Régimes de turbulence du bord ouest dans les gyres océaniques

Résumé de la thèse

Les gyres océaniques sont des courants océaniques organisés à l'échelle du bassin qui sont forcés par le vent. Ils se caractérisent par des courants énergétiques à l'ouest des bassins océaniques, un phénomène connu sous le nom d’intensification de bord ouest. Ces courants de bord ouest créent des écoulements chaotiques que nous désignons ici par le terme de turbulence du bord ouest. Cependant, la phénoménologie de cette turbulence reste mal comprise : comment est-elle dissipée ? Pourquoi s’organise-t-elle parfois en jets vers l’est dans certains bassins, mais pas dans d’autres ? Cette thèse vise à établir des liens entre les capacités de modélisation actuelles de la turbulence du bord ouest et notre compréhension physique de celle-ci, en l’examinant au sein d’une hiérarchie de modèles océaniques de complexité croissante. Dans un premier temps, à l’aide d’un modèle barotrope, nous montrons que l'énergie de la turbulence du bord ouest peut être dissipée à un taux fini qui ne dépend pas de la valeur de la viscosité. La dissipation s’effectue dans des tourbillons non linéaires générés près des côtes mais présents dans l’ensemble du bassin océanique, tandis que la circulation moyenne du gyre reste remarquablement proche de la réponse linéaire calculée pour un vent donné. Aucun jet cohérent n’émerge dans le modèle barotrope. Nous montrons qu'un jet apparaît dans un modèle à gravité réduite lorsque la stratification verticale est suffisamment faible. Dans ce cas, des jets orientés aussi bien vers l’est que vers l’ouest sont présents. Dans un modèle à deux couches, nous constatons que l’instabilité barocline désintègre les jets vers l’ouest en tourbillons se propageant vers l’ouest, tout en préservant les jets turbulents vers l’est. Nous identifions deux paramètres sans dimension clés liés à la stratification, et établissons un diagramme décrivant l’émergence des jets cohérents vers l’est dans cet espace des paramètres. Dans la dernière partie de cette thèse, nous exploitons ces résultats pour étudier comment des profils de stratification modifiés dans différents climats peuvent influencer les jets de l'océan Atlantique. En utilisant un modèle de circulation océanique réaliste, nous montrons qu’une intensification de la stratification entraîne des changements majeurs dans les propriétés du Gulf Stream et favorise la formation d’un nouveau jet vers l’est se détachant du courant du Brésil.

Regimes of Western-Intensified Turbulence in Ocean Gyres

Ocean gyres are basin-wide patterns of horizontal circulation driven by surface wind stress. They feature energetic currents at the western boundaries of oceanic basins, a phenomenon known as western intensification. Western boundary currents produce chaotic flow that we here refer to as western-intensified turbulence. However, the fate of this turbulence remains unclear: How is it dissipated? Why does it sometimes self-organize into eastward jets in certain basins but not in others? This thesis aims to bridge the gap between modern modeling capabilities of western-intensified turbulence and our physical understanding of it by investigating western-intensified turbulence across a hierarchy of ocean models of increasing complexity. First, using a barotropic model, we show that the energy of western-intensified turbulence can be dissipated at a fixed rate, independent of the smallness of viscosity. The dissipation occurs in nonlinear vortices generated at the coasts but populating the entire ocean basin, while the time-averaged gyre pattern remains remarkably close to the linear response of the model to the applied wind forcing. Coherent jets are absent in the barotropic model, but we show that they emerge in a reduced-gravity model when the density stratification is sufficiently weak. In that case, both eastward and westward jets are present. In a two-layer model, we find that baroclinic instability disintegrates the westward jets into westward-drifting vortices but leaves the turbulent eastward jets intact. We identify key nondimensional parameters related to the density stratification and map out a phase diagram describing the emergence of coherent eastward jets. In the final part of this thesis, we leverage these results to study how altered stratification profiles in different climates may impact Atlantic eastward jets. Using a realistic ocean circulation model, we show that intensified stratification leads to major changes in the properties of the Gulf Stream jet and the formation of a novel eastward jet detaching from the Brazil Current.