Impacts de la turbulence de sous-mésoéchelle profonde sur la circulation océanique – DEEPER

La circulation méridienne de retournement contrôle les flux de chaleur et de carbone dans l'océan sur de longues périodes. Les eaux denses qui plongent dans les abysses aux hautes latitudes doivent remonter à la surface. La vision classique est que cette remontée des eaux abyssales est due au mélange turbulent associé au déferlement des ondes internes dans l’océan intérieur. Mais cela a été contredit par les observations, et un nouveau paradigme a émergé au cours des dernières années: la branche profonde de la circulation est façonnée par des processus turbulents très localisés qui génèrent un mélange près du fond de l'océan. Cependant, ces processus turbulents de fine échelle ne sont pas bien compris ni paramétrisés, ce qui limite la précision des modèles océaniques et climatiques. Les études théoriques commencent à mettre en évidence le rôle joué par ces processus de sous-méso-échelle (< 30 km) dans la couche de fond océanique. Mais il manque encore une vision claire de cette phénoménologie et des impacts sur la circulation de grande échelle.

Les objectifs du projet DEEPER sont (1) de quantifier les impacts des processus de sous-méso-échelle profonds sur le mélange et les transformations de masses d'eau, (2) d'explorer les moyens de paramétriser ces impacts en utilisant des méthodes d'apprentissage automatique.

Des simulations numériques seront utilisées pour caractériser les processus de sous-méso-échelle et leurs interactions avec les ondes internes dans l'océan profond à l’aide du modèle CROCO. Ce problème nécessite des simulations qui résolvent les processus de sous-méso-échelle (1-30 km), et un domaine suffisamment vaste pour générer des niveaux réalistes d'ondes internes et permettre d'évaluer les impacts sur la circulation à grande échelle. Ce sera la première fois qu'un modèle avec coordonnées verticales suivant la topographie - particulièrement avantageux pour étudier les interactions courant-topographie - sera utilisé à une résolution inférieure au kilomètre sur un domaine aussi vaste que l'océan Atlantique.

Nous quantifierons comment les processus sous-méso-échelle et les ondes internes modifient les budgets d'énergie et de flottabilité, le mélange et les transformations de masse d'eau. Nous caractériserons l'impact des flux de vorticité potentielle liés aux processus diabatiques de fond sur la circulation de grande échelle. Nous caractériserons ensuite les processus responsables du mélange dans les différentes régions de l'océan Atlantique: déferlement de la marée interne, des ondes proche-inertielles ou des ondes de sillage; formation de sauts hydrauliques; instabilité de petite échelle comme l'instabilité gravitationnelle, centrifuge ou symétrique. Nous étudierons également les processus qui entraînent la restratification de la couche inférieure, tels que l'instabilité barocline ou la frontogenèse profonde. Nous sélectionnerons quelques régions particulières et étudierons plus en détail les processus en jeu au moyen de simulations à très haute résolution, en utilisant la version non hydrostatique de CROCO, et des études de processus idéalisées. Cette descente d'échelle permettra de vérifier la sensibilité des processus à la résolution et la validité de l'hypothèse hydrostatique.
Enfin, nous utiliserons des méthodes d'apprentissage automatique pour paramétriser ces processus pour des simulations plus grossières. Un réseau neuronal profond sera entrainé à l'aide de simulations les plus réalistes pour prédire le mélange et les flux turbulents de flottabilité pour des simulations plus grossières. Cette paramétrisation sera ensuite testée sur d'autres régions géographiques et appliquée à différents modèles numériques (en particulier la simulation eNATL60 utilisant le modèle NEMO). L'objectif à long terme sera de pouvoir la mettre en œuvre dans une simulation climatique globale pour évaluer les impacts sur la circulation de retournement sur de longues échelles de temps.