Thèse Année : 2024

Southern Ocean eddy fluxes from small mesoscale processes with the SWOT mission

Flux tourbillonnaires à fine échelle dans l'Océan Austral avec la mission satellitaire SWOT

Résumé

Understanding the ocean's horizontal and vertical circulation at small scales is an open challenge in oceanography. Unravelling the finest details of water's movement will allow us to access precious information on the ocean's capability of storing and transporting heat, gases, and nutrients. The structures that transport most of the kinetic energy in our oceans are eddies, ubiquitous in the ocean, characterized by scales from hundreds to just a few kilometres. Large eddies, with diameters exceeding 100 km, are well-documented using in-situ instruments and satellite altimeters that measure sea-level height, highlighting their critical role in the horizontal transport of heat and carbon. In recent years, studies have shown that smaller eddies (10 to 100 km) contribute significantly to horizontal transport and drive vertical water movements. These vertical motions are essential for regulating the exchanges between the ocean surface and deeper layers, facilitating the storage of excess heat and carbon from the atmosphere. However, current satellite altimeters capture an incomplete view of large eddy life cycles, particularly of the key processes of generation and dissipation at smaller scales. Hence, most climate models still exclude small-scale phenomena, and even high-resolution ocean models cannot be validated at these scales due to the lack of observational data. The new NASA/CNES satellite SWOT (Surface Water and Ocean Topography) offers a global view of the oceans at unprecedented fine scales (down to 15 km). Its wide 120-km swath covers over 90% of the Earth's surface. In this work, we address whether SWOT can resolve some of the missing dynamics at the fine scale and what physical phenomena can be deduced from its observations. Pre-launch, we analysed a high-resolution numerical model in the extended Agulhas Current region that simulates the small scales in SWOT observations. The results indicate that SWOT would strongly contribute to the surface geostrophic kinetic energy and strain compared to mapped nadir altimetry. SWOT sampling and noise were also simulated in the Agulhas region, and pseudo-SWOT observations detected small mesoscale eddies (~ 40 km) eddies propagating through the Agulhas region. With the improved signal-to-noise, these are also captured in the actual SWOT measurements. These small scales also impact the ocean's inverse energy cascade, which is active at smaller wavelengths than in maps from nadir altimetry. We then extended the analysis to the ocean interior. The aim was to show how SWOT surface height observations can be used to estimate vertical velocities and heat fluxes deep into the ocean interior, using an effective Surface Quasi-Geostrophic methodology with precision comparable to an idealized high-resolution coupled model. We can capture up to 70% of the vertical velocity at 70 km wavelength at 1 km depth. Finally, we validate SWOT observations against a unique high-resolution temperature sampling of the upper ocean south of Tasmania, collected in December 2023 in the framework of the SURVOSTRAL campaign. SWOT localizes the subsurface Polar Front and offers a more realistic representation of the small-scale interaction between the frontal jet and the bathymetry. The newly observed fine scales introduce much of the eddy energy and strain variability, contributing to an increase in the region's reconstructed vertical velocities and heat fluxes. My research is part of a broader effort within the oceanographic community to better understand the horizontal and vertical exchanges in the upper ocean. By gaining insights into ocean dynamics at multiple scales, we can improve climate models, ultimately contributing to the protection of oceans and biodiversity in the face of the rapidly escalating global climate crisis.

Comprendre la circulation océanique horizontale et verticale à petite échelle, un défi ouvert en océanographie, nous permettrait d'évaluer la capacité de l'océan à stocker et à transporter la chaleur, les gaz et les nutriments. Les tourbillons, caractérisés par des échelles allant de quelques centaines à quelques kilomètres, transportent la majeure partie de l'énergie cinétique dans nos océans. Les grands tourbillons, dont le diamètre dépasse 100 km, sont bien documentés grâce aux instruments in-situ et aux altimètres satellitaires, ce qui met en évidence leur rôle essentiel dans le transport horizontal. Ces dernières années, des études ont montré que des tourbillons plus petits (10 à 100 km) contribuent significativement au transport horizontal et entraînent des mouvements verticaux de l'eau, essentiels pour réguler les échanges entre la surface de l'océan et les couches plus profondes. Cependant, les altimètres satellitaires actuels offrent une vision incomplète du cycle de vie des tourbillons, en particulier des processus clés de génération et de dissipation à petite échelle. Par conséquent, la plupart des modèles climatiques excluent encore les phénomènes à petite échelle, et même les modèles océaniques à haute résolution ne peuvent être validés à ces échelles, en raison du manque de données d'observation. Le nouveau satellite SWOT (Surface Water and Ocean Topography) de la NASA et du CNES offre une vue globale des océans à jusqu'à 15 km. Sa large fauchée de 120 km couvre plus de 90 % de la surface de la Terre. Dans ce travail, nous nous demandons si SWOT peut résoudre certaines des dynamiques manquantes à fine échelle et quels phénomènes physiques peuvent être déduits de ses observations. Avant le lancement, nous avons analysé une simulation à haute résolution dans la région du courant des Aiguilles, montrant que les petites échelles incluses dans les observations SWOT contribueraient fortement à l'énergie cinétique et au cisaillement par rapport à l'altimétrie conventionnelle. Les observations pseudo-SWOT permettent de détecter de petits tourbillons de méso-échelle (~ 40 km), également observés dans les mesures SWOT réelles, se propageant à travers la région des Aiguilles. Nous constatons que ces petites échelles ont également un impact sur la cascade d'énergie inverse de l'océan, qui est active à des longueurs d'onde plus petites que dans les cartes issues de l'altimétrie au nadir. Nous avons ensuite étendu l'analyse à l'intérieur de l'océan et montré que les observations de hauteur de surface SWOT peuvent être utilisées pour estimer les vitesses verticales et les flux de chaleur à l'intérieur de l'océan. Une méthodologie "effective Surface Quasi-Geostrophy" offre une précision comparable à celle d'un modèle couplé idéalisé à haute résolution. Nous pouvons capturer jusqu'à 70 % de la vitesse verticale à 70 km de longueur d'onde à 1 km de profondeur. Enfin, nous avons validé les observations de SWOT par rapport à un échantillonnage de température à haute résolution des premiers 800 m de profondeur au sud de la Tasmanie, collecté en décembre 2023 pendant une campagne SURVOSTRAL. SWOT localise le front polaire de subsurface et offre une représentation plus réaliste de l'interaction à petite échelle entre le jet frontal et la bathymétrie. Les petites échelles nouvellement observées introduisent une grande partie de l'énergie tourbillonnaire et de la variabilité des déformations, ce qui contribue à augmenter les vitesses verticales reconstruites et les flux de chaleur dans la région. Mes recherches s'inscrivent dans le cadre d'un effort plus large de la communauté océanographique visant à mieux comprendre les échanges horizontaux et verticaux dans la partie supérieure de l'océan à multiples échelles. Cela nous permettra d'améliorer les modèles climatiques, contribuant ainsi à la protection des océans et de la biodiversité.

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  • HAL Id : tel-05049134 , version 1

Citer

Elisa Carli. Southern Ocean eddy fluxes from small mesoscale processes with the SWOT mission. Ocean, Atmosphere. Université de Toulouse, 2024. English. ⟨NNT : 2024TLSES269⟩. ⟨tel-05049134⟩
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