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IMPACT DES VAGUES SUR LA CIRCULATION OCEANIQUE

SOUTENANCE DE THESE DE DOCTORAT, 2004 – 2007 NICOLAS RASCLE. IMPACT DES VAGUES SUR LA CIRCULATION OCEANIQUE. Directeur de th è se : Fabrice ARDHUIN (SHOM, Brest) Financement : bourse DGA / CNRS Laboratoires d’accueil :

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  1. SOUTENANCE DE THESE DE DOCTORAT, 2004 – 2007 NICOLAS RASCLE IMPACT DES VAGUES SUR LA CIRCULATION OCEANIQUE Directeur de thèse:FabriceARDHUIN (SHOM, Brest) Financement : bourse DGA / CNRS Laboratoires d’accueil : (1) Centre Militaire d’Océanographie, Service Hydrogaphique et Océanographique de la Marine, Brest (2) Laboratoire de Physique des Océans, Université de Bretagne Occidentale, Brest

  2. SOUTENANCE DE THESE DE DOCTORAT, 2004 – 2007 NICOLAS RASCLE Introduction Concepts généraux Impact des vagues sur les courants dans la couche de surface de l’océan ouvert (1D) Impact des vagues sur les courants littoraux et côtiers (3D) Conclusion 2 / 38

  3. INTRODUCTION Contexte de la thèse : interactions Atmosphère / Vagues / Océan Sujet de la thèse : impact des vagues sur la circulation océanique Atmosphère Echanges d’énergie et de quantitéde mouvement Vagues Océan 3 / 38

  4. INTRODUCTION • Les vagues : • Impact sur la dérive à la surface de l’océan ? • Impact sur le mélange de l’océan superficiel ? • Impact sur la circulation océanique à l’échelle globale ? • Impact sur les courants à la côte ? 4 / 38

  5. INTRODUCTION • Vise à apporter une meilleure connaissance des: • courants de surface • courants littoraux et côtiers • distribution de température et autres traceurs près de la surface • Applications pratiques ? • suivi de particules ou objets dérivants en surface • (pollutions, sauvetage en mer) • suivi de matériels dérivants en eaux côtières et littorales • (recrutement de larves, transport sédimentaire) • mélange vertical dans l’océan superficiel • (formation des thermoclines diurnes, blooms) • télédétection • (vitesses et pentes de la surface) • Expertise des modèles de circulation océanique (sans vagues) • Importance des vagues ? 5 / 38

  6. GENERALITES : a. Derive de Stokes Vagues ? z x Onde de gravité courte : Longueur d’onde = 100 m Période = 10 s Hauteur = 1 m Mais les échelles moyennes de variations du champ de vagues sont plus longues : 100 km, qlq jours… 6 / 38

  7. GENERALITES : a. Derive de Stokes Description eulérienne de la dérive de Stokes Vagues (linéaires)  = acos(kx-t) u = acos(kx-t) exp(kz) si z <  w = asin(kx-t) exp (kz) z z u x Le transport de Stokes a lieu entre crêtes et creux. 7 / 38

  8. GENERALITES : a. Derive de Stokes Description lagrangienne de la derive de Stokes Vagues  = acos(kx-t) u = acos(kx-t) exp(kz) si z <  w = asin(kx-t) exp (kz) z z u =Us x Les orbites des particules ne sont pas fermées : -> dérive de Stokes Le transport a lieu sur une profondeur de l’ordre de la dizaine de mètres. 8 / 38

  9. GENERALITES : b. Separation vagues / courant 2 difficultés pour modéliser le courant en présence de vagues : 1. Le mouvement de la surface libre -> impose une moyenne adaptée près de la surface 2. Des physiques différentes entre la dérive de Stokes et le courant moyen (mélange vertical, propagation : Cg >> u, …) -> impose de séparer vagues et courant moyen Utilisation de la théorie de la Moyenne Lagrangienne Généralisée (GLM) (Andrews et McIntyre, 1978, Ardhuin et al., 2007) 9 / 38

  10. GENERALITES : b. Separation vagues / courant En effectuant une moyenne GLM,on obtient : • La surface libre ramenée à sa position moyenne. • La derive de Stokes conforme à sa description lagrangienne. • Le courant moyendécrit par une moyenne non plus eulérienne mais quasi-eulérienne. • Dérive lagrangienne = Vitesse quasi-eulérienne + Dérive de Stokes : • Dynamique du champ de vagues <-/-> Dynamique du courant quasi-eulérien 10 / 38

  11. GENERALITES : c. Effet Stokes-Coriolis Dynamique du courant moyen dynamique de la dérive lagrangienne totale Ex : Equilibre dans un cas uniforme horizontalement (et sans stratification) Coriolis Diffusion turbulente Force de Stokes-Coriolis : (action de la force de Coriolis sur le champ de vagues, qdm transmise au courant moyen) Tension de vent 11 / 38

  12. GENERALITES : c. Effet Stokes-Coriolis La force de Stokes-Coriolis(Hasselmann, 1970) Cas d’une mer de vent Vagues de vent Aux temps longs, la force de Stokes-Coriolis crée un transport (intégré verticalement) qui compensele transport de Stokes -> pas de modification du pompage d’Ekman par les vagues (Hasselmann, 1970) Transport de Stokes Tension de vent Transport de Stokes-Coriolis Transport d’Ekman y Force de Stokes-Coriolis x 12 / 38

  13. GENERALITES : c. Effet Stokes-Coriolis La force de Stokes-Coriolis(Hasselmann, 1970) • En intégrale verticale, pas de transport net induit par les vagues. • Mais il peut quand même y avoir une dérive nette lagrangienne : Transport de Stokes-Coriolis Transport de Stokes Courant moyen Dérive lagrangienne Dérive de Stokes + mélange vertical Pas de dérive Lagrangienne nette Cas d’une mer de vent Cas d’une houle longue 13 / 38

  14. PARTIE 1 : VITESSES DANS LA COUCHE DE SURFACE Introduction Partie 1 : Impact des vagues sur les courants de surface (1D) Dérive en surface au large : • Dérive en surface due au vent : 2 ou 3% de U10(Huang, 1979) • Courants d’Ekman en surface dépendent fortement du mélange vertical Kz : 0.5 a 4% de U10 • Dérive de Stokes des vagues du même ordre de grandeur : 3% de U10(Kenyon, 1969) Description cohérente ? Qu’est-ce qui domine la dérive en surface ? 14 / 38

  15. PARTIE 1 : VITESSES DANS LA COUCHE DE SURFACE a. Partie « vagues » : la dérive de Stokes La dérive de Stokes Modélisation du champ de vagues par un spectre(Kudryavtsev et al., 1999) fréq - dird’élévation de la surface libre (approche spectrale en phase moyennée) : Dérive de Stokes (phases non corrélées) : 15 / 38

  16. PARTIE 1 : VITESSES DANS LA COUCHE DE SURFACE a. Partie « vagues » : la dérive de Stokes Spectres f^3 E(f) (dérive de Stokes en surface) Spectres d’énergie E(f) (=hauteur^2) Hauteurs, Périodes Hs=1.6m, Tp=5.5s Hs=2.8m, Tp=8s Hs=2.8m, Tp=8s Hs=2.8m, Tp=12s Dérives de Stokes Us=10. cm/s Us=12. cm/s Us=5.2 cm/s Us=1.6 cm/s (Vent : U10=10 m/s) Mer de vent jeune Mer de vent développée Houle courte Houle longue --- 16 / 38

  17. PARTIE 1 : VITESSES DANS LA COUCHE DE SURFACE a. Partie « vagues » : la dérive de Stokes La dérive de Stokes • Pour une mer de vent • pleinement développée : • en surface 1.2% de U10 (< Kenyon, 1969) • jusqu’à30% du transport • d’Ekman(< McWilliams et Restrepo, 1999) • affecte des profondeurs de • 10-40m • Pour la houle, faible dérive de Stokes en surface. (Vent : U10=10 m/s) Mer de vent jeune Mer de vent développée Houle courte Houle longue --- 17 / 38

  18. Longueur de rugosité Flux de TKE PARTIE 1 : VITESSES DANS LA COUCHE DE SURFACE b. Partie «courant moyen » Mélange vertical : effet des vagues Modèle TKE 1D (Craig et Banner, 1994) Longueur de melange : prescrite Calcul de TKE diffusion production dissipation Injection de TKE par la dissipation du champ de vagues : 18 / 38

  19. EQUATIONS POUR LE COURANT QUASI-EULERIEN PARTIE 1 : VITESSES DANS LA COUCHE DE SURFACE b. Partie «courant moyen » Mélange vertical : effet des vagues • Paramètre prépondérant : longueur de rugosité Une analyse dimensionnelle, confirmée par des mesures dedissipation de TKE :(Terray et al., 1996, 2000) • -> Le mélange en surface augmente avec la croissance des vagues. échelle de grandeur des vagues déferlantes 19 / 38

  20. EQUATIONS POUR LE COURANT QUASI-EULERIEN PARTIE 1 : VITESSES DANS LA COUCHE DE SURFACE c. Consequences pour la derive lagrangienne Conséquence pour la dérive lagrangienne : • La dérive en surface est due essentiellement à la dérive • de Stokes lorsque les vagues sont développées(Rascle et al., 2006) (Vent : U10=10 m/s) Dérive lagrangienne Dérive de Stokes Courant moyen 20 / 38

  21. PARTIE 1 : VITESSES DANS LA COUCHE DE SURFACE d. Validations Validations : les observations de dissipation de TKE les observations de dérives Lagrangiennes les observations de courants quasi-eulériens • Modèle de TKE construit à partir d’observations de • dissipation de TKE • z0 calibré en consequence • Subsistent quand même des incertitudes(Gemmrich et Farmer, 1999, 2004) 21 / 38

  22. PARTIE 1 : VITESSES DANS LA COUCHE DE SURFACE d. Validations Validations : les observations de dissipation de TKE les observations de dérives Lagrangiennes les observations de courants quasi-eulériens • Peu de données complètes disponibles • Estimation à 2-3% de U10 en surface (Huang, 1979) • Travail de Kudryavtsev et al. en cours sur des cisaillements • verticaux de dérives de flotteurs(Kudryavtsev et al., 2007, soumis) 22 / 38

  23. PARTIE 1 : VITESSES DANS LA COUCHE DE SURFACE d. Validations Validations : les observations de dissipation de TKE les observations de derives Lagrangiennes les observations de courants quasi-eulériens 2 jeux de données examinés : LOTUS 3(1982, mer des Sargasses) (Price et al., 1987, Polton et al. 2005) SMILE(1989, plateau californien) (Santala, 1991) VMCM Campagne courte (2 jours) Suiveurs de vagues Mesures très proche de la surface Corrections du biais Campagne longue (160 jours) Mouillage classique Mesures à au moins 5m 23 / 38

  24. PARTIE 1 : VITESSES DANS LA COUCHE DE SURFACE d. Validations Validations : 3.les observations de courants quasi-eulériens Cisaillements verticaux près de la surface (SMILE) Modèle TKE 1D avec stratification (Noh, 1996, Gaspar et al. 1990) • Faible cisaillement downwind -> valide le mélange induit par les vagues • Cisaillement crosswind ? • Pas de mise en évidence de l’effet de Stokes-Coriolis dans la composante crosswind 24 / 38

  25. PARTIE 1 : VITESSES DANS LA COUCHE DE SURFACE d. Validations Validations : 3.les observations de courants quasi-eulériens • Spirales complètes (LOTUS 3) • Très bon accord modèle / données. • Pas de mise en évidence du mélange lié aux vagues (à 5m et plus) • Pas de mise en évidence du transport de Stokes-Coriolis (contrairement àPolton et al., 2005 sans stratification). Probablement à cause d’un biais induit par les vagues. Modèle TKE 1D avec forçage de la stratification(Noh, 1996, Gaspar et al. 1990) 25 / 38

  26. PARTIE 1 : VITESSES DANS LA COUCHE DE SURFACE Résumé - Conclusion • Impact des vagues sur les courants dans la couche de surface de l’océan ouvert (1D) : • Problématique de dérive en surface au large (1D) • ré-évaluation de la dérive de Stokes • évaluation du courant moyen en paramétrant le mélange lié aux vagues • évaluation de la dérive lagrangienne en surface • -> la dérive de Stokes domine (Rascle et al., 2006) • comparaison avec les observations de courant moyen • -> conclusions prudentes (Stokes-Coriolis ?) (Rascle et Ardhuin, 2007, soumis) 26 / 38

  27. PARTIE 2 : COURANTS LITTORAUX ET INFRA-LITTORAUX Partie 2 : Impact des vagues sur les courants littoraux et côtiers (3D) Zone côtière Zone infra-littorale Zone littorale Vagues Déferlement Levée Marée Vent Coriolis Stratification -10m Marée Vagues -50m Transition ? Dynamique mal comprise Tensions de radiations ? (Stokes-) Coriolis ? Zone importante Tensions de radiations 2D Modèles Bousinessq Modèles aux équations primitives • 2 objectifs : • comprendre la dynamique de la zone infra-littorale • modéliser : développer un modèle 3D (équations primitives) pour résoudre depuis le large jusqu’ à la zone de déferlement 27 / 38

  28. PARTIE 2 : COURANTS LITTORAUX ET INFRA-LITTORAUX Pour l’hydrodynamique de cette zone infra-littorale, Equations complètes 3D du forcage de la circulation par les vagues: • Mellor 2003 -> problème dans le profil vertical des tensions de radiation • (Ardhuin et al., 2007 b) • McWilliams et al., 2004 -> adiabatiques • Ardhuin, Rascle et Belibassakis 2007 (GLM) • Qdm: • Masse: • Traceurs: 28 / 38

  29. PARTIE 2 : COURANTS LITTORAUX ET INFRA-LITTORAUX Mon travail : 1. Implémenter ces equations dans ROMS pour résoudre la circulation moyenne forcée par les vagues : étendre jusqu’à la zone de déferlement 2. Tests sur un cas académique 3. Description de la dynamique en GLM, Comparaison aux descriptions existantes pour les zones littorales et infra-littorales 29 / 38

  30. PARTIE 2 : COURANTS LITTORAUX ET INFRA-LITTORAUX 1. Cas académique Côte rectiligne infinie Vagues Déferlement Décôte Surcôte Jet littoral Résolution des vagues, de la dérive de Stokes Modèle de Thornton et Guza Forcage Resolution du courant moyen Modèle ROMS, équations primitives modifiées (équations GLM) dt = 3 s Kz = 0.03 m2/s 40 niveaux verticaux f = 10-4 s-1 4 km 400 points (dx=10 m) 30 / 38

  31. Qdm: • Masse: • Traceurs: PARTIE 2 : COURANTS LITTORAUX ET INFRA-LITTORAUX 2. Implémentation dans ROMS : • Modèle aux équations primitives • Coordonnées sigma • Résoudre uniquement le courant moyen • Séparation du pas de temps barocline / barotrope -> complique la modification des équations (traceur) 31 / 38

  32. PARTIE 2 : COURANTS LITTORAUX ET INFRA-LITTORAUX • Qdm : • force de vortex horizontale et verticale(McWilliams et al., 2004) 3. Description de la dynamique en GLM Jet littoral (Langmuir au large) Force de vortex : décalle le jet littoral vers la plage Vorticité ω3 < 0 Vorticité ω3 > 0 32 / 38

  33. PARTIE 2 : COURANTS LITTORAUX ET INFRA-LITTORAUX 3. Description de la dynamique en GLM • Qdm : • force de Stokes-Coriolis Transport de Stokes Transport du courant moyen Force de Stokes-Coriolis -> transition vers la dynamique du large (Lentz et al., 2007, soumis) Zone infra-littorale Zone littorale 33 / 38

  34. PARTIE 2 : COURANTS LITTORAUX ET INFRA-LITTORAUX 3. Description de la dynamique en GLM • traceurs : • la dérive lagrangienne ? • effets non-linéairessur la derive de Stokes en eau peu profonde • La dérive de Stokes est importante par rapport aux courants cross-shore(Monismith et Fong, 2004) • D’autant plus si les vagues sont non-linéaires • Peut donner une derive lagrangienne importante vers la plage en surface 34 / 38

  35. PARTIE 2 : COURANTS LITTORAUX ET INFRA-LITTORAUX Résumé -Conclusion Impact des vagues sur les courants littoraux et côtiers (3D) Objectif : lien côtier - littoral, zone infra-littorale ? • Equations (récemment développées) 3D vagues / courant (Ardhuin et al., 2007) • Implémentation dans un modèle côtier (ROMS) • Tests académiques • Apports de la théorie GLM sur la dynamique ? force de vortex horizontale et verticale (effets partiellement discuté par Newberg et Allen, 2007) effet Stokes-Coriolis pour la transition vers le large (observé par Lentz et al., 2007, soumis) analyse de la dérive lagrangienne (effets non-linéairessur la dérive de Stokesen eau peu profonde) 35 / 38

  36. CONCLUSION GENERALE • Les vagues : • Impact sur la circulation océanique à l’échelle globale ? • Impact sur la dérive à la surface de l’océan ? • Impact sur le mélange de l’océan superficiel ? • Impact sur les courants à la côte ? • Utilisation des équations séparant vagues et courant • (GLM) • Qu’est-ce que mon travail a apporté sur ces questions ? 36 / 38

  37. CONCLUSION GENERALE • La dérive en surface au large : • dominée par la dérive de Stokes des vagues • le courant moyen est plus faible en surface • la dérive due à la houle : faible • Le mélange en surface : • dépend du développement des vagues • fort lorsque les vagues sont développées -> impact sur la couche de mélange, sur les distributions verticales de matériels dérivants (Random Walk) • les vagues sont indispensables pour concilier mélange et dérive réalistes • Les courants à la côte : • forts courants générés par les vagues dans la zone de déferlement • du nouveau sur la dynamique -> zone infra-littorale • fortes dérives cross-shore liées aux vagues dans la zone infra-littorale 37 / 38

  38. PERSPECTIVES Approfondissements de ce travail : • Modèle de mélange :Validations de la longueur de rugosité avec les mesures de dissipation de TKE (Gemmrich et Farmer, 2004)Ré-évaluation du flux de TKE en surface (Thèse de J. F. Fillipot) • Modèle de dérive au large : Validationsavec des observations de dérives lagrangiennes(Kudryavtsev et al., 2007, soumis) • Modèle infra-littoral : Comparaison du modèle avec des mesures (Lentz et al., 2007, soumis) Suites possibles de ce travail : • Paramétrages de la dérive de Stokes et des tensions de radiation pour des vagues non-linéaires réalistes • Etudes des courants de rip et couplages vagues / courant en 3D. Impact des forces de vortex horiz. et vert. • Applications aux dérives de matériels en eaux côtières ou au large. • … Merci. 38 / 38

  39. CONCLUSION GENERALE Problématique initiale : la dérive en surface et les vagues Développer des équations cohérentes pour l’hydrodynamique 3D en présence de vagues, turbulence et courant -> théorie GLM (Ardhuin et al., 2007) Mon travail de thèse : Quelles applications pratiques ? Quelle est la physique qui est importante dans ces applications ? Qu’est ce que la GLM apporte ?

  40. CONCLUSION GENERALE • Une meilleure description de la couche de surface océanique • courants de surface Au large, vent + mer de vent Description présente : Vent + Vagues de vent Fort mélange en surface courant moyen dérive de Stokes dérive lagrangienne Description précédente : Vent Faible mélange en surface courant moyen

  41. CONCLUSION • Une meilleure description de la couche de surface océanique • courants de surface • -> jusqu’à la côte : courants littoraux et infra-littoraux Description présente : Vent + Vagues de vent Fort mélange en surface courant moyen dérive de Stokes dérive lagrangienne Description précédente : Vent Faible mélange en surface courant moyen

  42. CONCLUSION • Une meilleure description de la couche de surface oceanique • courants de surface • -> jusqu’a la cote :courants littoraux • température et autres traceurs près de la surface Le mélange en surface est maintenant réaliste. Description présente : Vent + Vagues de vent Fort mélange en surface courant moyen dérive de Stokes dérive lagrangienne Description précédente : Vent Faible mélange en surface Courant moyen

  43. CONCLUSION • Une meilleure description de la couche de surface oceanique • courants de surface • -> jusqu’a la cote :courants littoraux • température et autres traceurs près de la surface Le mélange en surface est maintenant réaliste. • Impact sur les couches de mélange • Impact sur les distributions verticales de matériels dérivants (Random Walk) Diffusivité Kz

  44. CONCLUSION • Une meilleure connaissance de la couche de surface oceanique • courants de surface • courants littoraux et infra-littoraux A la cote, hors de la zone de deferlement, houle seule Tensions de radiations Decomposition vagues derive nulle + courant moyen possibilite de derive si NL

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