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Theses Year : 2022

Ocean ventilation at the mesoscale

Ventilation de l'océan à méso-échelle

Abstract

Within the Earth’s climate system, the ocean is engaged as a huge reservoir of important properties such as heat and carbon, predominantly resulting from exchanges with the atmosphere on timescales from hours to millennia. Such large volume of storage in the ocean interior thus questions the mechanisms of water property transport and distribution, leading to the concept of ocean ventilation, a process that connects ocean surface waters with the interior. Commonly associated with an increase in density of surface waters, ventilation is typically interpreted as a downward transfer of water masses due to stability and other fine-scale processes. Understanding the dynamics and thermodynamics of water mass formation, ventilation and dissipation, is therefore one of the key scientific challenges confronting the entire climate community. In this thesis, several processes related to ventilation have been discussed and a specific attention has been given to the mesoscale whose typical length is less than 100 km and timescale spans on the order of a month. The largest proportion of mesoscale kinetic energy is contained by coherent vortices, known as mesoscale eddies, which are nearly geostrophic and can have the vertical extent down to the thermocline. Aimed at a combination between the ventilation theory and mesoscale dynamics, the first part of this thesis has been devoted to a revisit to the theory of subduction at the bottom of mixed layer that quantifies long-term (permanent) transport of surface water masses into the main thermocline. Interpreted as a transient state in the subduction process, mode waters are a specific type of water mass homogeneous in properties (i.e., characterized by low potential vorticity) and residing between the seasonal and main thermoclines. Such transiency of mode waters is associated with their formation mechanism largely due to surface buoyancy forcing that is season-dependent. The second part of this thesis is thus related to an algorithm development to detect more precisely than other available methods the surface mixed layers and mode waters from several profiling databases. By co-locating mode waters with mesoscale eddies identified from the satellite altimetry, it is possible to quantify 1) the percentage of mode waters carried by eddies in an Eulerian sense, and 2) anomalies of temperature, salinity and others transported within eddies in a Lagrangian framework. Accordingly, a revisit to global mode water distribution has been provided, in terms of their dynamics and thermodynamics at the mesoscale. The South Atlantic Subtropical Mode Water has been considered as a special example and brought into details in the last chapter, since it is not only formed according to the typical baroclinity at the western boundary, but also develops due to a large amount of inter-basin transport carried by anticyclonic Agulhas Rings shedding from the Indian Ocean. Apart from the thermohaline perspective of ocean circulation and ventilation, i.e., surface convection and its significance on mode water formation and renewal, this thesis also provides an assessment on the wind-driven aspect and a combination of these two components. In specific, we extended the Ekman dynamics to allow for an influence from geostrophic motions and self-advection. A brief discussion on diapycnal and more complex physics of ventilation at the mesoscale is also presented.
Dans le système climatique de la Terre, l’océan constitue un énorme réservoir de chaleur et carbone, résultant principalement des échanges avec l’atmosphère sur des échelles de temps allant des heures aux millénaires. Les mécanismes d’absorption de la chaleur et du carbone, leur transport et distribution dans l’océan intérieur sont conceptualisés en tant que ventilation de l’océan, un processus qui relie la formation des masses d’eau à la surface de l’océan et leur propagation et transformation en profondeur. Typiquement associée à une augmentation de la densité des eaux de surface, la ventilation est généralement interprétée comme un transfert verticale des masses d’eau dû à la stabilité de la colonne d’eau, à leur transport horizontal et à d’autres processus à petite échelle. Comprendre la dynamique et la thermodynamique sous-jacentes à la formation, transport et transformation des masses d’eau est donc l’un des principaux défis scientifiques en sciences du climat. Dans cette thèse, l’accent a été mis sur plusieurs processus liés à la ventilation avec un focus particulier sur la dynamique à méso-échelle de l’océan caractérisée par des échelles horizontales de l’ordre de 100 km et des échelles de temps de l’ordre des mois. La plus grande partie de l’énergie cinétique à méso-échelle est contenue dans des tourbillons cohérents, connus sous le nom de tourbillons de méso-échelle, dont les écoulements sont proches de l’équilibre géostrophique et peuvent avoir une étendue verticale allant de la surface jusqu’à la thermocline. Visant une combinaison entre la théorie de la ventilation et la dynamique à méso-échelle, la première partie de cette thèse a été consacrée à une revisite de la théorie de la subduction au fond de la couche de mélange qui quantifie le transport à long terme des masses d’eau de surface dans le thermocline principale. Interprétées comme un état transitoire dans le processus de ventilation, les eaux modales sont des masses d’eau aux propriétés homogènes (c’est-à-dire caractérisées par une faible vorticité potentielle) et résidant entre les thermoclines saisonnières et principales. Cette éphémérité des eaux modales est associée à leur mécanisme de formation dû au forçage saisonnier de flottabilité de surface. La deuxième partie de cette thèse porte donc sur le développement d’un algorithme permettant de détecter les couches de mélange de surface et les eaux modales avec plus de précision que les autres méthodes disponibles. En associant les eaux modales aux tourbillons de méso-échelle identifiés par altimétrie satellitaire, c’était possible de quantifier 1) le pourcentage d’eaux modales transportées par les tourbillons au sens eulérien, et 2) les anomalies de température, de salinité et d’autres transportées dans les tourbillons dans un cadre lagrangien. Par conséquent, une révision de la distribution globale des eaux modales a été proposée, en termes de leur dynamique et thermodynamique à la méso-échelle. Les eaux modales subtropicales de l’Atlantique Sud ont été considérées comme un exemple particulier et détaillées dans le dernier chapitre, parce qu’elles ne se forment pas seulement selon la baroclinité typique à la limite ouest, mais elles se développent également en raison d’une grande quantité de transport inter-bassin transporté par des tourbillons anticycloniques se déversant de l’océan Indien. Outre la perspective thermohaline de la circulation et de la ventilation océanique, c’est-à-dire la convection de surface et son importance sur la formation et le renouvellement des eaux modales, cette thèse fournit également une évaluation du forçage par vent de la circulation océanique et une combinaison de ces deux composantes. C’est-à-dire la théorie d’Ekman et son couplage avec la dynamique géostrophique de l’océan. Une brève discussion sur les processus de mélange diapycnal et d’autres processus plus complexe de la ventilation à la méso-échelle a également été fournie.
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tel-04613096 , version 1 (15-06-2024)

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  • HAL Id : tel-04613096 , version 1

Cite

Yanxu Chen. Ocean ventilation at the mesoscale. Oceanography. Université Paris sciences et lettres, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPSLE048⟩. ⟨tel-04613096⟩
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