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International audience; As coastal areas become increasingly vulnerable to climate change, the study of nearshore sediment textures along the littoral cell of the Medjerda delta in the Gulf of Tunis, southern Mediterranean coast can provide valuable information (i) on the origin (continental or marine) of the sediment, (ii) its transport direction, and (iii) constitutes an important tool in the assessment of coastal sensitivity. A total of 120 sediments samples underwent grain size analysis and statistic parameters have been calculated. These allowed the identification of five different Sedimentary Types (ST). Accordingly, using grain size indexes (i.e. Mz, SKI and Ku), Sediment Trend Analysis (STA) modeling tools were applied to define the seasonal sediment transport pathways throughout the nearshore of the Medjerda sedimentary cell. Results show that grain size distribution (GSD) and STA model pathways are determined by cross-shore geomorphology, location of the sediment-cell, seasonal incident wave and local terrestrial supply. The appearance in an atypical seabed location of the finer (Mo = 0.1 mm) and the coarser STs (Mo = 0.8 mm) can be indicative of human influence since the coarser particles are usually retained by dam structures. Moreover, the bimodality and the increased distribution of mud are also related to the seasonal incident wave winnowing of the historic deltaic plain submerged by the relative rise in sea level. The evolution of the sediment pattern towards a greater proportion of very fine grains indicates a deficit of sediment supply, particularly of the coarser grains, and demonstrates the coastal vulnerability of the Gulf of Tunis due to anthropic effects.

National audience

In a warming world context, sea surface temperature (SST) off central-south Peru, northern Chile, and farther offshore increases at a slower rate than the global average since several decades (i.e., cools, relative to the global average). This tendency is synchronous with an interdecadal Pacific oscillation (IPO) negative trend since ~1980, which has a cooling signature in the southeastern Pacific. Here, we use a large ensemble of historical coupled model simulations to investigate the relative roles of internal variability (and in particular the IPO) and external forcing in driving this relative regional cooling, and the associated mechanisms. The ensemble mean reproduces the relative cooling, in response to an externally forced southerly wind anomaly, which strengthens the upwelling off Chile in recent decades. This southerly wind anomaly results from the poleward expansion of the Southern Hemisphere Hadley cell. Attribution experiments reveal that this poleward expansion and the resulting enhanced upwelling mostly occur in response to increasing greenhouse gases and stratospheric ozone depletion since ~1980. An oceanic heat budget confirms that the wind-forced upwelling enhancement dominates the relative cooling near the coast. In contrast, a wind-forced deepening of the mixed layer drives the offshore cooling. While internal variability contributes to the spread of tendencies, the ensemble-mean relative cooling in the southeastern Pacific is consistent with observations and occurs irrespectively of the IPO phase, hence, indicating the preeminent role of external forcing.

Inertia-gravity waves contribute to the worldwide transport of energy and momentum in the oceans, and theyplay a crucial role in stratified mixing through non-linear processes transferring energy from scales to scalessuch as super-harmonic generation or triadic resonant instability.Of primary relevance are these waves to the Arctic Ocean, and more particularly energy transport by internalwaves created by storms at the surface of the ocean. Due to increasing ice melting in the last decades, thesurface of the Arctic Ocean is more exposed to winds and storms than ever and for a longer durationthroughout the year. The very stratified layers of the ocean can now be disturbed by atmospheric events and,in return, the modified dynamics of energy transport plays a crucial role in climate changes. A betterunderstanding of how storm energy can be transferred to the ocean, and of how it can propagate through, isa very relevant issue.Based on these considerations, this thesis explores the impact of the geometry on internal wave propagationin stratified and rotating media, both in the linear and non-linear theory. Different phenomena such as modes,wave resonator, transmission though buoyancy interface, tunnelling effect, super-harmonic generation andtriadic resonant instability, wave attractors, are discussed. Theory is validated by experiments, through the useof a storm-like axisymmetric wave generator creating inertia-gravity waves in stratified and rotating fluids, inconfined and unconfined cylindrical geometries. Applications to in-situ measurements are also proposed withcomparisons to internal waves in real world stratifications.; Les ondes gravito-inertielles contribuent au transport global d’énergie et d’impulsion dans les océans, et elles jouent un rôle crucial dans le mélange stratifié par des processus non-linéaires transférant l'énergie d'une échelle à l'autre, comme la génération de super-harmoniques ou l'instabilité résonante triadique. Ces ondes sont d'une importance capitale pour l'océan Arctique, et plus particulièrement le transport d'énergie par les ondes internes créées par des tempêtes à la surface de l'océan. En raison de la fonte croissante des glaces au cours des dernières décennies, la surface de l'océan Arctique est plus exposée que jamais aux vents et aux tempêtes et ce pendant une plus longue période de l'année. Les couches très stratifiées de l'océan peuvent maintenant être perturbées par des événements atmosphériques et, par conséquent, la nouvelle dynamique du transport de l'énergie peut jouer un rôle crucial dans les changements climatiques. Une meilleure compréhension de la façon dont l'énergie des tempêtes peut être transférée à l'océan et de la façon dont elle peut se propager est ainsi une question très pertinente aujourd’hui. Sur la base de ces considérations, cette thèse explore l'impact de la géométrie sur la propagation des ondes internes dans les milieux stratifiés et en rotation, tant dans la théorie linéaire que non-linéaire. Différents phénomènes tels que les modes, le résonateur d'ondes, la transmission au niveau d’une interface en flottabilité, l'effet tunnel, la génération de super-harmoniques et l'instabilité résonante triadique, les attracteurs d'ondes, sont abordés. La théorie est validée par des expériences, grâce à l'utilisation d'un générateur d’ondes axisymétriques créant des ondes gravito-inertielles analogues à un forçage de type tempête dans des fluides stratifiés et en rotation, en géométries cylindriques confinées et non confinées. Des applications à des mesures in-situ sont également proposées avec des comparaisons aux ondes.

Inertia-gravity waves contribute to the worldwide transport of energy and momentum in the oceans, and theyplay a crucial role in stratified mixing through non-linear processes transferring energy from scales to scalessuch as super-harmonic generation or triadic resonant instability.Of primary relevance are these waves to the Arctic Ocean, and more particularly energy transport by internalwaves created by storms at the surface of the ocean. Due to increasing ice melting in the last decades, thesurface of the Arctic Ocean is more exposed to winds and storms than ever and for a longer durationthroughout the year. The very stratified layers of the ocean can now be disturbed by atmospheric events and,in return, the modified dynamics of energy transport plays a crucial role in climate changes. A betterunderstanding of how storm energy can be transferred to the ocean, and of how it can propagate through, isa very relevant issue.Based on these considerations, this thesis explores the impact of the geometry on internal wave propagationin stratified and rotating media, both in the linear and non-linear theory. Different phenomena such as modes,wave resonator, transmission though buoyancy interface, tunnelling effect, super-harmonic generation andtriadic resonant instability, wave attractors, are discussed. Theory is validated by experiments, through the useof a storm-like axisymmetric wave generator creating inertia-gravity waves in stratified and rotating fluids, inconfined and unconfined cylindrical geometries. Applications to in-situ measurements are also proposed withcomparisons to internal waves in real world stratifications.; Les ondes gravito-inertielles contribuent au transport global d’énergie et d’impulsion dans les océans, et elles jouent un rôle crucial dans le mélange stratifié par des processus non-linéaires transférant l'énergie d'une échelle à l'autre, comme la génération de super-harmoniques ou l'instabilité résonante triadique. Ces ondes sont d'une importance capitale pour l'océan Arctique, et plus particulièrement le transport d'énergie par les ondes internes créées par des tempêtes à la surface de l'océan. En raison de la fonte croissante des glaces au cours des dernières décennies, la surface de l'océan Arctique est plus exposée que jamais aux vents et aux tempêtes et ce pendant une plus longue période de l'année. Les couches très stratifiées de l'océan peuvent maintenant être perturbées par des événements atmosphériques et, par conséquent, la nouvelle dynamique du transport de l'énergie peut jouer un rôle crucial dans les changements climatiques. Une meilleure compréhension de la façon dont l'énergie des tempêtes peut être transférée à l'océan et de la façon dont elle peut se propager est ainsi une question très pertinente aujourd’hui. Sur la base de ces considérations, cette thèse explore l'impact de la géométrie sur la propagation des ondes internes dans les milieux stratifiés et en rotation, tant dans la théorie linéaire que non-linéaire. Différents phénomènes tels que les modes, le résonateur d'ondes, la transmission au niveau d’une interface en flottabilité, l'effet tunnel, la génération de super-harmoniques et l'instabilité résonante triadique, les attracteurs d'ondes, sont abordés. La théorie est validée par des expériences, grâce à l'utilisation d'un générateur d’ondes axisymétriques créant des ondes gravito-inertielles analogues à un forçage de type tempête dans des fluides stratifiés et en rotation, en géométries cylindriques confinées et non confinées. Des applications à des mesures in-situ sont également proposées avec des comparaisons aux ondes.

Our climate partly depends on energy exchange between warm and cold water masses in the ocean's interior. In order to understand and forecast the climate variations, numerical models of the ocean must estimate the amount of energy converted into irreversible mixing in turbulent stably stratified flows. It seems that this quantity depends on the flow parameters. This assertion challenges the famous Osborn model for turbulent diffusivity kz which uses a fixed mixing efficiency of ŋ=0.17. This motivated us to measure separately kz and ŋ in order to obtain a better understanding of their inter-dependencies. The present work is an experimental study based on set-ups which enable to quantify the mixing in different types of flow. Three of those experiments are held in our lab (LMFA) and consist respectively in a lock-exchange experiment where mixing is generated by the shear at the interface of two opposite gravity currents, a stratified towed grid experiment, and a hydraulic channel experiment where the stratification is injected directly by the grid. This study has been complemented with two international collaborations. The first one, on the Coriolis platform (LEGI) consisted in a stratified towed grid experiment in a rotating tank allowing to broaden our parameter spectrum. The second one is a series of in situ measurements led in collaboration with ISMER in the Saguenay fjord (Canada) aiming at measuring density transects over time in order to quantify the turbulent mixing that participates in the renewal of the fjord's deep water. In all of those configurations, dependencies of mixing efficiency and turbulent diffusivity along with the Froude and the Reynolds numbers are extracted from the time evolution of density profiles. In our results, we were able to quantify the decay of the mixing efficiency with the increase of the Froude number. We also highlighted the sensitivity of turbulent diffusivity on the buoyancy Reynolds number. We used three different experimental setups to show that beyond the so called universal turbulence laws, the flow geometry has a huge impact on the mixing efficiency values. This is especially true in the lock-exchange configuration where the asymptotic value of ŋ=0.25, predicted by statistical physics, can only be reached in a set-up which allows 3D flows. Such investigations are still scarce in the literature. Finally, all the data analysis methods developed for the lab experiments were of great help for the analysis of in situ data and thereby enabled us to consider a real-life environnemental flow., Le climat de la Terre dépend en grande partie des échanges énergétiques entre les masses d’eau chaudes et froides de nos océans. Afin de prédire et de comprendre les variations de notre climat, les modèles numériques globaux de l’océan doivent pouvoir déterminer quelle fraction d'énergie est convertie en mélange irréversible dans un écoulement turbulent et stablement stratifié. Il apparaît que cette fraction est sensible aux paramètres de l’écoulement, ce qui a récemment conduit les océanographes à remettre en question la paramétrisation d'Osborn pour le coefficient de diffusion turbulente kz, qui utilise une efficacité de mélange constante et fixée à ŋ=0,17. Ceci nous a poussé à réaliser au laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique (LMFA) des mesures conjointes de ŋ et kz, afin de mieux comprendre leur inter-dépendance. Cette étude est avant tout expérimentale et se base sur plusieurs dispositifs permettant de quantifier le mélange dans différents types d'écoulement. Trois de ses expériences ont été réalisées au LMFA : une expérience de lock-exchange dans laquelle le mélange est issu du cisaillement à l'interface de deux courants de gravité se déplaçant en sens opposés, une expérience de grille tractée dans un fluide stratifié et une expérience d’injection de stratification dans la grille d’un canal hydraulique. Ce travail a été complété, d'une part par une collaboration sur la plateforme Coriolis du LEGI à Grenoble, permettant d’atteindre de plus grands nombres de Reynolds ; et d'autre part par une campagne de mesure in situ dans le fjord du Saguenay au Canada en collaboration avec l'ISMER, visant à estimer le mélange turbulent conduisant au renouvellement des eaux profondes du fjord, à partir de l'analyse de transects successifs de densité. Dans ces différentes configurations, l'évolution temporelle des profils verticaux de densité ont permis d'analyser la dépendance du coefficient de diffusion turbulente et de l'efficacité de mélange avec les nombres de Reynolds et de Froude. Nos résultats ont permis de quantifier la décroissance de l'efficacité de mélange avec l'augmentation du nombre de Froude dans un écoulement turbulent, ainsi que la sensibilité du coefficient de diffusion turbulente aux nombres de Froude et de Reynolds de flottabilité. L'utilisation de trois dispositifs expérimentaux différents permet de montrer qu'au-delà de ces lois dites universelles, la variabilité propre à chaque géométrie influence fortement les valeurs de l'efficacité de mélange. Ceci est particulièrement mis en lumière dans la configuration de lock-exchange, pour laquelle la valeur limite de ŋ=0.25 prédite par la physique statistique n'est atteinte que dans une configuration fortement tri-dimensionnelle, jusqu'alors peu utilisée dans la littérature. Enfin, toutes les méthodes d'analyse développées pour les expériences de laboratoire ont pu être utilisées pour l'analyse des données in situ, permettant de clore ce travail de thèse sur une étude environnementale.

De la singularité de la circulation équatoriale, depuis sa découverte par les premiers navigateurs jusqu’à son étude scientifique tardive, et la reconnaissance de son rôle majeur dans la variabilité du climat par les déplacements de masses d’eaux qu’elle opère rapidement le long de l’équateur. Les progrès réalisés dans la connaissance du transport thermique méridien opéré par les océans ont mis en relief la place particulière qu’occupent les régions tropicales dans ces phénomènes d’échelle pl...

Pour bien comprendre et situer le récent bond en avant de l’océanographie physique ainsi que la découverte de la prééminence des océans tropicaux dans la dynamique de l’interaction océan-atmosphère, il est nécessaire de dresser une perspective historique de l’évolution de la connaissance des océans, depuis leur découverte jusqu’à la période actuelle, en passant par les grandes campagnes historiques du passé. On ne reprendra pas ici toute l’histoire de la découverte des océans et des continent...

L’observation spatiale ouvre l’accès à une nouvelle vision de la terre et des océans par des mesures continues de haute résolution, suscitant l’émergence de nouveaux concepts. Observer « d'en haut » pour mieux voir et comprendre On attribue à Socrate cette phrase étonnante rapportée par Platon : « L’homme doit s’élever au-dessus de la Terre jusqu’à la frange extérieure de l’atmosphère et même au-delà, car c’est ainsi qu’il comprendra le monde où il vit. » Quelle fascinante prescience de l’obs...

Un rassemblement sans précédent des océanographes dans un grand programme international pour obtenir enfin une image réaliste de la circulation moyenne des océans et de sa variabilité à toutes profondeurs. Les prometteuses études pionnières sur le transport énergétique et thermique des océans, la généralisation des calculateurs électroniques et des modèles d’océan à partir des années 1980 incitèrent de nombreux océanographes, observateurs et modélisateurs, à tenter d’aller plus loin dans la c...

La reconstitution des climats passés est indispensable pour comprendre le rôle de l’océan et des cycles géochimiques de la terre sur le climat actuel et pour prévoir le climat futur. De tous les milieux composant le système Terre, on peut se demander lequel joue le rôle dominant dans la variabilité climatique. On a vu le rôle de l’océan dans le climat actuel et sa variabilité à l’échelle humaine, mais qu’en est-il du rôle qu’il a joué depuis la naissance de notre Terre et les premiers balbuti...

Enso, signal climatique le plus marqué de la planète, qui affecte les régions tropicales, a suscité l’organisation d’un grand programme international dédié à l’étude des interactions entre l’océan et l’atmosphère et à leur prévision. Bien que centré sur les tropiques, le phénomène Enso a un retentissement climatique global qui touche une grande partie de la planète. La perspective de comprendre la cause de ces cycles apériodiques, de façon à les prévoir au moins partiellement, a convaincu les...

Comment les océans tropicaux échangent de la chaleur et de l’eau pour générer des oscillations climatiques spectaculaires de courte période qui affectent principalement les régions tropicales mais retentissent aussi sur le climat de la planète entière. Si les océans équatoriaux et tropicaux répondent à l’action mécanique du vent par une dynamique particulière, comme on l’a vu dans le chapitre précédent, à l’inverse ils ont une action spécifique sur l’atmosphère et interagissent avec celle-ci....

Comment l’océan contribue à redistribuer vers les régions tempérées et polaires la chaleur reçue en excès dans les tropiques pour rendre la planète habitable à toutes les latitudes. Les scientifiques, découvrant la variabilité climatique et ses conséquences, ont été les premiers, dès les années 1970, à alerter les pouvoirs politiques sur ces questions et leurs incidences possibles sur les sociétés. En retour, les sciences de l’environnement, mieux soutenues par les gouvernements, ont pris ces...

International audience; We evidence and study the differences in turbulence statistics in ocean dynamics carried by wind forcing at the air-sea interface. Surface currents at the air-sea interaction are of crucial importance because they transport heat from low to high latitudes. At first order, oceanic currents are generated by the balance of the Coriolis and pressure gradient forces (geostrophic current) and the balance of the Coriolis and the frictional forces dominated by wind stress (Ekman current) in the surface ocean layers. The study was conducted by computing statistical moments on the shapes of spectra computed within the framework of microcanonical multi-fractal formalism. Remotely sensed daily datasets derived from one year of altimetry and wind data were used in this study, allowing for the computation of two kinds of vector fields: geostrophy with and geostrophy without wind stress forcing. We explore the statistical properties of singularity spectra computed from velocity norms and vorticity data, notably in relation with kurtosis information to underline the differences in the turbulent regimes associated with both kinds of velocity fields.

The main objectif of this thesis is to evaluate the contribution of a dynamic interpolation method to improve the representation of small scale ocean processes in altimetric maps. The current resolution of these maps constructed by a statistical optimal interpolation technique, is well adapted to the study of the mesoscale variability but does not allow us to observe structures of sizes smaller than 150-200km, largely due to the spatio-temporal sampling of the data. The dynamic interpolation method is based on a one-and-a-half layer quasi-geostrophic (QG) propagation model, aims to recreate part of the temporal evolution of small oceanic structures using the local dynamics. In this study, we apply this method to the western Mediterranean Sea. First we evaluate the QG propagator's capacity to represent the dynamics in this region. We then use this propagator to perform the dynamic interpolation in a spatially idealized case, comparing the reconstructed fields with a fine-resolution numerical model. The results show a general improvement compared to a linear interpolation over a period of 5-10 days. There is spatial and temporal disparity in the performance of the method, with a greater improvement for the regions of high variability and during the winter period. We explored ways of complexifying the QG propagator to better represent the dynamics of the region, influenced by the strong local atmospheric forcing, the geometry of the bassin and its bathymetry. In a second study, we evaluated the contribution of this dynamical interpolation method for mapping real alongtrack altimetric data. For this study, covariance structures derived from the QG model's evolution are integrated into an optimal interpolation scheme. The resulting dynamical interpolated maps are compared to the current altimetric maps. This study, which participates in the preparation of the exploitation of the future high resolution data of the SWOT mission, demonstrates the effectiveness of a relatively simple model to improve the resolution of the altimetric maps. Nevertheless, all of these results reveal the difficulty to optimally parameterize this mapping method to caracterize the dynamics in a region which presents a strong spatial and temporal variability. This work also highlights the need to better exploit the independant data to rigorously evaluate the improvement at small scales, which have significant impacts on the dynamics of the mesoscale, particularly on energy transfers within the ocean and on physico-biological interactions.; L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer la contribution d'une méthode d'interpolation dynamique pour améliorer la représentation des processus océaniques à petite échelle dans les cartes altimétriques. La résolution actuelle de ces cartes construites par interpolation statistique optimale, est bien adaptée à l'étude de la variabilité mésoéchelle mais ne permet pas d'observer des structures de taille inférieures à 150-200 km, en grande partie à cause de l'échantillonnage spatio-temporel des données. La méthode d'interpolation dynamique est basée sur un modèle de propagation quasi-géostrophique (QG) à une couche et demie, dont le but est de recréer une partie de l'évolution temporelle des petites structures océaniques en utilisant la dynamique locale. Dans cette étude, nous appliquons cette méthode à la Méditerranée occidentale. En premier lieu nous avons évalué la capacité du propagateur QG à représenter la dynamique dans cette région. Nous avons ensuite utilisé ce propagateur pour réaliser l'interpolation dynamique dans un cas idéalisé spatialement, en comparant les champs reconstruits avec un modèle numérique à haute résolution. Les résultats ont montré une amélioration générale par rapport à une interpolation linéaire sur une période de 5-10 jours. La performance de la méthode à montré une disparité spatiale et temporelle, avec une amélioration plus importante pour les régions de forte variabilité et en période hivernale. Nous avons exploité deux pistes de complexification du propagateur afin de mieux modéliser la dynamique de la région, fortement influencée par les forçages atmosphériques locaux intenses, la géométrie du bassin et sa bathymétrie. Dans une seconde étude, nous avons évalué la contribution de cette méthode d'interpolation dynamique pour cartographier les données altimétriques réelles le long des traces. Pour cette étude, les structures de covariance dérivées de l'évolution du modèle QG ont été intégrées dans un schéma d'interpolation optimal. Les cartes dynamiques interpolées résultantes ont été comparées aux cartes altimétriques actuelles. Cette étude, qui participe à la préparation de l'exploitation des futures données haute résolution de la mission SWOT, a démontré l'efficacité d'un modèle relativement simple pour améliorer la résolution des cartes altimétriques. Néanmoins, tous ces résultats ont révèlé la difficulté de paramétrer de façon optimale cette méthode de cartographie pour caractériser la dynamique dans une région qui présente une forte variabilité spatiale et temporelle. Ce travail souligne aussi le besoin de mieux exploiter les différents jeux de mesures indépendantes pour évaluer rigoureusement l'amélioration des petites échelles, qui ont un impact non négligeable sur la dynamique de mésoéchelle, notamment sur les transferts énergétiques au sein de l'océan et sur les interactions physico-biologiques.

The main objectif of this thesis is to evaluate the contribution of a dynamic interpolation method to improve the representation of small scale ocean processes in altimetric maps. The current resolution of these maps constructed by a statistical optimal interpolation technique, is well adapted to the study of the mesoscale variability but does not allow us to observe structures of sizes smaller than 150-200km, largely due to the spatio-temporal sampling of the data. The dynamic interpolation method is based on a one-and-a-half layer quasi-geostrophic (QG) propagation model, aims to recreate part of the temporal evolution of small oceanic structures using the local dynamics. In this study, we apply this method to the western Mediterranean Sea. First we evaluate the QG propagator's capacity to represent the dynamics in this region. We then use this propagator to perform the dynamic interpolation in a spatially idealized case, comparing the reconstructed fields with a fine-resolution numerical model. The results show a general improvement compared to a linear interpolation over a period of 5-10 days. There is spatial and temporal disparity in the performance of the method, with a greater improvement for the regions of high variability and during the winter period. We explored ways of complexifying the QG propagator to better represent the dynamics of the region, influenced by the strong local atmospheric forcing, the geometry of the bassin and its bathymetry. In a second study, we evaluated the contribution of this dynamical interpolation method for mapping real alongtrack altimetric data. For this study, covariance structures derived from the QG model's evolution are integrated into an optimal interpolation scheme. The resulting dynamical interpolated maps are compared to the current altimetric maps. This study, which participates in the preparation of the exploitation of the future high resolution data of the SWOT mission, demonstrates the effectiveness of a relatively simple model to improve the resolution of the altimetric maps. Nevertheless, all of these results reveal the difficulty to optimally parameterize this mapping method to caracterize the dynamics in a region which presents a strong spatial and temporal variability. This work also highlights the need to better exploit the independant data to rigorously evaluate the improvement at small scales, which have significant impacts on the dynamics of the mesoscale, particularly on energy transfers within the ocean and on physico-biological interactions.; L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer la contribution d'une méthode d'interpolation dynamique pour améliorer la représentation des processus océaniques à petite échelle dans les cartes altimétriques. La résolution actuelle de ces cartes construites par interpolation statistique optimale, est bien adaptée à l'étude de la variabilité mésoéchelle mais ne permet pas d'observer des structures de taille inférieures à 150-200 km, en grande partie à cause de l'échantillonnage spatio-temporel des données. La méthode d'interpolation dynamique est basée sur un modèle de propagation quasi-géostrophique (QG) à une couche et demie, dont le but est de recréer une partie de l'évolution temporelle des petites structures océaniques en utilisant la dynamique locale. Dans cette étude, nous appliquons cette méthode à la Méditerranée occidentale. En premier lieu nous avons évalué la capacité du propagateur QG à représenter la dynamique dans cette région. Nous avons ensuite utilisé ce propagateur pour réaliser l'interpolation dynamique dans un cas idéalisé spatialement, en comparant les champs reconstruits avec un modèle numérique à haute résolution. Les résultats ont montré une amélioration générale par rapport à une interpolation linéaire sur une période de 5-10 jours. La performance de la méthode à montré une disparité spatiale et temporelle, avec une amélioration plus importante pour les régions de forte variabilité et en période hivernale. Nous avons exploité deux pistes de complexification du propagateur afin de mieux modéliser la dynamique de la région, fortement influencée par les forçages atmosphériques locaux intenses, la géométrie du bassin et sa bathymétrie. Dans une seconde étude, nous avons évalué la contribution de cette méthode d'interpolation dynamique pour cartographier les données altimétriques réelles le long des traces. Pour cette étude, les structures de covariance dérivées de l'évolution du modèle QG ont été intégrées dans un schéma d'interpolation optimal. Les cartes dynamiques interpolées résultantes ont été comparées aux cartes altimétriques actuelles. Cette étude, qui participe à la préparation de l'exploitation des futures données haute résolution de la mission SWOT, a démontré l'efficacité d'un modèle relativement simple pour améliorer la résolution des cartes altimétriques. Néanmoins, tous ces résultats ont révèlé la difficulté de paramétrer de façon optimale cette méthode de cartographie pour caractériser la dynamique dans une région qui présente une forte variabilité spatiale et temporelle. Ce travail souligne aussi le besoin de mieux exploiter les différents jeux de mesures indépendantes pour évaluer rigoureusement l'amélioration des petites échelles, qui ont un impact non négligeable sur la dynamique de mésoéchelle, notamment sur les transferts énergétiques au sein de l'océan et sur les interactions physico-biologiques.

Our climate partly depends on energy exchange between warm and cold water masses in the ocean’s interior. In order to understand and forecast the climate variations, numerical models of the ocean must estimate the amount of energy converted into irreversible mixing in turbulent stably stratified flows. It seems that this quantity depends on the flow parameters. This assertion challenges the famous Osborn model for turbulent diffusivity k z which uses a fixed mixing efficiency of η = 0.17. This motivated us to measure separately k z and η in order to obtain a better understanding of their inter-dependencies.The present work is an experimental study based on set-ups which enable to quantify the mixing in different types of flow. Three of those experiments are held in our lab (LMFA) and consist respectively in a lock-exchange experiment where mixing is generated by the shear at the interface of two opposite gravity currents, a stratified towed grid experiment, and a hydraulic channel experiment where the stratification is injected directly by the grid. This study has been complemented with two international collaborations. The first one, on the Coriolis platform (LEGI) consisted in a stratified towed grid experiment in a rotating tank allowing to broaden our parameter spectrum.The second one is a series of in situ measurements led in collaboration with ISMER in the Saguenay fjord (Canada) aiming at measuring density transects over time in orderto quantify the turbulent mixing that participates in the renewal of the fjord’s deep water. In all of those configurations, dependencies of mixing efficiency and turbulentdiffusivity along with the Froude and the Reynolds numbers are extracted from thetime evolution of density profiles.In our results, we were able to quantify the decay of the mixing efficiency with the increase of the Froude number. We also highlighted the sensitivity of turbulent diffusivity on the buoyancy Reynolds number. We used three different experimental setups to show that beyond the so called universal turbulence laws, the flow geometry has a huge impact on the mixing efficiency values. This is especially true in the lock-exchange configuration where the asymptotic value of η = 0.25, predicted by statistical physics, can only be reached in a set-up which allows 3D flows. Such investigations are still scarce in the literature. Finally, all the data analysis methods developed for the lab experiments were of great help for the analysis of in situ data and thereby enabled us to consider a real-life environnemental flow., Le climat de la Terre dépend en grande partie des échanges énergétiques entre les masses d’eau chaudes et froides de nos océans. Afin de prédire et de comprendre les variations de notre climat, les modèles numériques globaux de l’océan doivent pouvoir déterminer quelle fraction d’énergie est convertie en mélange irréversible dans un écoulement turbulent et stablement stratifié. Il apparaı̂t que cette fraction est sensible aux paramètres de l’écoulement, ce qui a récemment conduit les océanographes à remettre en question la paramétrisation d’Osborn pour le coefficient de diffusion turbulente k z, qui utilise une efficacité de mélange constante et fixée à η = 0.17. Ceci nous a poussé àréaliser au laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique (LMFA) des mesures conjointes de η et k z , afin de mieux comprendre leur inter-dépendance.Cette étude est avant tout expérimentale et se base sur plusieurs dispositifs permettant de quantifier le mélange dans différents types d’écoulement. Trois de ses expériences ont été réalisées au LMFA : une expérience de lock-exchange dans laquelle le mélange est issu du cisaillement à l’interface de deux courants de gravité se déplaçant en sens opposés, une expérience de grille tractée dans un fluide stratifié et une expérience d’injection de stratification dans la grille d’un canal hydraulique. Ce travail a été complété, d’une part par une collaboration sur la plateforme Coriolis du LEGI à Grenoble, permettant d’atteindre de plus grands nombres de Reynolds ; et d’autre part parune campagne de mesure in situ dans le fjord du Saguenay au Canada en collaboration avec l’ISMER, visant à estimer le mélange turbulent conduisant au renouvellement des eaux profondes du fjord, à partir de l’analyse de transects successifs de densité. Dans ces différentes configurations, l’évolution temporelle des profils verticaux de densité ont permis d’analyser la dépendance du coefficient de diffusion turbulente et de l’efficacité de mélange avec les nombres de Reynolds et de Froude.Nos résultats ont permis de quantifier la décroissance de l’efficacité de mélange avec l’augmentation du nombre de Froude dans un écoulement turbulent, ainsi que la sensibilité du coefficient de diffusion turbulente aux nombres de Froude et de Reynolds de flottabilité. L’utilisation de trois dispositifs expérimentaux différents permet de montrer qu’au-delà de ces lois dites universelles, la variabilité propre à chaque géométrie influence fortement les valeurs de l’efficacité de mélange. Ceci est particulièrement mis en lumière dans la configuration de lock-exchange, pour laquelle la valeur limite de η = 0.25 prédite par la physique statistique n’est atteinte que dans une configuration fortement tridimensionnelle, jusqu’alors peu utilisée dans la littérature. Enfin, toutes les méthodes d’analyse développées pour les expériences de laboratoire ont pu être utilisées pour l’analyse des données in situ, permettant de clore ce travail de thèse sur une étude environnementale.

This work focuses on the intrinsic oceanic variability spontaneously generated under seasonal atmospheric forcing in high-resolution oceanic simulations (1/4 ? and 1/12 ? ) including mesoscale eddies (~ 100 km). The imprint of intrinsic variability on sea-level (SLA) and sea surface temperature (SST) is characterized in various spatio-temporal ranges using filtering methods. In particular, the small-scale interannual-to-decadal SLA variability observed by satellite altimetry, is stochastic and mostly intrinsic. At multi-decadal timescales, SLA intrinsic variability is comparable to the internal climate variability simulated in climate coupled models (devoid of oceanic turbulence), and may yield additional uncertainties in the detection of human-induced regional sea-level change. A spectral analysis eventually shows that non-linear advection of relative vorticity spontaneously transfers kinetic energy from high-frequency frontal waves to slower mesoscale eddies, ultimately generating low-frequency intrinsic variability. The analyses have been performed using tools developed for optimal processing of high-resolution oceanic dataset. This work generally provides evidence of the chaotic behavior of the turbulent ocean, whose interaction with the atmosphere is still poorly-known.; Ces travaux de thèse s'intéressent à la variabilité océanique intrinsèque générée spontanément sous forçage atmosphérique saisonnier dans des simulations océaniques à haute-résolution (1/4 de degré et 1/12 de degré ), en présence de tourbillons de méso-échelle (environ 100 km). L'empreinte de la variabilité intrinsèque sur le niveau de la mer (SLA) et sur la température de surface (SST) est caractérisée dans plusieurs gammes d'échelles spatio-temporelles par des méthodes de filtrage. En particulier, il est montré que la variabilité petite-échelle inter-annuelle à décennale de SLA observée par les satellites altimétriques, a un caractère stochastique et est majoritairement intrinsèque. Aux échelles de temps multi-décennales, la variabilité intrinsèque de SLA dans les régions océaniques turbulentes est d'amplitude comparable à la variabilité interne simulée dans les modèles climatiques couplés (dénués de turbulence océanique), et pourrait constituer une source additionnelle d'incertitudes dans la détection de l'élévation régionale du niveau de la mer d'origine anthropique. Une analyse spectrale montre enfin que l'advection non-linéaire de vorticité relative transfère spontanément de l'énergie cinétique d'ondes frontales hautes-fréquences vers des tourbillons de méso-échelle plus lents, générant in fine de la variabilité intrinsèque basse-fréquence. Les diagnostiques ont été réalisés à l'aide d'outils développés pour traiter de façon optimale les données océaniques haute-résolution. Ces travaux témoignent plus généralement du caractère chaotique de l'océan turbulent, dont l'interaction avec l'atmosphère est encore mal comprise.

This study investigates the sea surface salinity (SSS) and barrier layer variability in the equatorial Pacific using recently available Aquarius and Argo data. Comparison between the two data sets indicates that Aquarius is able to capture most of the SSS features identified by Argo. Despite some discrepancies in the mean value, the SSS from the two data sets shows essentially the same seasonal cycle in both magnitude and phase. For the period of observation between August 2011 and July 2013 Aquarius nicely resolved the zonal displacement of the SSS front along the equator, showing its observing capacity of the western Pacific warm pool. Analysis of the Argo data provides further information on surface stratification. A thick barrier layer is present on the western side of the SSS front during all the period of observation, moving back and forth along the equator with its correlation with the Southern Oscillation Index exceeding 0.80. Generally, the thick barrier layer moves eastward during El Niño and westward during La Niña. The mechanisms responsible for this zonal displacement are discussed.

In the tropical oceans, where the temperature is roughly homogenous in the upper layer, vertical variations of salinity may be responsible for significant density stratifications. In this study on the Western Tropical Atlantic Ocean, it is shown that fresh surface waters of the Amazon River discharge may induce a strong halocline in the 3-30 m depth range. This halcocline induces a pycnocline that acts as a barrier for mixing between the surface and the subsurface waters. The fresh surface waters are generally associated with positive anomalies of the sea surface temperature. These positive anomalies cover a large part of the basin in boreal summer-fall, following the maximum Amazon River discharge, which may have a significant importance for the ocean-atmosphere exchanges. (Résumé d'auteur)

The rediscovery in 2003 by Holbrook et al. that the water column could be imaged by marine seismic reflection data has led to the initiation of the European GO (Geophysical Oceanography) project. This project aims to improve our comprehension of the oceanic meso and submesoscale structure, with particular application to the Gulf of Cadiz. The Gulf of Cadiz has a complex thermohaline structure. The work presented in this thesis is directly related to this project. By reprocessing the historical marine seismics and hydrology data, we began to resuscitate the large database which exists on this area. Thus, we demonstrate that marine seismic data can image the mesoscale to submesoscale oceanographic structures at a horizontal resolution of 10 m. Hydrologic data which have a vertical resolution around 1 m calibrate the seismic data in temperature and salinity. To relate our two databases, we searched a precise definition of the seismic signal, which is the reflection coefficient convoluted with the source wavelet of the acquisition system. However, all the terms are not known and we still have to improve our knowledge of the seismic signal. Nevertheless, the main factor influencing the seismic signal is temperature via the sound speed gradient. Marine seismic and hydrological data from the GO cruise acquired simultanously in the Gulf of Cadiz in April 2007 have been analyzed to determine the physical nature and geometric characteristics of acoustic reflectors in the water column. Seismic data show strong reflectors near the surface, above the Mediterranean Water (MW) undercurrents, above a meddy, and in a submesoscale MW structure. Wavelet analysis of seismic data indicates these reflectors have vertical wavelengths of 16-64 m and are associated with thermo-haline layering. At the edge of a meddy, lateral intrusions of less saline water are revealed by reflectors with 25-75 m thickness. Seismic data reveal that upper and lower boundaries of the layers match to the existence of the fine-scale structures. Marine seismic data (Low Frequency) allow systematic detection and monitoring of mesoscale and submesoscale eddies that hydrological sections identify only occasionally.; La redécouverte en 2003 par Holbrook et al. que la colonne d'eau pouvait être imagée par la méthode de la sismique marine a débouché sur la mise en place du projet européen GO (Geophysical Oceanography). Ce projet a eu pour but d'améliorer notre compréhension de la structure à méso et sous-méso-échelle de l'océan en étudiant plus particulièrement le Golfe de Cadix où une structure thermohaline complexe est présente. Les travaux présentés dans ce travail de thèse s'inscrivent directement dans ce projet. En retraitant des données historiques de sismique marine et d'hydrologie, nous avons réhabilité le jeu de données conséquent qui existait sur cette zone. Nous avons ainsi démontré que ces données de sismique marine permettaient d'imager les structures océanographiques de la méso-échelle à la sous-mésoéchelle avec une résolution horizontale d'environ 10 m. Les données d'hydrologie dont la résolution verticale est inférieure au mètre nous permettent de calibrer les données de sismique marine en température et salinité. Afin de relier nos deux jeux de données, nous avons cherché à définir le signal sismique. Celui-ci est reconstruit en convoluant le coefficient de réflexion avec l'ondelette source du système d'acquisition sismique. Le principal facteur influençant le signal sismique est la température via le gradient de vitesse du son. Les données de sismique marine et d'hydrologie de la campagne GO acquises simultanément dans le Golfe de Cadix en Avril 2007 ont ensuite été analysées pour déterminer la nature physique et les caractéristiques géométriques des réflecteurs acoustiques dans la colonne d'eau. Les données sismiques montrent des réflecteurs intenses, proches de la surface, au-dessus des courants d'Eau Méditerranéenne (EM), au-dessus d'un Meddy, et dans une structure de sous-méso-échelle de l'EM qui sont liés à de forts contrastes thermohalins. L'analyse en ondelettes verticales appliquées aux données sismiques indique des réflecteurs de longueurs d'onde verticales (16-64 m) associées à une stratification thermohaline. En bordure du Meddy, des intrusions latérales d'eau moins salée sont révélées par des réflecteurs de 25-75 m d'épaisseur. Les données sismiques étudiées révèlent que les limites supérieures et inférieures des couches correspondent à l'existence de structures à fine-échelle. Les données basse fréquence de sismique marine permettent la détection systématique et la surveillance des tourbillons de mésoéchelle et de sous-méso-échelle qui ne sont identifiés qu'occasionnellement avec les sections d'hydrologie.

Many physical processes are involved in the Gulf of Lions hydrody- namics, Mediterranean Sea, exhibiting high spatial and temporal variability. Their generation is often linked to atmospheric conditions and in particular to wind forcing. This works aims at understanding this influence on small scale processes and investigates the relevance of high resolution atmospheric forcing for hydrodynamic modeling. Firstly, the impact of the local wind forcing on the generation of a mesoscale eddy, previously observed by HF radars, is evidenced. Several idealized configurations also allow to analyze the role of river discharge, background shelf circulation and bathymetric effects, through idealized numerical modeling. Then, different atmospheric models are assessed to drive hydrodynamic modeling in the Gulf of Lions, with distinctive resolutions. Iner- tial motions, internal oscillations and mesoscale variability are shown to be accentuated when using high-resolution forcing. The importance of wind spatial variability is also evidenced, in terms of upwelling system and shelf intrusions., L'hydrodynamique du Golfe du Lion, situé en Méditerranée Nord Occidentale, fait intervenir de nombreux processus physiques, présentant des échelles de variabilité spatiale et temporelle très hétérogènes. La plupart de ces processus sont générés en réponse aux conditions atmosphériques et en particulier au forçage du vent. Ce travail de thèse contribue à la compréhension de cet impact sur les processus de petit échelle et met en évidence l'intérêt de la haute-résolution de ces forçages. Dans un premier temps, une étude de processus a permis de mettre en évidence l'influence du vent sur la génération d'un tourbillon méso-échelle situé à l'Est du golfe, pécédemment observé par radars HF. Les influences respectives de la bathymétrie, des effets de flottabilité et de la circulation générale ont également été évaluées à l'aide de configurations idéalisées du modèle hydrodynamique MARS3D. Dans un deuxième temps, différents modèles atmosphériques, de résolutions différentes, ont été comparés en tant que forçage d'un modèle hydrodynamique réaliste du Golfe du Lion. D'un point de vue énergétique, les mouvements inertiels de la couche de surface, les oscillations de la thermocline et la variabilité méso-échelle de l'océan sont amplifiés avec le modèle atmosphérique haute- résolution AROME. Cette étude également permis de mettre en évidence l'importance de la variabilité spatiale du vent pour la génération de l'upwelling au Nord du plateau et les intrusions le long de la côte Ouest.

This work aims to characterise and quantify the differences between large-scale oceanic climatic indices simulated by a 9-member set of realistic numerical ocean models (five hindcasts and four reanalyses). The focus is on the North Atlantic region. The following climatic indices : meridional overturning circulation and meridional heat transport, are diagnosed in the various models. The models are run over a common period of nine years. The focus of this study is climatic variability at interannual scales. The influence of numerical parameters, such as spatial configuration and resolution, and the influence of various sequential data assimilation schemes, are evaluated. We evaluate them through comparison with observed large-scale climatic indices. The model solutions exhibit a strong diversity concerning the averaged values and the temporal variations of the meridional volume and heat transports. The ocean reanalyses considered in this study, although constrained towards an observed ocean, do not converge towards the coherent large-scale climatic indices. These reanalyses are not coherent, neither between each other, nor compared to available observational estimations, underlying the difficulty to simulate coherent large-scale climatic indices with local data assimilation.; Ce travail de thèse a pour objectif de caractériser et quantifier les différences entre indices climatiques océaniques grande échelle simulés par une hiérarchie de neuf modèles numériques océaniques réalistes (cinq simulations libres et quatre réanalyses). Cette étude se focalise sur la région Atlantique Nord. Les indices climatiques suivants : transport méridien de volume (circulation méridienne d'overturning) et transport méridien de chaleur sont diagnostiqués dans les différents modèles. La période commune à huit des simulations s'étend sur neuf ans, l'étude de la variabilité de ces indices climatiques se focalise sur l'echelle interannuelle. L'influence de différents paramètres numériques : configuration et la résolution spatiales des modèles numérique libres, et l'influence de différents schémas d'assimilation de données séquentielle des réanalyses, sont évaluées au regard des observations et estimations disponibles de ces indices climatiques grande échelle. Il ressort de ce travail une importante diversité des solutions des modèles quant aux valeurs moyennes et aux variations de ces transports méridiens de volume et de chaleur. Les réanalyses océaniques étudiées ici, qui ont pourtant été contraintes vers un océan observé, peinent à converger vers des indices climatiques grande échelle cohérents, tant en moyenne qu'en variabilité interannuelle. Le manque de robustesse de ces réanalyses s'exprime par leur faible cohérence entre elles mais aussi au regard des estimations observationnelles disponibles, et illustre ainsi la difficulté de simuler des indices climatiques cohérents à grande échelle en assimilant avec des contraintes locales.

This work aims to characterise and quantify the differences between large-scale oceanic climatic indices simulated by a 9-member set of realistic numerical ocean models (five hindcasts and four reanalyses). The focus is on the North Atlantic region. The following climatic indices : meridional overturning circulation and meridional heat transport, are diagnosed in the various models. The models are run over a common period of nine years. The focus of this study is climatic variability at interannual scales. The influence of numerical parameters, such as spatial configuration and resolution, and the influence of various sequential data assimilation schemes, are evaluated. We evaluate them through comparison with observed large-scale climatic indices. The model solutions exhibit a strong diversity concerning the averaged values and the temporal variations of the meridional volume and heat transports. The ocean reanalyses considered in this study, although constrained towards an observed ocean, do not converge towards the coherent large-scale climatic indices. These reanalyses are not coherent, neither between each other, nor compared to available observational estimations, underlying the difficulty to simulate coherent large-scale climatic indices with local data assimilation., Ce travail de thèse a pour objectif de caractériser et quantifier les différences entre indices climatiques océaniques grande échelle simulés par une hiérarchie de neuf modèles numériques océaniques réalistes (cinq simulations libres et quatre réanalyses). Cette étude se focalise sur la région Atlantique Nord. Les indices climatiques suivants : transport méridien de volume (circulation méridienne d'overturning) et transport méridien de chaleur sont diagnostiqués dans les différents modèles. La période commune à huit des simulations s'étend sur neuf ans, l'étude de la variabilité de ces indices climatiques se focalise sur l'echelle interannuelle. L'influence de différents paramètres numériques : configuration et la résolution spatiales des modèles numérique libres, et l'influence de différents schémas d'assimilation de données séquentielle des réanalyses, sont évaluées au regard des observations et estimations disponibles de ces indices climatiques grande échelle. Il ressort de ce travail une importante diversité des solutions des modèles quant aux valeurs moyennes et aux variations de ces transports méridiens de volume et de chaleur. Les réanalyses océaniques étudiées ici, qui ont pourtant été contraintes vers un océan observé, peinent à converger vers des indices climatiques grande échelle cohérents, tant en moyenne qu'en variabilité interannuelle. Le manque de robustesse de ces réanalyses s'exprime par leur faible cohérence entre elles mais aussi au regard des estimations observationnelles disponibles, et illustre ainsi la difficulté de simuler des indices climatiques cohérents à grande échelle en assimilant avec des contraintes locales.

The representation in numerical models of dense shelf water formation and interaction between sea ice, ocean, and atmosphere are essential for realistic simulation of bottom water mass and thermohaline circulation. The purpose of this work is to improve the representation of basic processes controling the formation and modification of shelf dense water in Antarctic like sea ice, ice shelves and forcing fields in NEMO ocean/sea-ice model. Series of realistic simulations show that fine tuning for the sea ice model, ice shelf parametrization, and katabatic winds correction have a positive impact on simulated sea ice, polynya and shelf water properties. However, these improvements are not able to correct all initial flaws. Other simulations are carried out, to test the effect of adifferent atmospheric forcing obtained from a regional downscaling of global reanalysis ERA40 in Antarctic area, performed with a regional mesoscale atmospheric model. This work shows that turbulent atmospheric variables (temperature, humidity and wind) have a strong positive impacts on sea ice and shelf water properties. This impact is greater that the tuning, parametrization and correction performed previously. Nevertheless, great effort are yet necessary to produce the regional forcing fields that sea-ice and ice shelves require., La représentation dans un modèle numérique de la circulation générale océanique de la formation des eaux denses de plateau et des intéractions entre la glace de mer, l'océan et l'atmosphère en Antarctique est indispensable pour une simulation réaliste des masses d'eau profonde et de la circulation thermohaline de l'océan global. Dans ce travail, j'ai cherché à améliorer la modélisation des phénomènes importants pour la formation et la modification des eaux denses présentes sur le plateau continental antarctique (glace de mer, ice shelves, forçage atmosphérique) dans le code d'océan/glace de mer NEMO. J'ai montré, avec des simulations régionales réalistes, que les réglages fins proposés pour le modèle de glace, l'implémentation de la paramétrisation des ice shelves, ainsi qu'une meilleure représentation des vents catabatiques ont chacun des impacts positifs sur les propriétés de la glace de mer, des polynies et des eaux de plateau. Cependant, les défauts initiaux ne sont pas totalement corrigés. Afin de rectifier les problèmes restants, des simulations sont effectuées avec un forçage atmosphérique adapté au continent Antarctique par un downscaling des réanalyses atmosphériques globales ERA40 réalisé par un modèle atmosphérique de mésoechelle. Ces simulations montrent que des améliorations bien plus importantes que celles réalisées précédemment peuvent être obtenues en changeant la température, l'humidité et le vent de surface, autant en terme de glace de mer que de densité de masses d'eau présentes sur le plateau continental. Malgré ces perfectionnements, des efforts importants restent à faire au niveau du forçage atmosphérique, du modèle de glace et des ice shelves

We propose a new formulation of the probability distribution function of wind driven water surface slope with an $\alpha$-stable distribution probability. The mathematical formulation of the probability distribution function is given under an integral formulation. Application to represent the probability of time slope data from laboratory experiments is carried out with satisfactory results. We compare also the $\alpha$-stable model of the water surface slopes with the Gram-Charlier development and the non-Gaussian model of Liu et al\cite{Liu}. Discussions and conclusions are conducted on the basis of the data fit results and the model analysis comparison., Comment: final version of the manuscript: 25 pages

International audience; ROMSTOOLS, a collection of global data sets and a series of Matlab programs collected in an integrated toolbox, generates the grid, surface forcing, initial condition, open boundary conditions, and tides for climatological and inter-annual ROMS ocean simulations. ROMSTOOLS also generates embedded models, real-time coastal modeling systems, as well as experiments including biology. Tools for visualization, animations and diagnostics are also provided.

The numerical representation of gravity currents and along-slope currents is very important to achieve realistic simulations of deep water masses and of the thermohaline circulation in the global ocean. Our goal is to improve the modelling of both current/topography interactions in the NEMO ocean general circulation model at eddy-permitting (1/4°) resolution. We show with idealized and realistic configurations that using a classical bottom boundary layer parameterization (downslope tracer advection and diffusion) improves the solutions but over-estimates overflow mixing downstream of the straits. A (systematic but weak) decrease of this parameterization's biaises is obtained by increasing local ageostrophic effects (parietal friction, momentum advection within the BBL). Our work suggests that this parameterization reaches its limits of application beyond the eddy-permitting regime.; La représentation numérique des écoulements gravitaires et des courants de bords horizontaux est tr'es importante pour la simulation r'ealiste des masses d'eau profondes et de la circulation thermohaline de l'océan global. Dans ce travail, nous cherchons a mieux modéliser ces deux interactions courant/topographie dans le code numérique de circulation océanique NEMO, en régime dynamique "eddy-permitting". Nous montrons, avec des configurations idéalisées et réalistes, que l'usage d'une paramétrisation de couche de fond classique (BBL : diffusion et advection des traceurs) améliore les solutions mais surestime le mélange en aval des seuils topographiques. Une réduction (systématique mais faible) des biais de la paramétrisation est obtenue par l'augmentation locale des effets agéostrophiques (friction pariétale et de fond, advection de la quantité de mouvement dans la BBL). Nos travaux suggèrent que cette paramétrisation atteint ses limites d'application dans le r'egime "eddy-permitting".

The present work focuses on improving the atmospheric forcing function used to drive ocean general circulation hindcasts of the last five decades. First, the behavior of the main parameterizations used to estimate surface fluxes that provide surface boundary conditions to OGCMs is studied in detail. The NEMO ocean/sea-ice model is then used at a 2° coarse resolution to validate atmospheric datasets especially designed to drive the DRAKKAR hierarchy of high-resolution models. These new datasets include, over the period 1958-2004, corrected surface atmospheric fields from ERA-40, a modified satellite radiation product from the ISCCP, and precipitation fields merging different global products. Relevant diagnostics tend to confirm that the simulation of several key features of the ocean circulation are significantly improved while driving DRAKKAR models with these new forcing sets.; Ce travail de thèse porte sur l'amélioration du forçage atmosphérique utilisé pour réaliser des simulations numériques inter-annuelles globales de l'état physique de l'océan durant les 5 dernières décennies. Après une étude détaillant et comparant le comportementde diverses paramétrisations utilisées pour estimer les flux de surface servant de conditions limites, le modèle de circulation générale de l'océan et des glaces de mer NEMO est utilisé sur sa configuration à 2° de résolution pour valider des jeux de données atmosphériques spécialement destinés au forçage des modèles haute résolution du projet DRAKKAR. Ces jeux de données combinent, sur une période allant de 1958 à 2004, des champs atmosphériques de surface corrigés issus de ERA-40, une recalibration des radiations satellitaires de L'ISCCP ainsi que des précipitations incorporant différents produits globaux. Divers diagnostics confirment que ces nouveaux forçages mènent à une meilleure simulation de certaines caractéristiques clefs de la circulation océanique globale.

A data assimilation system for ocean models, the SEEK (Singular Evolutive Extended Kalman) filter, is studied to control a Bay of Biscay configuration. This 1/15° configuration, nested in a 1/3° North Atlantic configuration, through the use of Open (sea) Boundaries Conditions, is developed using HYCOM (Hybrid Coordinate Ocean Model). This study focuses on the parametrization of the model error in the SEEK filter, and more generally in low rank Kalman filters, in order to control regional models. Classic parametrizations of these data assimilation systems, which have been developed initially for basin models, are not adapted to the regional dynamics complexity. Ensemble methods are used to get a realistic estimation of the model error due to bad determination of atmospheric and open boundary forcings. These forcings influence is supposed to be very important on regional dynamics. Model error statistics are characterized using the method of representers, which demonstrates the impact of the assimilation of various type of observations to control the oceanic state. The propagation of the error generated at open boundaries is weak. The use of the error due to atmospheric forcings to parameterize the SEEK filter for surface temperature assimilation experiments gives good results. Their comparison with those given by a more classical parametrization shows the benefits of this study on model error.; Cette thèse porte sur l'application du filtre SEEK (Singular Evolutive Extended Kalman filter), un système d'assimilation de données pour les modèles océaniques, au contrôle d'une configuration du Golfe de Gascogne. Cette configuration au 1/15°, emboîtée dans une configuration au 1/3° de l'Atlantique Nord à travers l'emploi de Conditions aux Frontières Ouvertes (en mer), est développée à l'aide du modèle HYCOM (Hybrid Coordinate Ocean Model) à coordonnée verticale hybride. L'étude porte essentiellement sur la paramétrisation de l'erreur modèle dans le filtre SEEK, et plus généralement dans les filtres de Kalman de rangs réduits, pour le contrôle des modèles régionaux. Les paramétrisations classiques de ces systèmes d'assimilation, développés jusqu'à présent pour les modèles de bassin, sont inadaptées à la complexité de la dynamique régionale. On utilise des méthodes d'ensemble pour estimer de façon réaliste l'erreur modèle liée à la mauvaise détermination des forçages aux limites, forçages atmosphériques et CFO, dont l'influence est a priori très importante sur la dynamique régionale. La caractérisation des statistiques de l'erreur modèle est réalisée à l'aide de la méthode des représenteurs qui montre l'impact de l'assimilation de divers types d'observations pour le contrôle de l'état océanique. La propagation de l'erreur générée aux frontières ouvertes est faible. Les bons résultats donnés par l'emploi de l'erreur liée aux forçages atmosphériques, pour paramétrer le filtre SEEK dans des expériences d'assimilation de température de surface, que l'on compare à ceux donnés par une paramétrisation plus classique, montrent l'apport de cette étude sur l'erreur modèle.

The present work focuses on improving the atmospheric forcing function used to drive ocean general circulation hindcasts of the last five decades. First, the behavior of the main parameterizations used to estimate surface fluxes that provide surface boundary conditions to OGCMs is studied in detail. The NEMO ocean/sea-ice model is then used at a 2° coarse resolution to validate atmospheric datasets especially designed to drive the DRAKKAR hierarchy of high-resolution models. These new datasets include, over the period 1958-2004, corrected surface atmospheric fields from ERA-40, a modified satellite radiation product from the ISCCP, and precipitation fields merging different global products. Relevant diagnostics tend to confirm that the simulation of several key features of the ocean circulation are significantly improved while driving DRAKKAR models with these new forcing sets., Ce travail de thèse porte sur l'amélioration du forçage atmosphérique utilisé pour réaliser des simulations numériques inter-annuelles globales de l'état physique de l'océan durant les 5 dernières décennies. Après une étude détaillant et comparant le comportementde diverses paramétrisations utilisées pour estimer les flux de surface servant de conditions limites, le modèle de circulation générale de l'océan et des glaces de mer NEMO est utilisé sur sa configuration à 2° de résolution pour valider des jeux de données atmosphériques spécialement destinés au forçage des modèles haute résolution du projet DRAKKAR. Ces jeux de données combinent, sur une période allant de 1958 à 2004, des champs atmosphériques de surface corrigés issus de ERA-40, une recalibration des radiations satellitaires de L'ISCCP ainsi que des précipitations incorporant différents produits globaux. Divers diagnostics confirment que ces nouveaux forçages mènent à une meilleure simulation de certaines caractéristiques clefs de la circulation océanique globale.

A data assimilation system for ocean models, the SEEK (Singular Evolutive Extended Kalman) filter, is studied to control a Bay of Biscay configuration. This 1/15° configuration, nested in a 1/3° North Atlantic configuration, through the use of Open (sea) Boundaries Conditions, is developed using HYCOM (Hybrid Coordinate Ocean Model). This study focuses on the parametrization of the model error in the SEEK filter, and more generally in low rank Kalman filters, in order to control regional models. Classic parametrizations of these data assimilation systems, which have been developed initially for basin models, are not adapted to the regional dynamics complexity. Ensemble methods are used to get a realistic estimation of the model error due to bad determination of atmospheric and open boundary forcings. These forcings influence is supposed to be very important on regional dynamics. Model error statistics are characterized using the method of representers, which demonstrates the impact of the assimilation of various type of observations to control the oceanic state. The propagation of the error generated at open boundaries is weak. The use of the error due to atmospheric forcings to parameterize the SEEK filter for surface temperature assimilation experiments gives good results. Their comparison with those given by a more classical parametrization shows the benefits of this study on model error., Cette thèse porte sur l'application du filtre SEEK (Singular Evolutive Extended Kalman filter), un système d'assimilation de données pour les modèles océaniques, au contrôle d'une configuration du Golfe de Gascogne. Cette configuration au 1/15°, emboîtée dans une configuration au 1/3° de l'Atlantique Nord à travers l'emploi de Conditions aux Frontières Ouvertes (en mer), est développée à l'aide du modèle HYCOM (Hybrid Coordinate Ocean Model) à coordonnée verticale hybride. L'étude porte essentiellement sur la paramétrisation de l'erreur modèle dans le filtre SEEK, et plus généralement dans les filtres de Kalman de rangs réduits, pour le contrôle des modèles régionaux. Les paramétrisations classiques de ces systèmes d'assimilation, développés jusqu'à présent pour les modèles de bassin, sont inadaptées à la complexité de la dynamique régionale. On utilise des méthodes d'ensemble pour estimer de façon réaliste l'erreur modèle liée à la mauvaise détermination des forçages aux limites, forçages atmosphériques et CFO, dont l'influence est a priori très importante sur la dynamique régionale. La caractérisation des statistiques de l'erreur modèle est réalisée à l'aide de la méthode des représenteurs qui montre l'impact de l'assimilation de divers types d'observations pour le contrôle de l'état océanique. La propagation de l'erreur générée aux frontières ouvertes est faible. Les bons résultats donnés par l'emploi de l'erreur liée aux forçages atmosphériques, pour paramétrer le filtre SEEK dans des expériences d'assimilation de température de surface, que l'on compare à ceux donnés par une paramétrisation plus classique, montrent l'apport de cette étude sur l'erreur modèle.

The numerical representation of gravity currents and along-slope currents is very important to achieve realistic simulations of deep water masses and of the thermohaline circulation in the global ocean. Our goal is to improve the modelling of both current/topography interactions in the NEMO ocean general circulation model at eddy-permitting (1/4°) resolution. We show with idealized and realistic configurations that using a classical bottom boundary layer parameterization (downslope tracer advection and diffusion) improves the solutions but over-estimates overflow mixing downstream of the straits. A (systematic but weak) decrease of this parameterization's biaises is obtained by increasing local ageostrophic effects (parietal friction, momentum advection within the BBL). Our work suggests that this parameterization reaches its limits of application beyond the eddy-permitting regime., La représentation numérique des écoulements gravitaires et des courants de bords horizontaux est tr'es importante pour la simulation r'ealiste des masses d'eau profondes et de la circulation thermohaline de l'océan global. Dans ce travail, nous cherchons a mieux modéliser ces deux interactions courant/topographie dans le code numérique de circulation océanique NEMO, en régime dynamique "eddy-permitting". Nous montrons, avec des configurations idéalisées et réalistes, que l'usage d'une paramétrisation de couche de fond classique (BBL : diffusion et advection des traceurs) améliore les solutions mais surestime le mélange en aval des seuils topographiques. Une réduction (systématique mais faible) des biais de la paramétrisation est obtenue par l'augmentation locale des effets agéostrophiques (friction pariétale et de fond, advection de la quantité de mouvement dans la BBL). Nos travaux suggèrent que cette paramétrisation atteint ses limites d'application dans le r'egime "eddy-permitting".

The objective of this work is to evaluate the contribution of a Mean Dynamic Topography (MDT) deduced from the GRACE gravimetric data, in order to reconstruct the Tropical Pacific Ocean circulation via data assimilation.Recent advances in our knowledge of the geoid have driven us to investigate the impact of using a fully observed absolute altimetric signal. The OPA model of the Tropical Pacific Ocean, where in-situ and quasi-synoptic data are available (TAO array), and a reduced order Kalman filter (SEEK) have been developed and used under different configurations. The first one assumes a pre-GRACE situation using an artificial MDT from the model itself, while the second one uses a fully observed MDT computed with the GRACE geoid. TAO temperature profiles are jointly assimilated into the model.This work points out the importance of the mean reference reliability to assimilate sea level anomaly. The main result concerns the improved ability of the assimilation system using GRACE to deal with both satellite and in-situ observations. The joint assimilation of altimetry and TAO data is more efficient thanks to a better compatibility brought by the use of GRACE data.Furthermore, a physical analysis has been conducted, considering the data assimilation contribution on the simulated dynamics of the Tropical Pacific Ocean. This work specifically aims at illustrating how data assimilation can contribute to improve our understanding of the wide amount of physical mechanisms driving the ocean dynamics in this region.Interestingly and retrospectively, this analysis also reveals an area (along 8°N) where the GRACE data may have a limitation that should be fixed., L'objectif de ce travail est d'estimer les apports d'une topographie dynamique moyenne (MDT) déduite des données gravimétriques GRACE, pour la reconstruction de la circulation océanique du Pacifique Tropical par assimilation de données.Les récentes avancées de notre connaissance du géoïde nous ont conduit à étudier l'impact de l'utilisation d'un signal altimétrique absolu. Un modèle (OPA) de l'Océan Pacifique Tropical, où des observations in-situ et quasi-synoptiques sont disponibles (réseau TAO), et un filtre de Kalman en rang réduit (SEEK) ont été mis au point et utilisés dans différentes configurations. La première suppose une situation pré-GRACE et utilise une MDT artificielle. La deuxième utilise une MDT observée déduite du géoïde GRACE. Conjointement à l'altimétrie, les profils de température TAO sont assimilés.Ce travail montre l'importance d'une bonne référence pour les résidus altimétriques. Le résultat le plus important concerne la capacité du système d'assimilation utilisant GRACE à mieux composer avec des données mixtes: satellites et in-situ. Ici, l'assimilation conjointe d'altimétrie et de données TAO est plus performante grâce à la meilleure compatibilité des données.En outre, une analyse physique, qui considère l'apport de l'assimilation à l'amélioration de la représentation de la dynamique du Pacifique Tropical, a été conduite. L'originalité de ce travail est de montrer comment l'assimilation contribue à améliorer notre compréhension des mécanismes physiques en action dans ce bassin.De manière intéressante et rétrospective, cette analyse révèle aussi une zone (8°N) où les données GRACE semblent avoir des faiblesses qu'il serait judicieux de corriger.

The objective of this work is to evaluate the contribution of a Mean Dynamic Topography (MDT) deduced from the GRACE gravimetric data, in order to reconstruct the Tropical Pacific Ocean circulation via data assimilation.Recent advances in our knowledge of the geoid have driven us to investigate the impact of using a fully observed absolute altimetric signal. The OPA model of the Tropical Pacific Ocean, where in-situ and quasi-synoptic data are available (TAO array), and a reduced order Kalman filter (SEEK) have been developed and used under different configurations. The first one assumes a pre-GRACE situation using an artificial MDT from the model itself, while the second one uses a fully observed MDT computed with the GRACE geoid. TAO temperature profiles are jointly assimilated into the model.This work points out the importance of the mean reference reliability to assimilate sea level anomaly. The main result concerns the improved ability of the assimilation system using GRACE to deal with both satellite and in-situ observations. The joint assimilation of altimetry and TAO data is more efficient thanks to a better compatibility brought by the use of GRACE data.Furthermore, a physical analysis has been conducted, considering the data assimilation contribution on the simulated dynamics of the Tropical Pacific Ocean. This work specifically aims at illustrating how data assimilation can contribute to improve our understanding of the wide amount of physical mechanisms driving the ocean dynamics in this region.Interestingly and retrospectively, this analysis also reveals an area (along 8°N) where the GRACE data may have a limitation that should be fixed.; L'objectif de ce travail est d'estimer les apports d'une topographie dynamique moyenne (MDT) déduite des données gravimétriques GRACE, pour la reconstruction de la circulation océanique du Pacifique Tropical par assimilation de données.Les récentes avancées de notre connaissance du géoïde nous ont conduit à étudier l'impact de l'utilisation d'un signal altimétrique absolu. Un modèle (OPA) de l'Océan Pacifique Tropical, où des observations in-situ et quasi-synoptiques sont disponibles (réseau TAO), et un filtre de Kalman en rang réduit (SEEK) ont été mis au point et utilisés dans différentes configurations. La première suppose une situation pré-GRACE et utilise une MDT artificielle. La deuxième utilise une MDT observée déduite du géoïde GRACE. Conjointement à l'altimétrie, les profils de température TAO sont assimilés.Ce travail montre l'importance d'une bonne référence pour les résidus altimétriques. Le résultat le plus important concerne la capacité du système d'assimilation utilisant GRACE à mieux composer avec des données mixtes: satellites et in-situ. Ici, l'assimilation conjointe d'altimétrie et de données TAO est plus performante grâce à la meilleure compatibilité des données.En outre, une analyse physique, qui considère l'apport de l'assimilation à l'amélioration de la représentation de la dynamique du Pacifique Tropical, a été conduite. L'originalité de ce travail est de montrer comment l'assimilation contribue à améliorer notre compréhension des mécanismes physiques en action dans ce bassin.De manière intéressante et rétrospective, cette analyse révèle aussi une zone (8°N) où les données GRACE semblent avoir des faiblesses qu'il serait judicieux de corriger.

On mesure depuis peu le rôle essentiel joué par l'océan dans les mécanismes complexes qui régissent le climat. En stockant la chaleur reçue du Soleil pour la transporter des tropiques vers les régions tempérées, l'océan interagit avec l’atmosphère, contribuant à rendre notre planète habitable. Dans le contexte du réchauffement climatique global, l'étude tes relations entre l’océan et le climat est devenue un enjeu scientifique majeur. En quelques décennies, l'océanographie physique est passée d'une approche descriptive et géographique à une approche géophysique. Cette mutation spectaculaire a été rendue possible grâce au développement de programmes internationaux sans précédent, auxquels se sont ajoutés les apports déterminants de' l’observation spatiale et de la modélisation numérique. Ce vaste déploiement de moyens techniques, scientifiques et humains est à l’origine de la découverte des mécanismes fondamentaux de la dynamique des océans, et du rôle particulier des océans tropicaux dans la variabilité climatique. Accessible à un large public, cet ouvrage retrace dans sa dimension scientifique et humaine les conquêtes d'une discipline en plein essor, à présent au cœur des questionnements sur le climat futur.

Dans le cadre de l'initiative pour les récifs coralliens du Pacifique sud (CRISP), le WWF-France a souhaité développer un projet pour la protection des récifs et des lagons néo-calédoniens. L'atelier, qui s'est déroulé les 10 et 11 août à Nouméa, avait pour objectif de rassembler les scientifiques et les experts du lagon néocalédonien pour identifier, sur la base de leur connaissance experte, les zones les plus remarquables du lagon (richesse, endémisme, originalité des faunes et flores, espèces emblématiques, zones d'intérêt fonctionnel) sur lesquelles doivent porter en priorité les efforts de conservation. Il a permis d'identifier 20 aires prioritaires pour la conservation, parmi lesquelles 6 ont un intérêt mondial, 4 ont un intérêt sur le plan régional, les autres ayant un intérêt local.

The following submission paper has been prepared to describe the various components of the Reunion island remote sensing project. This project was undertaken by the "centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement" (CIRAD) to conduct airborne CASI data collection surveys in Reunion Island. The data resulting of this campaign will serve several projects as SUCRETTE (System de sUivi de la Canne A suCRe par TélédéTEction) or AGIL (Aide à la Gestion lntégrée des Littoraux). These projects are focused on the use of remote sensing data in the environmental monitoring studies. They will bring support to the field actors on the aspect of pollution (urban extension pressure, agricultural areas above coral reefs) by coastal reef monitoring, or farming method (fertilizer, harvest monitoring) by analyzing indicators (plant stress...). One aspect of the use of the collected data is presented here. The purpose of this study is to analyze the possibility of superspectral imagery on coral reef in tropical environment. The data collection phase of the project took place between Sept 15th and Oct 4th, 2002 in Réunion Island. Several lines were taken (41 transects at 2 m spatial resolution over 19 bands) over coral reef on the south-west coastal part of the island. The CASI system was provided by a Canadian company HDI (Hyperspectral Data Incorporated). A previous CASI campaign had occurred on the same places in 1996 and will allow us to analyze the evolution of the benthos fauna (algae and coral). However, on a first step, a study of bathymetry was done and is presented here. Several wavelength in the visible and infrared part of the spectrum were used with the methodology developed by W. D. Philpot [1, 2] and used by S. Andréfouet [3]. Referenced points (geographic position, depth and spectral reflectance on white submerged targets) were acquired on the field during the acquisition CASI data campaign. A procedure of treatment developed on IDL language has been used to obtain an accurate map of bathymetry that the accuracy was checked with depth points already taken on the field with DGPS.