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Thèse de doctorat

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Titre

La marée dans un modèle de circulation générale dans les mers indonésiennes

Auteur

Nugroho, Dwiyoga

Directeur de thèse

Koch-Larrouy, Ariane

Lyard, Florent

Gaspar, Philippe

Date de soutenance

2017-06-30

Établissement de soutenance

Université de Toulouse

Université Toulouse III - Paul Sabatier

École doctorale

Sciences de l'Univers, de l'environnement et de l'espace (SDU2E)

Structure de recherche

Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales (LEGOS), UMR 5566

Discipline

Océan, Atmosphère, Climat

Sujet

Sciences de l'environnement

Mots-clés en français

INDESO

Marée interne

Mélange

NEMO

Transformation de masses d'eau

Modes normaux

Résumé en français

Les mers Indonésiennes sont le siège de très fort courants de marée qui interagissent avec la topographie pour créer des ondes internes à la fréquence de la marée que l'on appelle marée interne. Certaines d'entres elles, vont se propager et se dissiper dans l'océan intérieur. Le mélange associé provoque la remontée d'eau plus froide et plus riche en nutriments en surface qui influence le climat tropical et toute la chaine des écosystèmes marins. Surveiller les ressources marines est l'objectif du projet INDESO, dont cette thèse fait partie. Prendre en compte le mélange induit par la marée interne n'est pas facile. En effet, le résoudre entièrement n'est pas possible car les échelles concernées par les différents processus des ondes internes varient de plusieurs milliers de kilomètres (propagation) à quelques centimètres/millimètres (dissipation). De plus en plus de scientifiques introduisent le forçage de la marée dans leur modèle mais sans savoir où va l'énergie et comment les ondes sont dissipées. Dans cette thèse nous cherchons à proposer des outils et des débuts de réponses pour participer à cette meilleure compréhension de la dissipation des ondes internes dans le modèle numérique d'océan NEMO. Nous proposons certaines quantifications que nous comparons aux anciennes paramétrisations. J'ai, tout d'abord, contribué à une étude d'INDESO sur la validation de NEMO grâce à de nombreux jeu de données. Ensuite, j'ai cherché à quantifier et à qualifier le mélange induit par l'introduction de la marée explicite dans le modèle, ainsi que son impact sur les masses d'eau. (c'est redit plus loin)Il produit un refroidissement de surface de 0.3°C avec des maxima atteignant 0.8°C au niveau des sites de génération des ondes internes. Le modèle reproduit 75% de l'énergie attendue de génération des ondes internes, en bon accord avec des études précédentes. L'essentiel de la dissipation a lieu horizontalement (19GW) est proche de celle induite par la paramétrisation couramment utilisée (16GW), alors que, dans la réalité, on s'attend principalement à une dissipation réalisée grâce à des processus verticaux. Le modèle, au dessus des zones de génération, est de façon surprenante en très bon accord avec les mesures in situ de dissipation obtenues lors de la campagne INDOMIX. Par contre, dans les régions distantes des sources de génération, le modèle surestime le mélange par rapport aux observations d'INDOMIX. Dans la dernière partie de cette thèse j'ai commencé à apporter des éléments de réponse à la quantification des puits d'énergie dans NEMO. J'ai pour cela travaillé avec le cas test COMODO, qui est une section d'un fluide stratifié constituée d'une plaine abyssale, d'un talus et d'un plateau, forcée par la marée et sans friction de fond. Le modèle T-UGOm, un modèle hydrodynamique de marée, est comparé au modèle NEMO. Dans ce cadre, nous avons développé une méthode originale pour séparer la marée barotrope de la marée barocline. Elle repose sur la projection en modes normaux. Cette méthode donne, à première vue, des résultats similaires à ceux obtenus grâce à la méthode plus classique de soustraction par la moyenne verticale. Cependant, lorsque l'on regarde plus en détail les diagnostiques d'énergie on trouve que la méthode de projection en modes normaux offre une plus grande précision et un plus grand réalisme pour séparer la marée barotrope de la marée barocline. Plus on monte dans des modes élevés plus les longueurs ondes se raccourcissent dans NEMO par rapport à T-UGOm. Par ailleurs, NEMO dissipe la marée barotrope dans la plaine abyssale, alors qu'il n'y a explicitement pas de friction. Ce ne peut pas être la diffusion verticael ou horizontale qui est à l'œuvre ici, car il n'y a pas de raison physique pour une diffusion sur un fond plat. Le meilleur candidat pour expliquer cette diffusion serait le couplage 2D/3D du time splitting de NEMO. Un travail est en cours pour appliquer cette méthode sur l'ensemble de l'archipel Indonésien.

Résumé en anglais

In the Indonesian seas, large tidal currents interact with the rough topography and create strong internal waves at the tidal frequency, called internal tides. Part of them will eventually propagate and dissipate far away from generation sites. Their associated mixing upwells cold and nutrient-rich water that prove to be critical for climate system and for marine resources. This thesis uses the physical ocean general circulation model, NEMO, as part of the INDESO project that aims at monitoring the Indonesian marine living resources. Models not taking into account tidal missing are unable to correctly reproduce the vertical structure of watermasses in Indonesian seas. However, taking into account this mixing is no simple task as the phenomena involved in tidal mixing cover a wide spectrum of spatial scales. Internal tides indeed propagate over thousands of kilometres while dissipation and mixing occurs at centimetric to millimetric scales. A model capable of resolving all these processes at the same time does not exist. Until now scientists either parameterised the tidal mixing or used models which only partly resolve internal tides. More and more scientists introduce explicit tidal forcing in their models but without knowing where the energy is going and how the internal tides are dissipated. This thesis intends to quantify energy dissipation in NEMO forced with explicit tidal forcing and compares it to the dissipation induced by the currently used parameterization. This thesis also provides new results about the quantification of the tidal energy budget in NEMO. I first contributed to an INDESO study that aimed at validating the model against several observation data sets. In a second and third study, I investigated the mixing produced in the model by explicit tidal forcing and its impact on water mass. Explicit tides forcing proves to produce a mixing comparable to the one produced by the parameterization. It also produces a significant cooling of 0.3 °C with maxima reaching 0.8°C in the areas of internal tide generation. The cooling is stronger on austral winter. The spring tides and neap tides modulate this impact by 0.1°C to 0.3°C. The model generates 75% of the expected internal tides energy, in good agreement with other previous studies. In the ocean interior, most of it is dissipated by horizontal momentum dissipation (19 GW), while in reality one would expect dissipation through vertical possesses. This value is close to the dissipation induced by the parameterization (16 GW). The mixing is strong over generation sites, and only 20% remains for far field dissipation mainly in the Banda and Sulawesi Seas. The model and the recent INDOMIX cruise [Koch-Larrouy et al. (2015)], which provided direct estimates of the mixing, are surprisingly in good agreement mainly above straits. However, in regions far away from the energy generation sites where INDOMIX found NO evidence of intensified mixing, the model produces too strong mixing. The bias comes from the lack of specific set up of internal tides in the model. More work is thus needed to improve the modeled dissipation, which is a theme of active research for the scientific community. I dedicated the last part of my thesis to the quantification of tidal energy sinks in NEMO. I first worked on a simple academic case: the COMODO internal tides test case, which analyses the behaviour of a vertically stratified fluid forced by a barotropic flow interacting over an idealized abyssal plain/slope/shelf topography without bottom friction. The results of the finite element T-UGOm hydrodynamic model are compared with those of NEMO. The central issue in calculating tidal energy budget is the separation of barotropic and baroclinic precesses. To this aim we developed an original method based on the projection on vertical modes. At first glance, this method compares well with the classical method of separation using the vertically averaged current. However, when looking into more details at energy budgets, vertical modes allow a cleaner and more realistic separation between barotropic and baroclinic tides. This precision will be very useful for the future SWOT mission. Also this method of separation allows quantification of the energy associated with each mode. This allowed us to identify an important bias in NEMO: The higher the mode is the shorter the NEMO wavelengths become compared to the T-UGOm wavelengths. NEMO also produces a strong numerical mixing that erodes the barotropic tides on the abyssal plain, where there is no bottom friction. The best suspect might be the 2D/3D coupling scheme implied by the NEMO's time splitting. This work pinpoints areas for reflection and investigation to improve how the model takes into account internal tides dissipation. Based on our separation method, work is in progress to better quantify tidal energy budget in the Indonesian Seas.

Numéro national de thèse

2017TOU30089

Date de publication

2018-01-11T10:21:40