– FLOWINg

Les phénomènes de petite échelle au niveau des fronts demeurent mal compris et donc mal représentés dans les modèles de l'océan et de l'atmosphère. En effet, notre compréhension de ces écoulements repose dans une large mesure sur les modèles dits 'équilibrés'. Ceux-ci décrivent seulement les mouvements proches de l'équilibre géostrophique, et suffisent pour comprendre l'évolution lente et de grande échelle. Toutefois, la dynamique aux plus courtes échelles spatiales et temporelles s'enrichit de mouvements agéostrophiques, en particulier les ondes de gravité. La dynamique nonlinéaire de l'atmosphère et de l'océan tend à produire naturellement des régions de fronts régions allongées et étroites de gradients très intenses. La formation de ces fronts par l'écoulement de grande échelle est bien comprise à partir des modèles équilibrés. En revanche, de nombreux aspects de leur dynamique à petite échelle, par exemple l'excitation par les fronts d'ondes de gravité, demeurent incompris. En particulier, les instabilités des fronts à de courtes échelles spatiales n'ont pas été systématiquement étudiées. Pourtant, une bonne compréhension de ces régions est nécessaire pour les représenter de manière adéquate dans les modèles de circulation générale. Les objectifs de ce projet sont d'identifier et de caractériser les instabilités de petite échelle des fronts, puis de s'appuyer sur la compréhension de ces instabilités pour progresser dans trois problématiques: l'excitation des ondes de gravité par les fronts, la cyclogénèse secondaire, et le transport à travers les fronts. Un des atouts majeurs de ce projet sera la complémentarité entre quatre types d'approches: expériences de laboratoire, analyses théoriques, simulations numériques idéalisées, et enfin analyse de données, complétée par des simulations de cas réels. De manière à identifier les mécanismes fondamentaux d'instabilité des fronts, nous étudierons en premier lieu le contexte le plus simple possible: le fluide à deux couches. Ce cas a l'avantage de se préter à la fois aux études théoriques et aux expériences de laboratoire. Les analyses théoriques (méthode de collocation), complétées par des simulations numériques allant d'écoulements très idéalisés (code deux couches développé au LMD) jusqu'aux cas réels (modèle Weather Research and Forecast), permettra de décrire les différentes instabilités, leurs taux de croissance et leurs structures. En parallèle, des expériences montées sur les tables tournantes du LEGI permettront des comparaisons avec la théorie, et mettront en évidence l'évolution nonlinéaire de ces instabilités. La taille de ces expériences permettra en outre de visualiser en détail les phénomènes de petite échelle (interactions nonlinéaires avec les ondes, turbulence, mélange). Nous pourrons ensuite nous appuyer sur une meilleure compréhension de ces instabilités pour aborder trois problématiques de la dynamique méso-échelle des fronts: 1)les observations ont montré que les fronts sont des sources importantes d'ondes de gravité, mais les mécanismes responsables de cette excitation ne sont toujours pas compris. Les instabilités agéostrophiques jouent vraisemblablement un rôle dans cette excitation. Les études sur ce sujet incluront a) des expériences de laboratoire visant à mettre en évidence l'émission d'ondes de gravité par l'instabilité d'un vortex (prédite mais jamais vérifiée en laboratoire), et b) des simulations numériques à l'aide d'un modèle météorologique méso-échelle, permettant de faire le lien entre la théorie et les écoulements atmosphériques réels. 2)La cyclogénèse secondaire (formation d'un tourbillon cyclonique de petite échelle par la déstabilisation d'un front) peut dépendre de plusieurs processus, ce qui rend ces phénomènes météorologiques redoutablement difficiles à prévoir. Des expériences de laboratoire récentes menées au LMD (ajustement catastrophique) et au LEGI (stabilité de fronts) ont fourni des exemples très nets de formation de ...