Study of the North Western Mediterranean Sea circulation with a high resolution model: submesoscale influence
Etude de la circulation océanique en Méditerranée Nord-Occidentale à l'aide d'un modèle numérique à haute résolution: influence de la submésoéchelle
Résumé
The North Western Mediterranean Sea is one of the few regions in the world where open-ocean deep convection occurs. The local cyclonic circulation brings weakly stratified waters close to the surface, that can, under special atmospheric conditions (winter strong cold winds and high heat loss rates), lead to vertical diapycnal mixing. This convection phenomenon is the origin of newly formed winter waters: Winter Intermediate Water (WIW) and new Western Mediterranean Deep Waters (nWMDW). When the strong forcing stops, the restratification of the mixed patch occurs by lateral advection of surrounding lighter waters. Mesoscale and submesoscale structures play an important role during these events, both by the sinking and the spreading of the new water formed.
The SYMPHONIE model was implemented at 1km resolution over the north-western Mediterranean where recent convective years were simulated. The first objective was to review the capabilities of the high resolution model to reproduce the oceanic response to strong atmospheric cooling in terms of water formation and to resolve the submesoscale structures. To do so, comparisons were performed with the available data set.
The activity of the small scale structures and the role they played were highlighted in a context of winter mixed layer deepening. The ageostrophic dynamic developed by submesoscale contributes to the enhancement of vertical velocities and lateral dispersion of properties leading to a global increase of surface layer density. As a consequence, the dense water formation and the ventilation of the deep basin is favored.
For the first time, the formation of Submesoscale Coherent Vortices (SCVs) during deep convection events was documented in a realistic high resolution numerical simulation of the oceanic circulation in the north-western Mediterranean Sea. Anticyclonic and cyclonic eddies were formed presenting lifetimes exceeding one year and reflecting very slow diffusive processes between their core and their surroundings. These eddies were typical of SCVs observed in deep convection areas so far, which were found to participate in the spreading of a significant proportion (30%) of the newly formed waters and were of much importance for the ventilation of the deep basin.
La mer Méditerranée Nord occidentale est une des rares régions dans le monde où le phénomène de convection profonde se produit au large. La circulation cyclonique locale amène des eaux faiblement stratifiées à la surface et peut, sous certaines conditions atmosphériques hivernales spécifiques à la région (vents froids venant du nord et induisant des pertes de chaleur intenses à la surface de l'océan), mener à un mélange vertical diapycnal. Le phénomène de convection est à l'origine des eaux qui se forment en hiver: la WIW (Winter Intermediate Water) et les nWMDW (new Western Mediterranean Deep Waters). Quand les forçages atmosphériques diminuent en intensité, la restratification de la zone mélangée commence par l'advection d'eaux légères environnantes. Des structures de mésoéchelle et de submésoéchelle jouent un rôle important pendant ces évènements à la fois par l'approfondissement de la couche de mélange et l'export des eaux nouvellement formées.
Le modèle SYMPHONIE a été implémenté avec une résolution de 1km sur le bassin nord occidental et les évènements de convection des hivers récents ont été simulés. Le premier objectif a été de vérifier la capacité du modèle à haute résolution à reproduire la réponse océanique aux forçages atmosphériques en terme de formation de masses d'eau et de représentation des structures de submésoéchelle. Cette validation a été réalisée par comparaisons avec un jeu de données disponibles et issues de l'observation.
L'activité des petites échelles et le rôle qu'elles jouent dans un contexte d'approfondissement de la couche de mélange en hiver ont été soulignés. La dynamique agéostrophique qu'elles développent par la submésoéchelle contribue à une augmentation des vitesses verticales et de la diffusion latérale des propriétés de l'océan induisant une plus forte densification globale de la couche de mélange. Comme conséquences, la formation d'eaux denses ainsi que la ventilation des eaux profondes du bassin est favorisée.
Pour la première fois, la formation de SCVs (Submesoscale Coherent Vortices) suite à un évènement de convection profonde a été modélisée en Méditérranée Nord-Occidentale en utilisant un modèle numérique à haute résolution dans un contexte réaliste. Des structures tourbillonnaires cycloniques et anticycloniques se forment à la frontière de la zone de mélange et présentent des temps de vie parfois supérieurs à une année reflètant de très lents processus de diffusion entre leur coeur et les eaux environnantes. Ces tourbillons sont typiques des SCVs observés jusqu'à présent dans les zones de convection profonde, participent dans une proportion importante (30%) à l'export des eaux nouvellement formées et jouent un rôle considérable dans la ventilation des eaux profondes du bassin.
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