SUBMESO   :  
    Research  Plan &  Calendar
( 04-Sep-2003 / mL/mpT)
   
   
 
  1. Etudes de processus en canal périodique
  2. Rationalisation de le cas d’une turbulence en équilibre statistiquement stationnaire
  3. Quantification à partir d’images satellites multi-capteurs
  4. Impacts des processus sub-mésoéchelle sur les flux biogéochimiques aux échelles d'un bassin océanique et d'un cycle saisonnier.
   
 
  1. Impacts des processus sub-mésoéchelle sur les flux biogéochimiques aux échelles d'un bassin océanique et d'un cycle saisonnier
  2. Paramétrisations
  3. Quantification à partir d’images satellites multi-capteurs.
   
   
Plan de recherche pour 2002-2003
 
1. Etudes de processus en canal périodique
   
  1.1 Rôle du forçage par le vent
   
 
Une étude est menée sur le rôle de l'interaction entre la dynamique sub-mésoéchelle et les ondes inertielles générées par des coups de vent. Des études dynamiques ont montré que les ondes inertielles se piègent préférentiellement dans les filaments de vorticité négative, au niveau des zones de fort gradient (Young et Ben Jelloul, 1997). Ce piégeage induit une augmentation du mélange vertical, et il est donc susceptible d'augmenter les apports de nitrate dans des zones de petite échelle où l'advection verticale de nitrate est déjà forte. Les mécanismes de transport verticaux induit par ces ondes sont étudiés dans le cadre de la configuration Lévy et al. (2001) à 2km de résolution. Les simulations sont cette fois forcées par un vent variable, de sorte à exciter les ondes d'inertie et à stimuler le mélange vertical. Les premiers résultats montrent que le transport par mélange vertical lié aux ondes est du même ordre de grandeur que le transport advectif seul en l'absence de vent (Fig. 2). En présence de vent, les apports de nitrate a sub-mesoéchelle seraient donc le double de ce qui a été précédemment estimé dans Lévy et al (2001). Des expériences sont en cours pour étudier la sensibilité de ce terme de transport à la fréquence et à l'intensité des coups de vent. Afin de préciser ces résultats, un outil diagnostique qui permettra de discriminer le champ d'ondes de haute fréquence de l'écoulement frontal doit être également développé.
   
  1.2 Impact de la dynamique sub-mésoéchelle sur les échanges air-mer de CO2
   
 
L'impact de la dynamique sub-mésoéchelle sur les échanges air-mer de CO2 n'est pas trivial car cette dynamique modifie à la fois la température de surface, la concentration en carbone inorganique dissous et la production nouvelle. Selon l'importance relative de ces trois facteurs, elle pourra soit conduire à une augmentation des flux air-mer de CO2, soit au contraire à une diminution de ces flux. Afin de mieux appréhender la complexité de ses processus extrêmement non-linéaires, les expériences de Lévy et al. (2001) sont maintenant réalisées avec un modèle biogéochimique plus complet, qui inclut une représentation explicite du cycle du carbone océanique. Différentes expériences sont en cours, à 2 km de résolution, et pour différentes conditions initiales, qui varient en fonction des ratio carbone total/température et carbone total/nitrate.
 

img

Figure 2 : New production in a periodic canal experiment with 2 km resolution, with (right figure) and without (left figure) wind. In both cases, production is particularly enhanced in vorticity filaments. The sub-mesoscale nutrient supply to the euphotic layer is strongly increased by the action of inertal waves generated by the wind.

   
2. Rationalisation de le cas d’une turbulence en équilibre statistiquement stationnaire
 
 
 

Afin d'isoler l'influence de la dynamique sub-mésoéchelle, les expériences de Lévy et al. (2001) sont volontairement idéalisées : seule une longueur d'onde instable est considérée, et les simulations n'excédent pas un mois. La quantification exacte de l'importance de ces processus ne peut cependant se faire que dans un cadre plus général, où un certain nombre de tourbillons peuvent se développer du fait du phénomène de cascade inverse, ce qui permet de représenter les interactions entre les différentes échelles de manière plus réaliste. A partir d'expériences longues correspondant à des situations de turbulence en équilibre statistiquement stationnaire, nous tenterons de généraliser les résultats obtenus, et d'évaluer la contribution plus spécifiques des interactions entre structures d'échelles différentes.


Le contexte physique est celui d'un état turbulent forcé-dissipatif en équilibre statistiquement stationnaire. Dans un premier temps, des expériences dynamiques ont permis de mettre au point la configuration de forçage nécessaire à l´établissement d'un champ de tourbillons dont les caractéristiques sont les plus proches possible de ce qui est observé aux latitudes moyennes. Les expériences se font en canal périodique. Le premier mode barocline est excité par un rappel en température reparti sur toute la colonne d'eau. La résolution utilisée dans ces expériences préliminaires est de 6 km, ce qui n’est pas suffisant pour correctement résoudre la sub-mésoéchelle, mais qui a permis de vérifier la faisabilité de l’étude. Ces expériences dynamiques ont été couplées à un modèle biologique, pour un régime oligotrophe (Fig. 3).


Dans un deuxième temps, des expériences similaires seront menées mais avec une résolution plus élevées, ce qui permettra de mieux résoudre la sub-mésoéchelle. Le premier mode barocline sera excité par un forçage thermique source/puits reparti sur toute la colonne d'eau aux frontières nord et sud du domaine. L'intérêt d'un tel forçage est qu'il conduit le système vers un état où le gradient méridional de vorticité potentiel est négatif dans les basses couches. Sur la base de ces expériences, nous comparerons les échelles propres de la dynamique (vorticité, température) et celle des traceurs biologiques (phytoplancton, zooplancton) (Fig. 3). Nous chercherons à rationaliser la distribution des traceurs biologiques à l'aide de critères dynamiques de plus grande échelle (Laypere et al., 2001).

 

 

Figure 3 : vorticity, SST, phytoplankton and zooplankton small scale variability as simulated from the preliminary experiments in steady-state turbulence

   
3. Quantification à partir d’images satellites multi-capteurs
 
 
 
Les images satellites à haute résolution constituent une base de donnée idéale pour l’étude des interactions à petite échelle entre la dynamique et la biogéochimie, et sont encore largement inexploitées. Les capteurs Sea-Wifs et AVHRR permettent depuis quelques années l'observation à la surface des océans de deux traceurs, la température et la chlorophylle (pigment photosynthétique), avec une résolution spatiale de 1 km et une résolution temporelle quotidienne. En outre, le capteur Topex-Poseidon permet de localiser avec une assez bonne précision l’activité tourbillonnaire, et donc les zones où la sub-mésoéchelle peut être active.
L’objectif de ce travail est d’analyser et de quantifier le rôle de la dynamique sub-mésoéchelle sur le mélange de traceurs et sur la production primaire, à partir des informations de natures différentes provenant de ces trois capteurs. (la possibilité d’utiliser le capteur couleur de l’océan MERIS en plus de SeaWiFS sera également envisagée et cela afin d’accroître la couverture temporelle affectée par la présence des nuages). L’analyse se focalisera sur trois zones de l’Atlantique, le Gulf Stream, l’Atlantique Nord-Est, et l’upwelling du Benguela. Ce choix permet d’aborder le problème physique dans des régimes hydro-dynamiques et biologiques très contrastés. Les résultats obtenus seront confrontés à des d’informations indépendantes, provenant d’observations bateau (nombreuses dans les trois régions) et de modèles (notamment dans l’Atlantique Nord-Est, dans le cadre du programme Pomme).
Pour chaque région, il s’agira de quantifier la part de la variabilité à petite échelle de la chlorophylle par rapport à la variabilité à plus grande échelle, de relier cette variabilité à celle de la température et de l’activité tourbillonnaire, et d’identifier ainsi les mécanismes physiques qui en sont responsable. Les images seront analysées en utilisant des méthodes statistiques classiques telles que covariation entre variables, de méthodes de classification par réseaux de neurones, et des analyses Fourier de spectres de variance. La pente de spectres obtenus pour la chlorophylle et la température seront comparées aux pentes théoriques prédites pour des traceurs passifs ou actifs, dans le cadre de la turbulence quasi-géostrophique et frontale-géostrophique. Cette comparaison permettra de déterminer à quelles échelles la distribution de phytoplancton est contrôlée par la dynamique, et de quantifier la part de la variance introduite à petite échelle par les vitesses verticales.
Cette étude débutera dans le cadre d’un stage de DEA en 2002, qui sera éventuellement poursuivit en thèse. Les résultats de ce stage permettront de définir des directions d’études plus précises pour les années ultérieures.
 
4. Impacts des processus sub-mésoéchelle sur les flux biogéochimiques aux échelles d'un bassin océanique et d'un cycle saisonnier.
 
 
 

Les études de processus en canal périodique nous ont permis d'identifier et d'étudier les processus dynamique à sub-mésoéchelle qui modifient les flux biogéochimiques. Ces études ont été focalisées sur des domaines de faible extension et sur de courtes périodes de temps. Elles ont permis de mettre en évidence l’importance de la sub-mésoéchelle, mais de nombreuses questions restent en suspend :

- Au niveau dynamique, quel est l'impact de cette dynamique de très petite échelle sur la circulation moyenne dans un bassin océanique ?
- Au niveau biogéochimique, quel est l'impact de cette dynamique sur les bilans de flux à l'échelle d'un bassin et d'un cycle saisonnier ?
- Quel est le devenir de la matière organique qui est subductée à sub-mésoéchelle, et quel l'impact de ce processus de subduction sur la distribution à grande échelle des sels nutritifs ?
- L’intensité et la nature des interactions entre dynamique sub-mésoéchelle et flux biogéochimique varie t’elle en fonction du régime turbulent et du régime biologique ?

Seule une étude à l’échelle d’un bassin peut permettre de répondre à ces questions. Mais il n'est pas encore envisageable de conduire des expériences numériques avec une résolution horizontale de 2 à 3 km sur un domaine couvrant l’ensemble d’un bassin océanique. L´étude proposée sera donc basée sur une configuration académique de double-gyre de dimension réduite (typiquement 1500 km x 1500 km), ce qui permettra d'utiliser des plus hautes résolutions. L'activité mésoéchelle sera générée par l'instabilité du courant de bord ouest. La circulation en double-gyre sera forcée par le vent. Un forçage saisonnier en flux de chaleur forcera une circulation thermohaline et induira la variabilité saisonnière de la profondeur de la couche de mélange. Les résultats escomptés seront complémentaires de ceux établis en configuration statistiquement stationnaire. En effet, dans le cas de la double gyre, l´étude permettra d'aborder différents régimes trophiques et différents niveaux d'énergie cinétique turbulente. Par contre, le nombre de structures mésoéchelles sera limité. Dans le cas statistiquement stationnaire, seul le régime oligotrophe et un niveau d'énergie cinétique turbulente seront traités, mais le nombre de structures cohérentes sera plus important.


Il est prévu de faire une série de simulations en augmentant progressivement l
a résolution. L’objectif est d’atteindre un cycle saisonnier à l’équilibre pour chaque résolution. Nous tenterons dans un premier temps différentes techniques. En particulier, nous testerons si l’équilibre haute-résolution est plus rapidement atteint en partant de l’état d’équilibre dans la résolution inférieure, ou en utilisant les champs dynamiques haute-résolution moyennés à plus basse résolution (méthode Degit développée par O. Aumont). Il s’agira en fait dans un premier temps de tester la puissance de ces méthodes, et la faisabilité de l’atteinte d’un état d’équilibre.

   
   
Plan de recherche pour 2004-2005
 
 
1. Impacts des processus sub-mésoéchelle sur les flux biogéochimiques aux échelles d'un bassin océanique et d'un cycle saisonnier
   
 
L’analyse scientifique des simulations double-gyre à haute résolution débutera à l’horizon 2004. Nous tenterons de répondre aux questions relatives aux modifications grande échelle des flux biogéchimiques et de l’état moyen de la distribution des nitrates induites par la prise en compte explicite de la dynamique sub-mésoéchelle.
   
2. Paramétrisations
   
 
Les modèles globaux actuels ne permettent pas de représenter les apports de nitrate à sub-mésoéchelle, car ils utilisent des résolutions horizontales insuffisantes. C'est une des raisons pour lesquelles ils sous-estiment systématiquement la production primaire. Par contre il est possible, à partir de diagnostiques grande échelle d'identifier dans ces modèles globaux les zones où l'activité mésoéchelle est susceptible d'être importante.
A la lumière des études précédentes où la sub-mésoéchelle est explicitement résolues, le transport vertical de nitrate induit par la mésoéchelle pourra être relié aux caractéristiques grande échelle de l’écoulement, en s’inspirant des idées développées par Laypere et al. (1999, 2000, 2001, Phys. Fluids). Il sera alors pertinent de se servir de ces études de processus pour développer des paramétrisations, puis de se servir de ces paramétrisations pour améliorer les modèles globaux.
Dans un premier temps, le transport de nitrate induit par l'instabilité barocline d'un front sera comparé à la pente moyenne des isopycnes au niveau de ce front ainsi qu'à l'énergie cinétique turbulente moyenne. Ce travail sera mené pour différents fronts, et différentes conditions biogéochimiques (eutrophe, mésotrophe, oligotrophe). Une première tentative de paramétrisation consistera à représenter le transport advectif par un accroissement adéquat du mélange vertical. Dans un deuxième temps, ces paramétrisations seront testées dans la configuration double-gyre. La capacité prédictive d'une configuration à plus basse résolution incluant cette paramétrisation sera comparée à celle de l'approche à haute résolution.
   
3. Quantification à partir d’images satellites multi-capteurs.
 
 
  Les études commencées en 2002-2003 seront poursuivies.

   
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES RECENTES DES MEMBRES DU PROJET
 
 

 

Faugeras, B., Levy, M., Memery, L., Blum, J., and J. Verron (2001). Estimating the parameters of a 1D biogeochemical model to assimilate date from the DYFAMED station in the North Western Mediterranean Sea, JMS, submitted to JMS.

Levy, M., Estubier, A, and G. Madec (2001). Choice of an advection scheme for biogeochemical models, GRL, 3725-3728.

Memery, L., Levy, M., Verant, S. and L. Merlivat (2001). The relevant time scales in estimating the air-sea CO2 exchange in a mid-latitude region : a numerical study at the Dyfamed station (NW Mediterranean Sea), DSR, in press.

Levy, M, Klein, P. and A.-M. Treguier (2001) Impacts of sub-mesoscale physics on phytoplankton production and subduction, JMR, 59, 535-565.

Lévy, M., Mémery, L., and G. Madec (2000).Combined effects of mesoscale process es and atmospheric high-frequency variability on the spring bloom in the MEDOC area, Deep-Sea Res, 47, 27-53.

Lévy, M., Visbeck, M. and N. Naik (1999). Sensitivity of primary production to different eddy parameterizations : a case study of the spring bloom development in the northwestern Mediterranean Sea, J. Mar. Res.,57, 1-24.

Lévy, M., Mémery, L., and G. Madec (1999) The onset of the spring bloom in the MEDOC  area : mesoscale spatial variability, Deep-Sea Res, 46, 1137-1160.

Levy, M., Memery, L., and G. Madec (1998). The onset of a bloom after deep winter convection in the North Western Mediterranean Sea: mesoscale process study with a primitive equation model, J. Mar. Syst., 16, 7-21.

Levy, M. , Memery, L., and J.-M. Andre (1998). Simulation of primary production and export fluxes in the NW MediterraneanSea, J. Mar. Res. , 56, 197-238.

 

Young, W. R. and Ben Jelloul, M., 1997, Propagation of near inertialoscillations through ageostrophic flow, JMR, 55, 735-766.

Ben Jelloul , M. and Zeitlin , V., 1999, Remarks on the stability of the rotating shallow water vortices in the frontal dynamics regime, Nuovo Cimento, 22, 931-941.

Reznik, G. and Zeitlin V. and Ben Jelloul, M., 2001, Nonlinear Theory of the Geostrophic  Adjustment. Part One: Rotating Shallow WaterModel, JFM, 445, 93-120.

Ben Jelloul, M. and Carton, X., 2001, Asymptotic Models and their Application to Vortex Dynamics, Advances in Mathematical Modeling of the Atmosphere and Oceans, Kluwer Acad. Publ.

  ---o---

Mahadevan and D. Archer, 1998,``Modeling a Limited Region of the Ocean''

Journal of Computational Physics., 145, (2), 555-574.

A.Mahadevan and D. Archer, 2000.``Modeling the Impact of Fronts and Mesoscale Circulation on the Nutrient Supply and Biogeochemistry of the Upper Ocean''

Journal of Geophysical Research, 105, (C1), 1209-1225.

A. Mahadevan, 2001,``An Analysis of Surface Trends of Bomb Radiocarbon in the Pacific'', Marine Chemistry}, 73, 273-290.

A. Mahadevan, J. Lu, S.P. Meacham and P. Malanotte-Rizzoli, 2002.``The Predictability of Large-Scale Wind-driven Flows'', Nonlinear Processes in Geophysics, 8, (in press).

A. Mahadevan and  J.W. Campbell, 2002.``Biogeochemical Variability at the Sea Surface'', Geophysical Research Letters,  (in press).

R.M. Ponte, A.Mahadevan, J. Rajamony and  R.D. Rosen, 2002``Uncertainties in Seasonal Wind Torques over the Ocean'', Journal of Climate, in press.

  ---o---

Dupont, F., D. N. Straub and C. A. Lin, 2002, Influence of a step-like coastline on the basin scale vorticity budget of mid-latitude gyre models,submitted to  Tellus.

Straub, D. N. 2002, Instability of 2D hydrostatic flows the 3D perturbations, under review in J. Atmos. Sci.

Scott, R. and  D. N. Straub 1998,  Small viscosity behavior of a homogeneous, quasigeostrophic ocean circulation model, J. of Mar. Res.,  56, 1225-1258.

Straub, D.N. 1998,  On thermobaric production of potential vorticity in the ocean, Tellus.

Straub, D.N. 1998,  Simple models of flow over sills:  planetary- and semi-geostrophic solutions, J. Phys. Oceanogr. , 28, 971-983.

  ---o---

H. Loisel and D. Stramski. 2000. Estimation of the inherent optical properties of natural waters from irradiance attenuation coefficient and reflectance in the presence of Raman scattering. Applied Optics. 39: 3001-3011.

H. Loisel, D. Stramski, B. G. Mitchell, F. Fell, V. Fournier-Sicre, B. Lemasle and M. Babin. 2001. Comparison of the ocean inherent optical properties obtained from measurements and inverse modeling. Applied Optics.40: 2384-2397.

H. Loisel, E. Bosc D. Stramski, K. Oubelker and P-Y. Deschamps. 2001. Seasonal variability of the backscattering coefficients in the Mediterranean Sea based on Satellite SeaWIFS imagery. Geophysical Research letters. 28: 4203-4206.

C. Dupouy, H. Loisel, J. Neveux, C. Moulin, S. Brown, J. Blanchot, A. Lebouteiller and M. Landry. Light-absorption and backscattering coefficients by microbial groups along 180 during an ENSO cold phase in the Pacific Ocean : a simulation test and an inversion of a POLDER image. Soumis Journal of Geophysical Research.

SUBMESO 
M.Lévy
 
 
OVERALL
>  Scientific aims
>  Research plan &
    calendar
>  Researchers & labs
    & publications
 
DATA
 
BIBLIOGRAPHY
>  List
 
PROJECT LIFE
>  Presentations
 
 
 
 
 
 
 
 
 
21-Nov-2008
© mpTorre/PROOF
page principale / home page page principale / home page
page principale / home page
* CNIL (2006) * CYBER 2007 *