Projet ANR-11-BS56-0012 – OLA : Layering Océanique : une route vers la dissipation au sein
des océans ? Aspects numériques, théoriques et expérimentaux
de la structure en couches et de la turbulence généré par les
tourbillons lenticulaires
Programme : Blanc - SIMI 5-6 - Environnement, Terre et Espace (Blanc SIMI 5-6)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur KLEIN Patrice (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE BRETAGNE ET PAYS- DE-LA-LOIRE)
Partenaires : Laboratoire de Physique des Océans; Laboratoire d'Hydrodynamique; Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Équilibre; Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels
Montant : 377897.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Ocean LAyering Layering Océanique : une route vers la dissipation au sein des océans ? Aspects numériques, théoriques et expérimentaux de la structure en couches et de la turbulence généré par les tourbillons lenticulaires
Objectifs d'OLARécemment, un nouveau type de mesure basé sur des profils sismiques a mis en évidence des structures très fines encouches quasi horizontales dénommées « layering » dans diverses régions océaniques et particulièrement autour de structures tourbillonnaires méso-échelles telles que les Meddies. L'épaisseur de ces couches est de l'ordre de 10-100 mètres et leur extension horizontale de l'ordre de 1 à 50 kilomètres. Des simulations numériques à très haute résolution de tourbillons méso-échelles ont récemment permis de reproduire de telles structures en couches. Ces structures apparaissent pour une gamme d'échelles intermédiaires encore mal comprises. Pour les très grandes échelles, la dynamique est contrainte par la rotation terrestre et la stratification stable. Elle a de ce fait un comportement quasi- bidimensionnel (turbulence géostrophique). Pour les échelles très petites, ces deux effets sont négligeables et la dynamique est isotrope et tridimensionnelle. En revanche, dans la gamme d'échelles intermédiaires où se forme le «layering », la dynamique devient tridimensionnelle et les contraintes de la stratification et de la rotation demeurent mal connues. L'objectif de ce projet est de comprendre ce régime intermédiaire, son rôle dans les transferts d'énergie vers les grandes et petites échelles, ainsi que la dissipation d'énergie associée. Au final, cette étude permettra de déterminer si le phénomène de «layering» est la manifestation d'une «route intérieure» pour la dissipation, loin de toutes frontières, de l'énergie injectée dans la circulation générale des océans. Elle comparera l'importance de cette route intérieure relativement aux autres alternatives: déferlement d'ondes internes ou dissipation sur le fond et sur les marges continentales. L'évolution à long terme de l'océan pour les prédictions climatiques dépend de façon critique du mécanismedominant pour la dissipation d'énergie.
MethodesCe projet multidisciplinaire est la convergence du questionnement scientifique et de l'expertise de chercheurs de deux domaines complémentaires: océanographie physique et mécanique des fluides, provenant de 4 laboratoires:LPO, LADHYX, LEGI et IRPHE. La dynamique océanique sur une grande gamme d'échelles sera étudiée au LPO au moyen de mesures géosismiques et hydrographiques combinées à des gliders, et de simulations numériques intensives utilisant le calculateur massivement parallèle 'Earth Simulator 2' au Japon. Ces simulations seront confrontées et complétées par des expériences de laboratoire à grande échelle sur la nouvelle grande plate-forme tournante 'Coriolis II' du LEGI. L'expertise du LadHyX et de l'IRPHE concernent la turbulence stratifiée et différents processus fondamentaux de layering tels que les instabilités zigzag et radiatives. Ces mécanismes seront approfondis au moyen de simulations numériques et d'études théoriques pour déterminer leur pertinence pour expliquer la formation du « layering » autour des tourbillons océaniques, leur rôle dans la formation de la thermocline, et plus généralement la dynamique de la turbulence géophysique. L'expertise des 4 partenaires et l'ensemble des études envisagées couvrent toute la gamme des échelles océaniques: des méso-échelles aux petites échelles 3D isotrope. Le projet devrait donc aboutir sur la compréhension fondamentale de la cascade d'énergie dans les océans et conduire à proposer de nouvelles paramétrisations de la turbulence à petite échelle dans les modèles de circulation générale océanique (ou atmosphérique) et de ses rétroactions sur la structure de la thermocline à grande échelle.
Résumé de la soumission : Récemment, un nouveau type de mesure basé sur des profils sismiques a mis en évidence des structures très fines en couches quasi horizontales dénommées « layering » dans diverses régions océaniques et particulièrement autour de structures tourbillonnaires méso-échelles telles que les Meddies. L'épaisseur de ces couches est de l'ordre de 10-100 mètres et leur extension horizontale de l'ordre de 1 à 50 kilomètres. Des simulations numériques à très haute résolution de tourbillons méso-échelles ont récemment permis de reproduire de telles structures en couches.  Ces structures apparaissent pour une gamme d'échelles intermédiaires encore mal comprises. Pour les très grandes échelles, la dynamique est contrainte par la rotation terrestre et la stratification stable. Elle a de ce fait un comportement quasi-bidimensionnel (turbulence géostrophique). Pour les échelles très petites, ces deux effets sont négligeables et la dynamique est isotrope et tridimensionnelle. En revanche, dans la gamme d'échelles intermédiaires où se forme le « layering », la dynamique devient tridimensionnelle et les contraintes de la stratification et de la rotation demeurent mal connues.  L'objectif de ce projet est de comprendre ce régime intermédiaire, son rôle dans les transferts d'énergie vers les grandes et petites échelles, ainsi que la dissipation d'énergie associée. Au final, cette étude permettra de déterminer si le phénomène de « layering » est la manifestation d'une «route  intérieure» pour la dissipation, loin de toutes frontières, de l'énergie injectée dans la circulation générale des océans. Elle comparera l'importance de cette route intérieure relativement aux autres alternatives: déferlement d'ondes internes ou dissipation sur le fond et sur les marges continentales. L'évolution à long terme de l'océan pour les prédictions climatiques dépend de façon critique du mécanisme dominant pour la dissipation d'énergie.   Ce projet multidisciplinaire est la convergence du questionnement scientifique et de l'expertise de chercheurs de deux domaines complémentaires: océanographie physique et mécanique des fluides, provenant de 4 laboratoires:LPO, LADHYX, LEGI et IRPHE. La dynamique océanique sur une grande gamme d'échelles sera étudiée au LPO au moyen de mesures géosismiques et hydrographiques combinées à des gliders, et de simulations numériques intensives utilisant le calculateur massivement parallèle 'Earth Simulator 2' au Japon. Ces simulations seront confrontées et complétées par des expériences de laboratoire à grande échelle sur la nouvelle grande plate-forme tournante 'Coriolis II' du LEGI. L'expertise du LadHyX et de l'IRPHE concernent la turbulence stratifiée et différents processus fondamentaux de layering tels que les instabilités zigzag et radiatives.Ces mécanismes  seront approfondis au moyen de simulations numériques et d'études théoriques pour déterminer leur pertinence pour expliquer la formation du « layering » autour des tourbillons océaniques, leur rôle dans la formation de la thermocline, et plus généralement la dynamique de la turbulence géophysique.L'expertise des 4 partenaires et l'ensemble des études envisagées couvrent toute la gamme des échelles océaniques: des méso-échelles aux petites échelles 3D isotrope. Le projet devrait donc aboutir sur la compréhension fondamentale de la cascade d'énergie dans les océans et conduire à proposer de nouvelles paramétrisations de la turbulence à petite échelle dans les modèles de circulation générale océanique (ou atmosphérique) et de ses rétroactions sur la structure de la thermocline à grande échelle.
Résultats : Tous les partenaires ont bien démarré avec plusieurs publications de rang A
soumises ou en préparation et toutes les tâches planifiées pour le premier
semestre ont bien avancé
Perspectives : La prochaine réunion du projet OLA se déroulera à l'occasion de l'Ecole des Houches en Février 2013, organisée par l'IRPHE, qui correspond au Jalon M2 proposé dans le projet.
Publications et brevets : LPO:
Ménesguen, C., Hua, B.L., Carton, X., Klingelhoefer, F., Schnurle, P. & Reichert, C. 2012. Arms winding around a meddy seen in seismic reflection data close to the Morocco coastline. Geophys. Res.  Lett. vol. 39, L05604, doi:10.1029/2011GL050798 
Hua, B.L., Ménesguen, C., Le Gentil S., Marsset B., Schopp R. & Aiki, N. Layering and turbulence surrounding an anticyclonic oceanic vortex: Part 1 In situ observations and quasi-geostrophic numerical simulations, soumis au Journal of Fluid Mechanics (mai 2012)
LADHYX:
Park, J. & Billant, P. 2012 Radiative instability of an anticyclonic vortex in a stratified rotating fluid. J. Fluid Mech., In press.
Negretti, M. E. & Billant, P. 2012 Stability of a gaussian pancake vortex in a stratified fluid.  J. Fluid Mech., submitted.
 LEGI:
 Gostiaux, L., & Van Haren, H. (2012). A complete sketch for fine-structure contamination by internal waves. In Geophysical Research Abstracts (4074). Vienne, Autriche. EGU 2012                                 
L. Gostiaux and Hans van Haren,«Fine-structure contamination by internal waves in the Canary Basin«,  submitted to Journal of Geophysical Research Oceans (mai 2012)
 IRPHE :
O. Aubert, M. Le Bars, P. Le Gal and P. S. Marcus, 2012, The Universal Aspect Ratio of Vortices in Rotating Stratified Flows: Experiments and Observations. J. Flud Mech., In press.