Etudes et évaluation de processus océaniques par des hiérarchies ...
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18 CHAPITRE 3. DYNAMIQUE OCÉANIQUE ET NOTION D’ECHELLE dynamique à des échelles plus petites peut se faire par une résolution explicite ou une parametrisation de ses effets sur la dynamique à grande échelle, si elle est efficace. Pour la circulation de gyre il est reconnu que la dynamique dites de méso-échelle, l’échelle du premier rayon de Rossby barocline (environ 50km dans la région du Gulf Stream), est essentielle pour la compréhension de la circulation gyre. En effet, on estime que l’énergie cinétique dans les structures de méso-échelle est supérieure à l’énergie cinétique de la circulation gyre, dont, toutefois, la plus grande partie de l’énergie totale est stockée sous forme d’énergie potentielle disponible. La dynamique méso-échelle est supposée chaotique (voir section 4.2). Une très grande partie des efforts de recherche des dernières années en océanographie ont pour but de trouver des fermetures efficaces modélisant les effets de la dynamique méso-échelle sur la circulation de gyre. Une supposée séparation d’échelles entre la circulation de gyre ( ≈ 1000km) et les structures méso-échelles a laissé espérer de trouver une telle fermeture. En révisant certaines hypothèses sur lesquelles une majeure partie de ces paramétrisations sont basées, et à l’aide des résultats de simulations numériques, j’ai montré leurs faiblesses (voir section 4.2). Toutefois, l’état de l’art de la simulation numérique de la dynamique des océans ainsi que les moyens de calcul ont aujourd’hui atteint un niveau où la dynamique méso-échelle commence à être explicitement résolue. Dans un futur proche, les simulations de la circulation globale seront réalisées à une résolution inférieure à environ 5km. La majeur partie de la dynamique méso échelle sera explicitement résolue, et ne nécessitera plus de paramétristation. La dynamique des océans ne s’arrête toutefois pas à la méso-échelle. En effet, il y a sept ordres de grandeur entre la méso-échelle et la très petite échelle à laquelle l’énergie est dissipée. Les images satellitaires récentes de la couleur de l’eau de surface montrent en effet clairement des structures filamentaires subméso-échelle d’une extension horizontale de seulement quelques kilomètres (voir fig. 3.3). La dynamique à ces échelles est influencée ou dominée par la rotation, la stratification et la topographie dont l’importance relative varie avec l’espace, le temps et l’échelle considérée. Toute échelle inférieur à la méso-échelle, j’appelle la subméso-échelle. Des processus de subméso-échelles, le sujet principal de ma recherche récente, ne jouent pas un rôle passif, ne sont pas gouvernés par la dynamique méso échelle (voir Müller et al. 2005). Au contraire, les processus de subméso-échelles agissent sur la dynamique à des échelles de taille supérieure, la méso-échelle et influencent de façon indirecte la dynamique de gyre. On peut supposer qu’une compréhension fine de la dynamique océanique à la méso-échelle, et de la circulation globale des océans, n’est pas possible sans tenir compte de l’influence de la sub-méso-échelle. L’énergie cinétique est injectée dans l’océan à des grandes échelles spatiales, principalement par la tension du vent à sa surface (voir fig. 3.4). L’instabilité barocline et l’instabilité barotrope transfèrent une partie de cette énergie à la méso-échelle. La dynamique des échelles supérieures à la méso-échelle est bien représentée par la dynamique des “balanced equations” et possède une cascade d’énergie inverse vers les grandes échelles. L’énergie peut toutefois seulement être dissipée, transformée en énergie interne, aux très petites échelles, de l’ordre du centimètre, où les termes de dissipation et de viscosité moléculaire dominent. Les mécanismes du transport d’énergie de la grande ou la mésotel-00545911, version 1 - 13 Dec 2010
3.1. LA CIRCULATION OCÉANIQUE À GRANDE ECHELLE SOUMISE À L’INFLUENCE DE LA S tel-00545911, version 1 - 13 Dec 2010 Fig. 3.3 – Dynamique méso et subméso-échelle dans le Golf de Gascogne (06/05/2005) composition en fausse couleur (rgb) à partir des données du capteur MERIS (ENVISAT, ESA), la domaine montrée mesure eviron 400km de côté. échelle vers la très petite échelle restent une énigme à ce jour. Les couches limites aux frontières verticales jouent un rôle important dans l’extraction de l’énergie cinétique, et l’importance de la dynamique intérieur, où la majeur partie de l’énergie se trouve, n’est pas comprise aujourd’hui. Certains processus de subméso-échelle jouent forcément un rôle prééminent dans le transport de l’énergie de la grande échelle où elle est injectée vers les très petites échelles où elle est dissipée. Ils sont susceptibles de drainer de l’énergie des échelles supérieures à la méso-échelle vers les subméso échelles, à partir desquelles la turbulence tri-dimensionelle permet une cascade d’énergie vers les échelles où des effets visqueux dominent. La subméso-échelle est alors susceptible de contenir une gamme d’échelles où une transition d’une dynamique gouvernée par les “balanced equations” avec une cascade d’énergie inverse, vers une dynamique d’une cascade direct a lieu. Cette transition est clé pour la compréhension de la dynamique océanique. La gamme d’échelle de la méso à l’échelle dissipative comporte sept ordres de grandeurs. Les observations et simulations montrent que la dynamique à ces échelles est composée de plus que des structures fines et passives de la dynamique quasi géostrophique à la méso-échelle, mais la dynamique subméso-échelle est un acteur qui influence la dynamique de l’océan global. La
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Fig. 3.3 – Dynamique méso <strong>et</strong> subméso-échelle dans le Golf <strong>de</strong> Gascogne (06/05/2005)<br />
composition en fausse couleur (rgb) à <strong>par</strong>tir <strong>de</strong>s données du capteur MERIS (ENVISAT,<br />
ESA), la domaine montrée mesure eviron 400km <strong>de</strong> côté.<br />
échelle vers la très p<strong>et</strong>ite échelle restent une énigme à ce jour. Les couches limites aux<br />
frontières verticales jouent un rôle important dans l’extraction <strong>de</strong> l’énergie cinétique, <strong>et</strong><br />
l’importance <strong>de</strong> la dynamique intérieur, où la majeur <strong>par</strong>tie <strong>de</strong> l’énergie se trouve, n’est<br />
pas comprise aujourd’hui. Certains <strong>processus</strong> <strong>de</strong> subméso-échelle jouent forcément un rôle<br />
prééminent dans le transport <strong>de</strong> l’énergie <strong>de</strong> la gran<strong>de</strong> échelle où elle est injectée vers<br />
les très p<strong>et</strong>ites échelles où elle est dissipée. Ils sont susceptibles <strong>de</strong> drainer <strong>de</strong> l’énergie<br />
<strong>de</strong>s échelles supérieures à la méso-échelle vers les subméso échelles, à <strong>par</strong>tir <strong>de</strong>squelles<br />
la turbulence tri-dimensionelle perm<strong>et</strong> une casca<strong>de</strong> d’énergie vers les échelles où <strong>de</strong>s eff<strong>et</strong>s<br />
visqueux dominent. La subméso-échelle est alors susceptible <strong>de</strong> contenir une gamme<br />
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avec une casca<strong>de</strong> d’énergie inverse, vers une dynamique d’une casca<strong>de</strong> direct a lieu. C<strong>et</strong>te<br />
transition est clé pour la compréhension <strong>de</strong> la dynamique océanique. La gamme d’échelle<br />
<strong>de</strong> la méso à l’échelle dissipative comporte sept ordres <strong>de</strong> gran<strong>de</strong>urs. Les observations<br />
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structures fines <strong>et</strong> passives <strong>de</strong> la dynamique quasi géostrophique à la méso-échelle, mais la<br />
dynamique subméso-échelle est un acteur qui influence la dynamique <strong>de</strong> l’océan global. La
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