlin, 1995, 1996). Diverses études
théoriques (Polvani et al., 1994; Arai and Yamagata, 1994; Stegner and
Dritschel, 2000; Baey and Carton, 2002; Graves et al., 2006 ; Perret et al., 2006)
montrent que les anticyclones sont plus dynamiquement plus robustes et qu’ils
auront donc tendance à durer plus longtemps que les cyclones de taille équivalente.
Ce n’est que récemment, que des analyses statistiques sur les durées de vie d’un
grand nombre de tourbillons (Chelton et al. 2011, Mkhinini et al. 2014) montrent
également cette prédominance des anticyclones parmi les structure de longue durée
de vie. Néanmoins, deux structures de même taille et intensité peuvent avoir des
durées de vie très différentes et les mécanismes qui conduisent à la disparition d’un
tourbillon ne sont toujours pas bien compris. L’impact de la couche de mélange
océanique sur la dissipation et le mélange au sein d’un tourbillon méso échelle a été
peu étudié. De plus, l’espace des paramètres dynamiques qui garantissent la
robustesse d’un tourbillon océanique n’est à ce jour pas clairement identifié.
Objectifs :
Ce projet de thèse a pour but d’identifier la (ou les) structure(s) tri
dimensionnelle caractéristiques des tourbillons océaniques de longues durées
de vie ainsi que les principaux mécanismes de formation et de destruction de
ceux-ci. Ce travail utilisera les algorithmes de détection de tourbillon océanique dans
l’Océan Austral, en Mer Méditerranée et en Mer d’Arabie afin de co-localiser les
profileurs ARGO qui ont traversés des tourbillons de longue durée de vie. L’objectif
est de quantifier finement la structure tri dimensionnelle de plusieurs dizaines de ces
tourbillons méso échelle dans les zones ciblées et de suivre leur évolution
temporelle. La structure des ces tourbillons réels sera ensuite comparé avec des
tourbillons cohérents et robustes qui ont été identifiés dans de simulations
numériques ou des expériences de laboratoire idéalisées. Nous étudierons plus
particulièrement l’impact du forçage induit par le vent de surface (via la couche de
mélange) ou les épisodes de fusion ou de séparation de tourbillons sur le bilan
énergétique et la durée de vie de ces structures cohérentes.
Une attention particulière sera apportée à l’étude des transferts de constituants
biogéochimiques en Méditerranée ainsi que le carbone dans les secteurs les plus
énergétiques de l’océan Austral.
Méthodologie :
Nous proposons d’étudier la dynamique et la structure tri dimensionnelle des
tourbillons océaniques de longue durée de vie en combinant :
1. Des analyses par télédétection, via l’utilisation de données d’altimétrie
satellitaire, seront utilisées dans la première phase de cette étude pour
caractériser finement la signature de surface des tourbillons. L’utilisation de
l’outil AMEDA : Angular Momentum Eddy Detection and tracking Algorithm,
permettra d’identifier les structures de longue durée de vie, leurs zones de
formation ainsi que leur trajectoires caractéristiques dans les trois zones
d’études (Océan Austral, Mer Méditerranée et Mer d’Arabie). Cet outil de
détection automatique permettra d’établir des statistiques représentative sur
une période de 15 ans. L’utilisation des champs altimétrique AVISO reanalysé par CLS au 1/8° dans le cadre du projet DYNED-Atlas (Méditerranée
et Mer d’Arabie) constituera une base de données unique pour ce projet.
2. Des observations in-situ enregistrées ces 15 dernières années par des
profileurs dérivants Argo et BioArgo seront ensuite utilisées. Nous allons colocaliser les structures tourbillonnaires détectées précédemment avec les
mesures la base de donnée des profileurs ARGO mais aussi des données insitu (sections CTD, ADCP, gliders) provenant de campagnes dédiées si elles
sont disponibles. Ceci nous permettra d’avoir un contexte fin aussi bien
spatialement (3D) que temporellement afin de situer les observations de la
colonne d’eau par les profiles verticaux. Ces nouvelles combinaisons d’outils
et d’observations permettront d’associer des processus physiques et
dynamiques induits par les tourbillons de méso échelle.
3. Des études de processus seront effectuées afin d’identifier l’espace des
paramètres dynamiques qui garantissent la robustesse d’un tourbillon
océanique. Ce travail consistera principalement à effectuer un bilan et une
analyse des nombreuses études passées pour identifier les paramètres
dynamiques clefs qui contrôlent les mécanismes de stabilité, de dispersion et
de dissipation de tourbillons étudies ci-dessus. Néanmoins, certaines études
spécifiques seront menée à l’aide de modèles numériques (ROMS, NEMO
MED36) afin quantifier l’impact de la fusion ou de la séparation sur le bilan
énergétique des tourbillons cohérents de grande échelle. L’absorption de petit
tourbillons par une grande structure est elle une source importante d’énergie
permettant de prolonger la cohérence temporelle des tourbillons dans un
champs turbulent ? Comment le forçage externe induit par le vent impacte la
trajectoire et l’énergie contenu dans une tourbillon de méso-échelle ?
4. Des expériences en laboratoires seront effectuées afin de caractériser les
profils de surface des tourbillons qui conservent leurs cohérences sur des
temps long dans un champ turbulent. Ces expériences seront conduites dans
la cuve tournante LMD-ENSTA qui est un outil permettant de générer un
champ tourbillonnaire turbulent à méso et sous méso échelle dans une
couche de fluide stratifié en rotation. Des techniques d’acquisition de données
modernes (PIV et LIF) seront utilisés afin d’obtenir des bases de données
avec une grande résolution spatio-temporelle. Ces champs de vitesse
expérimentaux seront ensuite analysés à l’aide de l’algorithme AMEDA pour
identifier les tourbillons de longue durée de vie et quantifier leur paramètres
dynamiques (nb de Rossby, Burger, Ekman, …).
Collaborations nationales et internationales :
Cette étude se déroulera dans le cadre du projet ANR Astrid Maturation DYNEDAtlas (coordonnée par A.Stegner) qui regroupe trois laboratoire de recherche (LMD,
LEGOS and LPO-UBO), le département océanographique de la marine (SHOM) et
deux entreprises (CLS, ECTIA).
De plus, cette thèse bénéficiera du projet international SOCLIM qui vient d’être
nouvellement financé (http://www.obs-banyuls.fr/SOCLIM/; dont S.SPEICH est l’une
des trois coordinateurs). Il sera aussi étroitement lié avec le projet Sud Africain
SOCCO
(http://SOCCO.org.za/)
et
l’initiative
SOCCOM
des
USA
(http://soccom.princeton.edu/).
Les intérêts pour la Marine :
Ce projet de thèse est directement lié à l’étude de l’Environnement et les
Géosciences qui sont des domaines scientifiques soutenus par la DGA. L’intérêt des
tourbillons océaniques pour la défense est principalement lié à la guerre sousmarine. La compréhension des phénomènes modifiant la structure thermohaline des
océans, et donc la propagation des ondes acoustiques, est primordiale. Ces
phénomènes impactent aussi les propriétés optiques de l’Océan. Les tourbillons
océaniques et les courants côtiers sont les sources majeures d’anomalie de densité
dans l’Océan.
Une des problématiques principales du Service Hydrographique et Océanographique
de la Marine (SHOM), pour les prochaines années, est de construire un système
numériques de modélisation et de prévision de la circulation générale et régionale
dans des zones tel que la mer Méditerranée et la Mer d’Arabie. Dans ces zones
comme dans l’Océan Austral des tourbillons de longue durée de vie et grande
échelle, de rayon caractéristique trois fois à quatre fois plus grand que le rayon de
déformation local, sont régulièrement détectés. Ces tourbillons sont résolus
horizontalement mais leur structure verticale et leur érosion en surface ne sont pas
bien connu. Les échelles optimales pour décrire les trajectoires ainsi que les
propriétés de ces gros tourbillons, aussi bien en surface, dans la couche de
mélange, que dans la colonne d’eau, restent à déterminer. Ce sont pourtant des
paramètres primordiaux pour une modélisation précise de ces phénomènes.
Cette thèse fournira une meilleure compréhension de la dynamique des tourbillons
océaniques méso échelle ainsi que le lien entre leur structure interne et leur durée de
vie.
Lien avec d’autres projets de recherches soutenus financièrement par la DGA :
Ce projet de thèse utilisera et testera de nombreux outils et méthodes développés
dans le projet ADETOC (2013-2015). La fiabilité des systèmes de détection de
tourbillons sera testée sur de larges bases de données in-situ acquises dans l’océan
Austral et en Mer Méditerranée. Le thésard travaillera en forte interaction avec le
projet ANR Astrid Maturation DYNED-Atlas (2016-2019) pour caractériser la
structure tri-dimensionelle des tourbillons de longue durée de vie dans les zones
cibles. Le thésard sera amené à contribuer aux taches 2.3 (Détection et re-analyses
des structures verticales) et 3 (Mécanismes de formation et construction de classes
de tourbillons auto-similaires) du projet DYNED-Atlas.