A study of the kinetic energy pathways and routes to dissipation in the Gulf Stream

Etude du cycle de l'énergie cinétique et des voies de dissipation dans le Gulf Stream La circulation méridienne de retournement de l'océan Atlantique (AMOC) joue un rôle essentiel sur le climat en convoyant la chaleur à l'échelle du globe. Le Gulf Stream (GS) est un courent de Bord ouest, composante majeure de l'AMOC. Les observations et modèles océaniques ont montré sa complexité sur une large gamme d'échelles spatio-temporelles. Notre compréhension de la dynamique du GS présente encore des lacunes importantes, et les simulations numériques montrent des biais par rapport aux observations. Une amélioration significative est obtenue en résolvant l'activité de mésoéchelle (résolution <1/10°), mais dans ce cas une énergie excessive est souvent générée, suggérant des processus de dissipation manquants. L'objectif principal de cette étude est d'évaluer le cycle de l'énergie cinétique dans le GS, en insistant sur les mécanismes de dissipation. Nous présentons tout d'abord une simulation forcée de l'océan résolvant en partie la sous-mésoéchelle (dx = 2 km) pour décrire la distribution spatio-temporelle des cascades turbulentes, basée sur une méthode de coarse-graining. L'étude confirme que les mouvements équilibrés conduisent à une cascade inverse d'énergie depuis les échelles d'injection vers les grandes échelles. Inversement, l'interaction des courants équilibrés et déséquilibrés (advection agéostrophique) entraîne une cascade directe vers les plus fines échelles. Le changement de direction de ce transfert d'énergie varient dans l'espace et le temps, mais se situe en moyenne autour de 10 km dans le GS. Pour identifier les principaux puits d'énergie, nous avons comparé la dissipation intérieure (provenant de la cascade directe) avec la dissipation numérique et dissipation frictionelle au fond et en surface (interaction océan-atmosphère). Nos résultats indiquent que la dissipation intérieure est bien inférieure aux autres puits d'énergie. La dissipation numérique est sensible au choix des schémas d'advection et un schéma d'ordre supérieur conduit à une réduction significative, mais compensée par une augmentation de friction aux limites, plutôt que de la cascade directe. Nous avons également évalué l'influence de la marée sur le cycle énergétique de la circulation. En comparant la simulation précédente avec une simulation similaire ne différant que par le forçage des marées, nous constatons que les marées internes modulent la cascade turbulente du GS via l'interaction vague-courant, conduisant finalement à une augmentation de la cascade directe. Cependant, malgré l'intensification, la cascade directe d'énergie cinétique reste significativement inférieur à la dissipation numérique et frictionnelle. Afin d'obtenir une compréhension globale du bilan énergétique du GS, nous avons réalisé pour finir une simulation couplée océan-atmosphère d'une durée d'un an et résolvant de manière plus complète la gamme sous-mésoéchelle (dx = 700 m). Nous représentons le cycle énergétique par un diagramme de Lorenz, couvrant à la fois l'énergie potentielle et cinétique. Les résultats montrent qu'il existe des voies distinctes pour le transfert de l'énergie cinétique et potentielle. La principale route vers la sous-mésoéchelle est permis par le transfert direct de l'énergie potentielle (par brassage tourbillonnaire et frontogénèse), qui subit une conversion barocline pour former de l'énergie cinétique à toutes les échelles. L'énergie cinétique subit alors une atténuation par friction, ou par mélange vertical dans la couche de surface. L'énergie cinétique se déplace également par interaction nonlinéaire, d'une part de la sous-mésoéchelle équilibrée (>10 km) vers les échelles supérieures, et, d'autre part, de la sous-mésoéchelle déséquilibrée (<10 km) vers les plus fines échelles suivant une cascade directe.