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Modulation de l’activité océanique à sous-mésoéchelle par le couplage océan-atmosphère

Une équipe de chercheurs du Laboratoire d’études en géophysique et océanographie spatiales (LEGOS/OMP, UPS / CNRS / CNES / IRD), du Laboratoire d’océanographie physique et spatiale (LOPS/IUEM, UBO / CNRS / Ifremer / IRD) et de l’Université de Californie (UCLA) a mis en évidence, à partir de simulations numériques, que le couplage mécanique entre les courants de surface et la tension de vent réduit l’activité océanique à sous-mésoéchelle le long des côtes californiennes. Ce couplage a des implications importantes dans la compréhension de la variabilité océanique à sous-mésoéchelle et de ses liens avec l'atmosphère. Il devra être testé dans d'autres régions afin de quantifier une éventuelle sensibilité régionale.

Les courants océaniques dits de sous-mésoéchelle (SMCs) se produisent à des échelles horizontales comprises entre 0,1 et 10 km. D’un point de vue dynamique, ils constituent une importante route de dissipation d’énergie. De plus, en induisant de fortes vitesses verticales, les SMCs peuvent moduler les concentrations en nutriments et autres matériels biogéochimiques dans la zone euphotique, et ainsi largement influencer les écosystèmes.

À méso-échelle (10-250 km), il a été montré que les rétroactions océan-atmosphère aussi bien thermiques (influence de la température de surface de la mer) que mécaniques (influence des courants de surface) ont un impact significatif sur l'atmosphère ainsi que sur la dynamique océanique. En particulier, l’interaction mécanique induit une large réduction de l’activité à mésoéchelle de l’océan (~30-40 %). Quant aux interactions air-mer à sous-mésoéchelle, elles ne sont pas bien connues du fait de leur extension spatiale réduite qui représente une barrière observationnelle et un défi numérique.

a) Configuration des simulations couplées océan-atmosphère illustrée par un instantané de vorticité relative à la surface de l’océan. La résolution spatiale du modèle océanique est de 500 m, celle du modèle atmosphère de 2 km. b) Évolution temporelle de l’énergie cinétique à sous-mésoéchelle moyennée dans le domaine illustré sur (a). CTRL (NOCFB, pour No Current FeedBack) représente une simulation qui prend (ne prend pas) en compte la rétroaction mécanique.

 
 

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a) Activité à mésoéchelle simulée sans couplage mécanique (gauche) et avec couplage mécanique (b). b) Puits d’énergie induit par le couplage mécanique. c) Co-spectre des vitesses verticales induites par le couplage mécanique avec la flottaison (buoyancy)

En utilisant des simulations océaniques et atmosphériques couplées à haute résolution au large de la Californie centrale, cette étude montre pour la première fois que la rétroaction mécanique induit une réduction de 17 % des SMCs.
Trois processus distincts sont responsables de cette modulation. Tout d’abord, la réduction de l’activité à mésoéchelle diminue l’énergie potentielle disponible pour générer des courants à sous-mésoéchelle. Ensuite, de manière analogue à la mésoéchelle, les anomalies de tension de vent induites par les courants de surface créent un pompage d’Ekman (des vitesses verticales) dans l’océan ainsi que des puits d´énergie des SMCs vers l’atmosphère, ce qui tend aussi à réduire les SMCs ("eddy killing"). Cependant, ce pompage d’Ekman additionnel entraîne également une augmentation de l’injection d’énergie de la mésoéchelle vers les SMCs (par "conversion barocline"), compensant partiellement les puits d’énergie.
Ces processus liés au couplage mécanique entre l’océan et l’atmosphère sont généralement ignorés dans les modèles océaniques et devraient être étudiés dans d’autres régions qui présentent une dynamique distincte, comme les courants de bord ouest. De futures études pourraient également étudier la réponse atmosphérique à ce couplage à sous-mésoéchelle ainsi que son effet indirect sur les écosystèmes.

Source

Renault, Lionel, James C. McWilliams, and Jonathan Gula. "Dampening of Submesoscale  Currents by Air-Sea Stress Coupling in the Californian Upwelling System". Scientific reports 8.1 (2018): 13388.

Contact

  • Lionel Renault, LEGOS/OMP, lionel.renault@legos.obs-mip.fr
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