Dans ce chapitre, sur la mar´ee interne dans la mer des Salomon, nous avons pu la caract´eriser et mettre en ´evidence ses effets sur les masses d’eaux ainsi que la circulation et la m´eso´echelle. La mar´ee interne est g´en´er´ee `a trois principaux endroits dans la mer des Salomon : le d´etroit de Salomon, les ˆıles Salomon et l’extr´emit´e est de la Papouasie Nouvelle Guin´ee. Malgr´e que la mar´ee M2 barotrope soit faible dans la mer des Salomon, la mar´ee interne en mer des Salomon est constitu´ee en majorit´e du signal M2 et domin´ee par le mode 1. La signature en niveau de la mer de la mar´ee interne varie en fonction des ´ev´enements ENSO, avec notamment des distributions horizontales de signature en niveau de la mer diff´erentes entre El Ni˜no et La Ni˜na. Nous avons observ´e une modification de la stratification li´ee `a ces p´eriodes qui explique bien que les ondes internes sont contraintes plus proche de la surface dans le p´eriode El Ni˜no. L’introduction de la mar´ee dans le mod`ele intensifie le m´elange diapycnal par lequel les propri´et´es des masses d’eaux sont modifi´ees, surtout pour les eaux avec des valeurs maximales en salinit´e ou en temp´erature : les eaux de surface, de la thermocline et mˆeme les eaux interm´ediaires.
Compar´e au mod`ele sans mar´ee, le mod`ele avec mar´ee poss`ede des eaux de surface et de la thermocline plus froides. Ce refroidissement des eaux de surface et de la thermocline induit par la mar´ee peut avoir des r´epercussions importantes pour la circulation r´egionale. Dans les ´
etudes similaires dans la Mer Indon´esienne, Koch-Larrouy et al. (2010) ont montr´e que le re- froidissement des eaux en surface induit par le m´elange de la mar´ee peut ralentir la convection atmosph´erique, et ainsi modifier la circulation coupl´e oc´ean-atmosph`ere dans toute la r´egion Indo-Pacifique. Le refroidissement des eaux de surface dans la Mer de Salomon par la mar´ee pourrait ´egalement contribuer `a cet effet. L’effet de la mar´ee est aussi de r´eduire la maximum de sel et de temp´erature des eaux de la thermocline. Ceci a ´egalement un impact important sur la circulation ´equatoriale, car les TW de la Mer des Salomon alimentent le sous courant ´equatorial dont les eaux interagissent avec l’atmosph`ere dans le Pacifique ´equatorial est. Concernant les eaux interm´ediaire le rˆole du m´elange par la mar´ee est de r´eduire le minimum de sel, de r´echauffer l´eg`erement ces eaux et donc de cr´eer les IW moins denses. La cons´equence de ces changements de temp´erature et de salinit´e entre les deux mod`eles est que l’on a des eaux moins stratifi´ees dans la simulation avec mar´ee. Ainsi donc la mar´ee favorise le m´elange diapycnal sur la verticale . J’ai pu constater que les variations temporelles de la stratification ´etaient moins fortes dans le mod`ele avec mar´ee mais surtout que la mar´ee semble r´eduire les ´ecarts de stratification `a l’´echelle interannuelle.
La mar´ee interne a ´egalement des impacts sur le courant moyen (MKE) et la m´eso´echelle (EKE) mˆeme si ceux-ci sont relativement faibles. Nous avons montr´e qu’au premier ordre les courants de bord sont associ´es aux instabilit´es barotropes alors que les courants de surface sont
Chapitre 8. M´eso/sous m´eso´echelle et mar´ee interne en mer des Salomon
associ´es aux instabilit´es baroclines. Si la mar´ee ne semble pas avoir d’effet sur les instabilit´es barotropes, elles semblent par contre impacter les instabilit´es baroclines et l’EKE de surface.
Chapitre 9
Conclusion et Perspectives
L’oc´ean Pacifique tropical et la mer des Salomon en particulier sont des r´egions cl´es dans le syst`eme climatique avec les courants de bord ouest de la mer des Salomon connectant les r´egions subtropicales aux r´egions tropicales et ´equatoriales. Les oc´eans tropicaux se caract´erisent par des courants zonaux tr`es ´energ´etiques, un r´egime dynamique faiblement non lin´eaire domin´e par des syst`emes ondulatoires de grande ´echelle et une large gamme de m´eso et sous m´eso´echelle o`u ondes et turbulence interf´erent en permanence. Le Pacifique tropical se caract´erise ´egalement par une forte activit´e d’ondes de mar´ee internes, celles-ci sont particuli`erement intense dans le Pacifique sud-ouest et la mer des Salomon. Ces sp´ecificit´es du Pacifique tropical se traduisent par des spectres du niveau de la mer en nombre d’onde qui diff`erent largement entre mod`ele et altim´etrie.
Le premier objectif de la th`ese a vis´e `a mieux appr´ehender la dynamique tropicale `a travers l’analyse spectrale et `a comprendre les diff´erences spectrales entre les mod`eles et les observations altim´etriques. Les r´esultats apportent des informations sur l’observabilit´e du niveau de la mer altim´etrique pour la dynamique tropicale. Ce travail se base sur une simulation num´erique globale au 1/12° de r´esolution extraite sur le Pacifique tropical et des simulations r´egionales au 1/36° de r´esolution du Pacifique sud-ouest, incluant la mer des Salomon, forc´ee ou non par la mar´ee explicite. Les r´esultats des donn´ees altim´etriques de TOPEX/Poseidon, Jason et Saral/AltiKa sont confront´es `a ceux issus de la mod´elisation.
Le second objectif se concentre sur la dynamique haute fr´equence, associ´ee aux ondes internes de mar´ee, et ses impacts sur la circulation et les masses d’eaux de la mer des Salomon. Le choix de la mer des Salomon a ´et´e dict´e par le fait qu’elle int`egre `a la fois de forts courants de bord ouest, une forte activit´e m´eso-´echelle et une forte activit´e d’ondes internes. C’est un laboratoire int´eressant pour l’´etude des interactions de ces diff´erents ´el´ements. De plus, ce travail s’ins`ere dans la continuit´e des efforts de mod´elisation mis en place dans le cadre du programme CLI- VAR/SPICE. Cette ´etude se base sur les simulations r´egionales au 1/36° de la mer des Salomon incluant ou non la mar´ee explicite. Les d´eveloppements effectu´es au LEGOS afin d’extraire le plus proprement possible la mar´ee interne ont permis de mieux d´efinir ses caract´eristiques en mer des Salomon. L’usage des deux configurations avec et sans mar´ee est fait dans l’int´erˆet de pouvoir mettre en ´evidence les effets de la mar´ee sur la m´eso-´echelle et les masses d’eaux de la fa¸con la plus propre possible. La mise en place des outils de calculs des spectres a ´et´e l’occa- sion de revisiter les principes du calcul d’un spectre et notamment le pr´etraitement des donn´ees
En effet, je me suis aper¸cu que les conditions couramment appliqu´ees pour le calcul des spectres en nombre d’onde du niveau de la mer afin de documenter `a l’´echelle globale la circula- tion oc´eanique n’´etaient pas adapt´ees aux r´egions tropicales. En g´en´eral la longueur des segments utilis´es est trop courte pour capter au mieux les ´echelles de la dynamique tropicale, ceci induit des effets de repliement des spectres et participent `a l’aplatissement de ceux-ci. De mˆeme, la fenˆetre d’apodisation de Tukey 0.1 classiquement utilis´ee en altim´etrie induit dans les tropiques des effets ind´esirables dans la gamme de longueur d’onde de la m´eso-echelle. Il est apparu que le calcul des spectres devient robuste si l’on utilise une fenˆetre d’apodisation de Tukey 0.5 ou Hanning sur des segments de 20° pour la r´egion ´equatoriale (10°N-10°S) et de 10° pour la r´egion tropicale ou non ´equatoriale (10°-20°NS). Ce travail plutˆot technique peut servir comme une recommandation pour les analyses spectrales futures dans la bande ´equatoriale.
Dans la premi`ere partie de ce travail, je me suis int´eress´e `a la dynamique tropicale et no- tamment `a la m´eso et sous m´eso-´echelle tropicale, j’ai utilis´e une extraction du mod`ele NEMO au 1/12° sur le Pacifique tropical. En effet la majorit´e des travaux sur la dynamique tropicale se concentrent autour des ondes longues ´equatoriales qui sont effectivement l’´el´ement majeur de la dynamique tropicale, mais tr`es peu de travaux s’int´eressent `a la m´eso-´echelle tropicale alors que cette gamme d’´echelle moins ´energ´etique est celle o`u se traduisent les diff´erences spectrales entre mod`ele et altim´etrie. Suivant les travaux de Theiss (2004), j’ai consid´er´e que cette m´eso-´echelle tropicale pouvait se d´efinir par les mouvements aux ´echelles temporelles inf´erieures `a 90 jours et/ou aux ´echelles spatiales inf´erieures `a 600 km.
La signature spectrale de cette dynamique a ´et´e ´etudi´ee au travers de la repr´esentation en 2D ou 1D de spectres en nombre d’ondes d’´energie (EKE) ´evalu´es sur les trois dimensions (x : longitude, y : latitude et t : le temps) et int´egr´es sur diff´erentes bandes de fr´equences afin de s´eparer haute et basse fr´equence. Deux r´egimes dynamiques distincts se distinguent entre la r´egion ´equatoriale (10°N-10°S) et les r´egions tropicales (10°-20°NS). La r´egion ´equatoriale exhibe des mouvements basses fr´equences centr´ees sur les tr`es grandes longueurs d’onde zonale, qui traduisent la signature g´eostrophique des ondes longues ´equatoriales se propageant zonalement. Les mouvements haute fr´equence (< 90 jours) dans cette partie du Pacifique pr´esentent deux structures ´energ´etiques. Une premi`ere centr´ee sur les grandes longueurs d’onde zonale qui est repr´esentative des ondes de Kelvin intrasaisonni`eres et la seconde structure centr´ee sur une ´
echelle zonale autour de 1000 km correspond au signal des TIWs. Ce signal des TIWs est associ´e `a une forte anisotropie domin´ee par les ´echelles m´eridiennes et `a une forte composante ag´eostrophique. De la mˆeme fa¸con que pour l’EKE, le spectre de transfert non lin´eaire d’´energie montre une s´eparation entre haute et basse fr´equence, entre mouvements zonaux et m´eridiens. Le spectre de flux basse fr´equence se caract´erise par une cascade inverse des mouvements zonaux pour toutes les ´echelles dont le maximum est atteint autour de 1600 km. Le spectre de flux haute fr´equence (< 90 jours) montre des ´echelles bien marqu´ees. Il se caract´erise par une cascade directe pour les longueurs d’ondes inf´erieures `a 500 km, une cascade inverse avec un maximum autour de 600 km et un changement de signe de la cascade `a partir de 1000 km. La cascade directe vers les petites ´echelles semble se faire de mani`ere isotrope alors que la cascade inverse est largement anisotrope et domin´ee par les mouvements zonaux.
Chapitre 9. Conclusion et Perspectives
Les r´egions tropicales (10°-20°NS) ont une distribution de l’´energie qui montre clairement une anisotropie zonale avec des propagations pr´ef´erentiellement vers l’ouest pour les longueurs d’onde sup´erieures `a v200 km. Pour les longueurs d’onde inf´erieures `a 100 km les signaux deviennent de plus en plus isotropes. La d´ecomposition en haute et basse fr´equence montre que :
1. L’´energie basse fr´equence est associ´ee aux longueurs d’ondes sup´erieures `a 350 km et `a des propagations zonales caract´eristiques des ondes de Rossby,
2. L’´energie haute fr´equence (< 90 jours) est associ´ee aux longueurs d’ondes inf´erieures `a 500 km et `a des propagations principalement m´eridiennes. Il semble qu’il y ait un continuum d’´energie entre la haute et la basse fr´equence avec des structures sous m´eso´echelle allong´ees pr´ef´erentiellement dans la direction m´eridienne et des structures zonales sous formes d’ondes longues basses fr´equences ou de jets zonaux.
Le spectre de flux non lin´eaire d’´energie montre une petite cascade directe isotrope pour les ´
echelles inf´erieures `a 100 km et pour les plus grandes longueurs d’onde une importante cascade inverse qui est maximum autour de 250 km. Si elle commence `a s’att´enuer `a partir de 250 km, elle continue d’exister jusqu’aux tr`es grandes ´echelles en privil´egiant les ´echelles zonales. Ces r´esultats sont consistent avec la th´eorie de la turbulence g´eostrophique sur le plan β o`u la cascade inverse est `a mˆeme de g´en´erer des jets zonaux.
Les spectres 1D en nombre d’onde horizontal (int´egration azimutal du spectre 2D) ont ´et´e calcul´e, sous cette forme, ils sont comparables `a ceux de l’altim´etrie. Le spectre d’EKE en nombre d’onde horizontal montrent un pic d’´energie autour de v900 km pour la r´egion ´equatoriale et autour de v300 km pour les r´egions tropicales. La bande 250-70 km se r´ev`ele ˆetre appropri´ee pour le calcul des pentes spectrales seulement dans les r´egions tropicales, en r´egion ´equatoriale cette bande correspondrait certainement `a de la dissipation. Les spectres 1D se caract´erisent par des pentes en k–3,–4 consistantes avec la turbulence quasi g´eostrophique. On peut douter de l’int´erˆet de ce genre d’interpr´etation alors que la dynamique est faiblement non lin´eaire. Ces spectres 1D int`egrent toutes les directions ainsi que toutes les fr´equences et donc ne permettent pas d’interpr´eter correctement le signal. Aussi l’instabilit´e barocline est loin d’ˆetre la seule source d’´energie dans les r´egions tropicales. Aux grandes ´echelles, l’instabilit´e barotrope est un ´el´ement important de la dynamique ´equatoriale, et aux petites ´echelles la turbulence associ´ee `a la fron- togen`ese ou aux instabilit´es de couche m´elang´ee sont autant de sources d’´energie qui devraient se traduire par des pentes autour de k–2 du spectre d’EKE. Ces pentes sont cens´ees ˆetre repr´e- sentatives d’une gamme d’´echelle inertielle, or les tropiques r´epondent rapidement au for¸cage du vent et ce `a toutes les ´echelles et on peut douter de l’existence d’une gamme d’´echelle purement inertielle.
Si ces analyses spectrales sont int´eressantes pour caract´eriser sous un angle nouveau la dy- namique tropicale, elles n’apportent pas de r´eponses quant aux diff´erences spectrales entre les mod`eles et l’altim´etrie. Mˆeme si la composante g´eostrophique de la circulation ainsi que les techniques de traitement (longueurs de segment trop courte, fenˆetre d’apodisation mal adap- t´ee) ont tendance `a aplatir l´eg`erement le spectre du mod`ele, celui-ci exhibe une pente qui ne correspond pas `a celle du spectre de SSH altim´etrique. En fait, l’aplatissement du spectre al- tim´etrique s’explique par la forte signature des ondes internes notamment de la mar´ee interne qui augmentent l’´energie aux petites ´echelles. J’ai pu le montr´e en ´etudiant conjointement des
la signature spectrale en SSH aux petites ´echelles spatiales et aplatit l´eg`erement le spectre. Mais la mar´ee barocline M2 coh´erente est le signal dominant `a 140 km et `a bon nombre des longueurs d’ondes associ´ees aux diff´erentes modes verticaux. La M2 coh´erente augmente la puissance spec- trale en SSH tout en rapprochant le spectre du mod`ele `a celui de l’altim´etrie. Aux plus courtes longueurs d’onde (< 50 km), le spectre de SSH est domin´e par le signal de la mar´ee incoh´erente. Notez que, les ondes internes de la mar´ee coh´erente et incoh´erente ont une signature en SSH qui se fait sentir jusqu’`a la longueur d’onde 200 km. C’est la premi`ere fois que l’on a pu illustrer aussi quantitativement la signature des ondes internes et de mar´ee dans les spectres de niveau de la mer altim´etrique. Ces travaux ont fait l’objet d’un article publi´e `a Ocean Sciences.
La seconde partie de mon travail s’est concentr´ee en premier sur la caract´erisation de la mar´ee interne coh´erente en mer des Salomon et en second sur l’´evaluation des effets de la mar´ee `a la fois sur l’activit´e m´eso-´echelle et sur les modifications de masses d’eaux. Ce travail a tir´e profit des travaux de th`ese de Nugroho (2017) dans lequel la probl´ematique de mar´ee est abord´ee pour la r´egion Indon´esienne. La r´egion indon´esienne et la mer des Salomon sont des r´egions cl´es pour les transformations de masses d’eaux qui conditionnent une partie de la circulation tropicale et globale. Les zones de g´en´eration, de propagation et de dissipation de la mar´ee interne en mer des Salomon sont d´esormais bien identifi´ees. Ces r´esultats mettent en avant l’onde M2 et le premier mode barocline comme ´etant la signature majoritaire de la mar´ee interne en mer des Salomon. La mar´ee interne se propage principalement du d´etroit des Salomon et de l’extr´emit´e sud-est de la Papouasie Nouvelle Guin´ee vers le centre de la mer des Salomon o`u une interaction des mar´ees provenant de ces deux points doit avoir lieu. De plus, elles interagissent avec les courants de bord ouest et la circulation m´eso-´echelle. Cette interaction est `a double sens puisque les caract´eristiques de la mar´ee interne sont `a mˆeme de changer en fonction de l’´etat moyen de la mer des Salomon illustr´e ici par des conditions El Nino ou La Nina, et la mar´ee interne va ´egalement avoir un rˆole sur l’´energ´etique du syst`eme et les propri´et´es des masses d’eaux. La mar´ee interne a tendance `a modifier localement le niveau d’´energie turbulente ainsi que l’´energie de la circulation moyenne. Elle induit un m´elange diapycnal qui est plus perceptible pour les masses d’eaux ayant des extr´emit´es en temp´erature ou en sel : Dans les couches de la thermocline le m´elange se traduit par une ´erosion du maximum de sel caract´eristique de ces couches, les couches de surface deviennent plus sal´ees et plus froides tandis que dans les couches des eaux interm´ediaires, le minimum de sel est ´erod´e. J’ai commenc´e `a ´etudier les ´equilibres ´
energ´etiques en mer des Salomon pour mieux comprendre les relations entre mar´ee, turbulence et m´elange. Ce travail bien qu’en cours montre que la mar´ee a une tendance `a augmenter les instabilit´es baroclines.
Les r´esultats de ce travail de th`ese ouvrent plusieurs pistes de r´eflexion pour l’avenir. L’im- portance de la mar´ee interne dans les variations du niveau de la mer dans les tropiques, mis en avant dans mes r´esultats, a des implications pour toutes les analyses altim´etriques along- track , et pour la future mission SWOT. Avant 2014, les donn´ees along-track ´etaient filtr´ees `a 250 km dans la bande tropicale avant d’ˆetre interpol´ees pour la construction des cartes multi-missions DUACS-AVISO. Depuis, les nouvelles cartes DUACS sont construites `a partir
Chapitre 9. Conclusion et Perspectives
des donn´ees alongtrack filtr´ees `a 70 km, une longueur d’onde correspondante au niveau de bruit blanc des missions Jason () (Pujol et al., 2018). Ces nouvelles cartes maintiennent plus d’´energie turbulente `a m´eso-´echelle, mais la pr´esence des ondes internes de la mar´ee a ´et´e r´ev´el´ee