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     | PROJET 1 : POMPE VERTICALE" GENEREE PAR LES TOURBILLONS OCEANIQUES[Patrice Klein, Lien Hua, Sylvie Le Gentil, Guillaume Roullet, Eric Danioux, Jordi Isern (LPO-UMR 6523, IFREMER)] Résumé du projet: Le régime dynamique considéré ici s'applique au Courant Circumpolaire Antartique, l'une des régions océaniques où les tourbillons mésoéchelles (de 30 à 100km de diamètre) sont les les plus nombreux et les plus énergétiques. De ce fait cette région a une influence déterminante sur la circulation générale océanique. Notre objectif est d'étudier l'impact de la " pompe verticale " générée par ces tourbillons mesoéchelles en utilisant une résolution spatiale 3-D, jamais atteinte jusqu'à présent. Des résultats préliminaires suggèrent une contribution majeure de cette " pompe verticale " capturée par les plus petites échelles sur la modification du contenu en chaleur des couches supérieures océaniques. Les résultats attendus devraient donc être particulièrement importants pour les études climatiques. Objectifs scientifiques On sait depuis longtemps que ces tourbillons mésoéchelles représentent une très grande partie de l'énergie cinétique des océans. L'impact de la résolution spatiale sur cette turbulence géophysique suscite depuis quelques années un regain d'intérêts. Ainsi des simulations réalistes de très haute résolution horizontale (Hulburt et Hogan, DAO, 2000) ont révélées une explosion du nombre de ces tourbillons, qui se traduit par une augmentation d'un facteur 10 de l'énergie cinétique entre une résolution de 15km et 1,5km. Toutefois, du fait de la limitation des ordinateurs existants, ces simulations ont une faible résolution sur la verticale (10 à 30 niveaux au plus). En conséquence des effets majeurs sur la circulation générale océanique, comme la vitesse verticale générée par ces structures turbulentes, sont fortement sous-estimées. Une estimation correcte de cette "pompe verticale" nécessite en effet de respecter une discrétisation 3-D appropriée. La raison est que la dynamique non-linéaire des structures mésoéchelles et submésoéchelles est caractérisée par un nombre de Burger proche de un. Ce qui implique que des structures horizontalement fines ont une extension verticale petite. La possibilité d'utiliser des machines telles que le Earth Simulator nous a conduit à définir un projet pour mieux estimer cette " pompe verticale " et son impact sur la circulation générale océanique en utilisant une résolution adéquate de 1km sur l'horizontale et de près de 350 niveaux sur la verticale. Ceci revient à considérer des tailles de problèmes 1500 fois plus grande que ce qui est fait jusqu'à présent. PROJET 2 : DYNAMIQUE DU MELANGE EQUATORIAL PROFOND[Lien Hua, Marc Fruman, Claire Menesguen, Sylvie Le Gentil & Richard Schopp (LPO-UMR 6523, IFREMER)] Résumé du projet Le but du projet est de quantifier la contribution de la circulation équatoriale profonde à la cellule méridienne de la circulation océanique qui joue un rôle climatique essentiel. Les océans équatoriaux sont caractérisés par d'intenses jets zonaux de directions alternées assurant un transport important des traceurs au sein du rail équatorial d'un bord à l'autre des bassins océaniques et jouant le rôle des éléments d'un radiateur pour diffuser verticalement la chaleur. Les questions adressées concernent les mécanismes de formation des jets équatoriaux profonds et de mélange des traceurs à l'équateur et la contribution des régions équatoriales à la circulation générale de l'océan mondial. Objectifs scientifiques L'objectif est de quantifier la contribution de la circulation équatoriale profonde à la cellule méridienne de la circulation océanique (popularisée par Broecker (1991) sous le nom de " great ocean conveyor "). Cette dernière véhicule une quantité importante de chaleur entre l'équateur et les pôles, et de ce fait, joue un rôle essentiel dans le système climatique terrestre. Sa structure tridimensionnelle et sa dynamique sont cependant loin d'être élucidées : malgré la bonne connaissance des transports horizontaux en surface et des lieux de convection aux hautes latitudes, la branche profonde de cette cellule ainsi que les mécanismes et lieux de remontée des eaux froides doivent être élucidés et quantifiés. Sachant qu'à l'équateur, la présence d'une dynamique très spécifique génère une circulation profonde beaucoup plus intense qu'aux moyennes et hautes latitudes, cette dynamique énergétique est susceptible de causer des mélanges verticaux importants (d'Orgeville et al., GRL 2005), la circulation équatoriale profonde est une candidate privilégiée pour permettre le retour vers la surface des eaux profondes.par d'intenses 'jets' zonaux de directions alternées sur la verticale, dont le transport cumulé est du même ordre de grandeur que celui de la " conveyor belt ". Le rôle joué par ces jets profonds est analogue à celui des éléments d'un radiateur pour diffuser la chaleur, mais de plus la circulation équatoriale profonde assure un transport des champs de traceurs d'un bord à l'autre des bassins océaniques au sein du rail équatorial. Les échelles spatiales très fines (inférieures à 0.75° en latitude et à quelques centaines de mètres sur la verticale sur la majeure partie de la colonne d'eau) de ces jets expliquent pourquoi les modèles de circulation générale les plus récents parviennent encore mal à les reproduire. Les questions spécifiques que nous voulons adresser sont les suivantes : Quels mécanismes peuvent créer des jets zonaux alternés et quel est leur rôle dans la circulation générale océanique? " Quels mécanismes interviennent dans le mélange, les transformations de masses d'eau à l'équateur et leur transport méridien à travers l'équateur? " Quelle proportion de la remontée des eaux profondes de l'océan mondial est assurée par les régions équatoriales ?
RESULTATS (2007): projets 1 et 2 Project Purpose The big challenge of the next decade for the oceanic sciences is to adopt a multi-scale (from 1km to 5000km) approach because of the strong nonlinearity of the oceanic fluid, which requires numerical simulations with ultra-high resolution. Purpose of this project is to fully explore two energetic nonlinear oceanic regimes that have a major impact on the general oceanic circulation: the mesoscale eddy regime at mid-latitudes and the equatorial regime. The expected results will help for the configuration of realistic numerical simulations to be performed in 2008 by the AOSG group on the Earth Simulator and they should benefit to future climate models. Plan at the beginning of the year Planning for the mid-latitude project was to achieve high resolution (1/100° and 200 levels) simulations of mesoscale eddy turbulence using different large-scale stratifications and forcings. Some of the simulations include realistic atmospheric forcings. Planning for the equatorial project was to perform simulations in a bihemispheric basin of idealized geometry, centered about the equator and of comparable size either to the Atlantic and Pacific basin's with a resolution of 1/12° in the horizontal and 400 levels in the vertical. Attained Results by Using the Earth Simulator: Impact of the vertical pump due to oceanic eddies Simulations at 1km resolution have been achieved. They emphasize a much more energetics and efficient dynamics of the upper layers than expected, principally because of the small-scale frontogenesis explicitly resolved and the associated vertical velocity field. One major result is a the strenghtening of the warming of oceanic surface layers of nearly one degree Celsius. Another major result is a conspicuous relationship between surface density and sea surface height (SSH). This result should be exploited to develop new methods for the interpretation of satellite data (altimetry and Infrared images). A last result is about the wind energy penetration in the ocean interior with the consequence of the emergence of a maximum with a frequency 2f at 3000m. This may provide a relevant and robust answer about the missing mechanisms crucially needed to close the global ocean kinetic budget. Dynamics of deep equatorial transport and mixing Numerical solutions of previous years had enabled us to identify the main parameters which govern the formation mechanisms of alternating equatorial jets and we had been able to reproduce the very different characteristics of the jets which are observed in the equatorial Atlantic and Pacific oceans. We then started to study their associated mixing : numerical simulations in a basin size comparable to the Atlantic Ocean have been performed with a zoom on the deep equatorial circulation for the study of tracer fields dispersion. Enhanced, lateral and vertical mixing of the tracer field inside the equatorial track have been consistently observed, with the formation of pancake structures in the density field, characteristic of "layering ", with typical vertical scales of about 50 m. Such pancakes are superposed to the larger vertical scale of the jets. The quantification of the implied mixing is under way.
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