Mesoscale eddies in the western Mediterranean Sea : characterization and understanding from satellite observations and model simulations.
Tourbillons mésoéchelle dans la Méditerranée occidentale : caractérisation et compréhension à l'aide d'observations altimétriques et de simulations numériques
Résumé
Mesoscale eddies are relatively small structures that dominate the ocean variability and have large impact on large scale circulation, heat fluxes and biological processes. In the western Mediterranean Sea, a high number of eddies has been observed and studied in the past with in-situ observations. Yet, a systematic characterization of these eddies is still lacking due to the small scales involved in these processes in this region where the Rossby deformation radius that characterizes the horizontal scales of the eddies is small (10-15 km). The objective of this thesis is to perform a characterization of mesoscale eddies in the western Mediterranean. For this purpose, we propose to develop tools to study the fine scales of the basin. First, we develop an eddy resolving simulation of the region for the last 20 years. The performance of the simulation is evaluated with independent observations (drifters, satellites, hydrographic profiles) showing realistic behavior. This simulation shows that existing altimetry maps underestimate the mesoscale signal. Therefore, we attempt to improve existing satellite altimetry products to better resolve mesoscale eddies. We show that this improvement is possible but at the cost of the homogeneity of the fields; the resolution can only be improved at times and locations where altimetric observations are densely distributed. In a second part, we apply three different eddy detection and tracking methods to extract eddy characteristics from the outputs of the high-resolution simulation, a coarser simulation and altimetry maps. The results allow the determination of some characteristics of the detected eddies. The size of eddies can greatly vary but is around 25-30 km. About 30 eddies are detected per day in the region with a very heterogeneous spatial distribution. Unlike other areas of the open ocean, they are mainly advected by currents of the region. Eddies can be separated according to their lifespan. Long-lived eddies are larger in amplitude and scale and have a seasonal cycle with a peak in late summer, while short-lived eddies are smaller and more present in winter. The penetration depth of detected eddies has also a large variance but the mean depth is around 300 meters. Anticyclones extend deeper in the water column and have a more conic shape than cyclones.
Les tourbillons de mésoéchelle sont des structures relativement petites qui dominent la variabilité océanique et qui ont un impact sur la circulation de grande échelle, les flux de chaleurs et les processus biologiques dans l'océan. De nombreux tourbillons ont été observés dans la Méditerranée occidentale. Pourtant, il n'existe pas une caractérisation systématique de ces structures en raison des petites dimensions de ces structures dans la région où le rayon de déformation de Rossby qui caractérise la taille des tourbillons est petit (10-15 km). L'objectif de cette thèse est donc une caractérisation des tourbillons mésoéchelle dans la Méditerranée occidentale. Dans cette optique, des outils sont développés pour étudier les fines échelles dans le bassin. Une simulation « eddy-resolving » de la région est ainsi réalisée sur une période de 20 ans. Une évaluation à l'aide de données indépendantes et des connaissances actuelles montre un comportement réaliste de la simulation. L'étude des niveaux d'énergie de la simulation montre que les cartes altimétriques existantes sous-estiment le signal mésoéchelle. Une nouvelle méthode d'interpolation des traces altimétriques est alors développée pour mieux représenter la mésoéchelle. Cependant cette amélioration se fait au détriment de l'homogénéité de la résolution des cartes altimétriques. Dans un second temps, trois méthodes de détection et suivi des tourbillons sont appliquées aux cartes altimétriques, le modèle à haute résolution et un modèle à plus faible résolution pour extraire les caractéristiques des tourbillons. La taille des tourbillons varie grandement mais est en moyenne d'environ 25-30 km. Autour de 30 tourbillons sont détectés dans la région par jour avec une distribution spatiale très hétérogène. Au contraire d'autres régions du globe, ils sont principalement advectés par les courants moyens. En séparant les tourbillons selon leur durée de vie, on remarque que les ceux à longue durée de vie sont plus grands, plus intenses et ont un cycle saisonnier avec un pic en fin d'été, alors que ceux à plus courte durée de vie sont plus petits, moins intenses et plus présents en hiver. La profondeur des tourbillons a une grande variance mais la moyenne est de 300 m. Les tourbillons anticycloniques sont en moyenne plus profond et ont une forme plus conique que les tourbillons cycloniques.
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