Dynamique, interactions et instabilités de structures cohérentes agéostrophiques dans les modèles en eau peu profonde - INSU - Institut national des sciences de l'Univers Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2014

Dynamics, interactions and instabilities of ageostrophic coherent structures in shallow water models.

Dynamique, interactions et instabilités de structures cohérentes agéostrophiques dans les modèles en eau peu profonde

Résumé

Coherent structures are ubiquitous features of atmospheric and oceanic flows. The cor- responding meso- and large scale circulation is in geostrophic equilibrium. However, at larger Rossby numbers, ageostrophic effects may push the structures away from this equi- librium, and new types of instabilities can also disturb their dynamics. In this thesis, the properties of ageostrophic coherent structures are investigated, mainly by means of direct numerical simulations. This is done in the framework of simplified conceptual models of meso- and large scale oceanic and atmospheric flows, namely the Rotating Shallow Wa- ter models. The instability of intense vortices (isolated anticyclonic vortices and tropical cyclones) in one-layer and two-layer shallow water models are studied. Direct numerical simulations of the nonlinear saturation of these instabilities allow us to study the proper- ties of the ageostrophic part of the flow, such as the inertia-gravity wave emission and the formation of shocks. Then, quasi-stationary ageostrophic structures are obtained by means of numerical simulations in one-layer and two-layer models. It consists of vortex dipoles or tripoles, either baroclinic or barotropic, which are stable and whose ageostrophic com- ponent does not imply inertia-gravity waves emission. Finally, decaying vortex and wave turbulence is studied in the one-layer model. The evolution of the flow for very different initial conditions is discussed. We put the emphasis on the ageostrophic properties of the flow, the wave-vortex coupling and the sensitivity to initial conditions.
Les structures cohérentes sont fréquemment observées dans les écoulements océaniques et atmosphériques, et y ont un rôle important (transport, énergie...). A moyenne et grande échelle, ces structures sont souvent proches de l’équilibre géostrophique. Cependant, pour des nombres de Rossby plus grands, les effets agéostrophique – et parfois l’apparition de nouvelles instabilités – modifient leur dynamique. Les propriétés des structures cohérentes agéostrophiques sont étudiées dans cette thèse, principalement à l’aide de simulations nu- mériques, dans des modèles conceptuels des écoulements océaniques et atmosphériques à grande et moyenne échelle : les modèles en eau peu profonde. L’instabilité de tourbillons intenses – instabilités centrifuges et barotrope dans le cas de tourbillons anticycloniques isolés et instabilité barotrope radiative pour des cyclones tropicaux – dans les modèles en eau peu profonde à une et deux couches est étudiée. L’impact des différents paramètres sur ces instabilités est quantifié, et des simulations numériques de leur saturation non linéaire permettent de dégager l’importance des mouvements agéostrophiques associés. Dans un second temps, des structures quasi-stationnaires agéostrophiques sont obtenues numéri- quement dans les modèles à une et deux couches. Il s’agit de dipôles et tripôles de vor- ticité (barotropes ou baroclines) stables. Leur composante agéostrophique n’entraîne pas d’émission d’ondes d’inertie-gravité, et un découplage robuste ondes-tourbillons est ob- servé. Enfin, la turbulence d’ondes et de tourbillons en déclin dans un modèle à une couche est étudiée. L’évolution de l’écoulement à partir de conditions initiales très différentes est discutée, notamment en ce qui concerne les propriétés agéostrophiques de l’écoulement, le couplage ondes-tourbillons et la sensibilité aux conditions initiales.
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Citer

Noé Lahaye. Dynamique, interactions et instabilités de structures cohérentes agéostrophiques dans les modèles en eau peu profonde. Océan, Atmosphère. UPMC Université Paris VI, 2014. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01211358⟩
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