Sortie des Eaux Méditerranéennes en Atlantique Nord Est

SEMANE (Sortie des Eaux Méditerranéennes en Atlantique Nord Est)

 A. Objectifs et contenu du programme  
SEMANE a été un programme de recherches initié (et largement réalisé) par le SHOM (Service Hydrographique et Océanographique de la Marine) de 1995 à 2001, puis terminé par l'IFREMER (Institut Francais de Recherche et d'Exploitation de la MER) de 2002 à 2003. Ce programme avait pour objectif la détermination des trajets et caractéristiques de l'écoulement d'eau méditerranéenne le long et au voisinage de la péninsule ibérique, en Atlantique. Cette étude s'est d'abord focalisée sur les structures à moyenne échelle de cet écoulement, avant d'aborder le problème de sa variabilité interannuelle.
Ce programme était d'abord fondé sur une partie expérimentale, composé de 7 campagnes à la mer, puis a utilisé l'analyse physique et la modélisation numérique pour quantifier ces observations in-situ.
Les 7 campagnes à la mer (09/95, 06/97, 07/99, 07/00, 11/00, 07/01, 07/02) ont réalisé des réseaux hydrologiques (CTD/LADCP, CTD/Rosette, XBT/XCTD, XCP) essentiellement le long de radiales perpendiculaires au talus ibérique et aux veines d'eau méditerranéenne, sauf un réseau complet couvrant la partie occidentale du golfe de Cadix (1999) et la réalisation répétée d'une radiale CTD/LADCP haute résolution (3 à 5 NM) du talus ibérique au talus marocain tous les étés de 1999 à 2002. Les prélévements sur rosette ont donné lieu à des analyses chimiques, en particulier de traceurs anthropiques (fréons), pour déterminer l'âge des eaux méditerranéennes depuis leur formation dans le golfe du Lion.
Ces campagnes ont également été l'occasion de mises à l'eau de bouées surdrift droguées à la profondeur de l'eau méditerranéenne (800 à 1300m) et de flotteurs rafos, à la fois dans les veines et dans les tourbillons d'eau méditerranéenne (10 Surdrifts en 95, 6 en 97, 8 en 99; 5 rafos en 00 et 01).
Enfin, des mouillages courantométriques ont été installés et renouvelés sur la pente continentale au voisinage du canyon de Portimao et du cap Saint Vincent (2x2, maintenus 14 mois, mais sujets à de nombreux aléas de fonctionnement et de chalutage). Les données ainsi recueillies sont malheureusement assez fragmentaires.
La modélisation numérique a essentiellement consisté en des modélisations de processus quasi-géostrophiques pour déterminer la stabilité des sous-courants d'eau méditerranéenne sur le talus, la nature et l'évolution des tourbillons formés par l'instabilité de ces sous-courants. Des modèles à 2 et à 3 couches, de géométrie simplifiée (bipériodiques ou côtes schématiques), ont été utilisés.

 B. Principaux résultats  
1. Analyse des données
Les mesures hydrologiques réalisées en 1995 et 1997 ont mis en évidence les principaux chemins de l'eau méditerranéenne dans le golfe de Cadix,à son ouvert et le long de la facade SW Portugal. Les mesures de traceurs chimiques (fréons) ont permis de dater les eaux méditerranéennes en 1995, 2001 et 2002 et de calculer leur temps de parcours depuis leur site de formation. Tant à l'aide des données hydrologiques que de flotteurs, les canyons, les caps et les promontoires ont été reconnus comme sites de déstabilisation des sous-courants d'EM. Cette instabilité est plutôt de nature barocline (avec alignement vertical des 2 sous courants). Des meddies et de plus petits tourbillons anticycloniques d'eau méditerranéenne ont été observés près du cap St Vincent et dans le canyon de Portimao. Un long filament de sel a également été vu se détacher de ce canyon. Au voisinage de ce canyon, il a été montré que le sous-courant inférieur pouvait se séparer en 2 branches selon son intensité et sa largeur, la branche interne suivant le bord du canyon et la branche externe le traversant. La présence de la branche externe a été reliée à la formation de lentilles dans le canyon. De façon générale, ces détachements de meddies et de filaments induisent une diminution notable des caractéristiques thermohalines et du transport des sous courants, aux différents sites.
Ces mesures hydrologiques ont aussi montré la variabilité à courte période (15 jours) et à longue période (interannuelle) de ces caractéristiques thermohalines et des transports. Si la décroissance des caractéristiques thermohalines des sous-courants d'EM est toujours la plus forte dans la partie orientale du golfe de Cadix, les maxima (en T et S) et les largeurs des sous-courants varient suivant les saisons et les années. Les variations à courte période sont dues aux méandres et aux tourbillons. Les mesures hydrologiques de 1999, 2000 et 2001 ont été plutôt focalisées sur l'étude des tourbillons. En 1999, 2 meddies et un cyclone d'eau méditerranéenne ont été observés en interaction dans la partie centrale du golfe de Cadix; un meddy et un cyclone constituaient un dipole robuste qui arrachait un filament au second meddy. Le dipole avait du être formé de façon cohérente
au voisinage du canyon de Portimao, et le second meddy provenait a priori du cap St Vincent. Le suivi à long terme de ces tourbillons a pu être réalisé avec des bouées et un meddy a ensuite été observé par l'IOL.

Fig.1 : carte de température à 1000m pour Semane99 montrant les 2 meddies et le cyclone

Fig.2 : trajectoires des Surdrifts droguées dans l'EM et piégées dans ces tourbillons
En 2000, 2 meddies en forte interaction (début de fusion) ont été mesurés et suivis par bouées et flotteurs. En 2001, un autre meddy a été observé
au voisinage des côtes marocaines.
Une première inversion des données des radiales 8.20W a été réalisée et a montré la variabilité du transport d'eau centrale et d'eau méditerranéenne
selon les années et les saisons. Mais cette étude doit être complétée.

Fig.3 : Section de salinité le long de 8.20 W en Juillet 2001
L'analyse des données hydrologiques et de flotteurs le long de la péninsule ibérique a montré l'importance du mélange diapycnal dans la partie orientale du golfe de Cadix, le flux de sel qui en résulte vers l'Eau Centrale (et son influence à grande échelle) et l'effet du mélange sur la stabilité des veines d'eau méditerranéenne.
Enfin, les données courantométriques n'ont pas encore été exploitées.
2. Modélisation numérique
La modélisation a porté d'une part sur les mécanismes de génération de tourbillons par des courants de pente instables, et d'autre part sur la trajectographie et l'interaction de ces tourbillons entre eux et avec des courants environnants.
Les analyses de stabilité des courants de pente ont montré le rôle essentiel de l'instabilité barocline. En présence de pente continentale, 2 modes instables existent: des ondes longues assez instables et des ondes courtes moins instables ; les premières donnent plutôt naissance à des tourbillons simples ou dipolaire, alors que les secondes forment des méandres ou des filaments. Le cisaillement horizontal de vitesse au front (de vorticité potentielle du courant) est plutôt un inhibiteur de développement de tourbillons. Un modèle d'équation d'amplitude a été mis au point pour quantifier ces différents régimes, ainsi qu'un modèle de points vortex pour la dynamique des dipoles.
Un autre résultat important est l'existence d'une "distance critique", distance de la côte à laquelle les ondes instables se déplacent avec la même vitesse que l'écoulement moyen. Cette distance critique conditionne le lieu de formation et la taille des tourbillons formés.
A la fois par modélisation physique, numérique et en laboratoire, il a été montré que le mélange diapycnal (et le mélange latéral) ont une influence sur la stabilité de sous courants le long d'une pente et peuvent contribuer à la formation de tourbillons.
De plus, des modèles simples (calibrés sur les données de Semane99) ont permis de reconstruire des trajectoires de meddies depuis leur origine et de mettre en évidence les processus fins d'interaction (en particulier par le critère d'Okubo-Weiss). L'interaction de 2 tourbillons dans un champ de déformation environnant a été le sujet d'une étude qui a montré la sensibilité de la distance et de l'efficacité de fusion au taux de déformation.
Finalement, plusieurs études ont quantifié l'interaction d'un tourbillon avec un écoulement de grande échelle cisaillé verticalement, un jet ou un front. Un tourbillon dans un courant barocline de grande échelle voit la beta-gyre barocline du courant et l'advection barocline partiellement compensées, la dérive résultante étant due aux beta-gyres planétaires. De la même façon, la beta-gyre barocline du courant réduit sensiblement la tendance d'un tourbillon à se briser verticalement dans un tel courant. Un tourbillon interagit avec un front (ou un jet) en créant des méandres sur ce front et par un mouvement méridien. En particulier, un anticyclone peut traverser un jet d'ouest du nord au
sud si sa vitesse azimutale est supérieure à la vitesse maximale du jet.Cette traversée peut alors créer des ondes longues sur le jet (même si celui ci est barocliniquement instable) avec un taux de rémanence suffisant pour être observables, et constituer ainsi une signature indirecte en surface d'un tourbillon profond. L'application de ces études aux meddies et au courant des Açores a été réalisée.

Fig.4a : Mécanisme de traversée d'un jet par un tourbillon

Fig.4b : Sortie de modèle numérique QG montrant cette traversée

 C. Liste des publications du programme  
Alves, J., 2003: Hydrology and transport in the eastern Gulf of Cadiz, and analysis of two meddies. Final report of Licenciatura Degree, Instituto de Oceanografia, University of Lisboa, Portugal.

Béthoux, J.P.., Morin, P., Chaumery, C., Connan, O., Gentili, B. & Ruiz-Pino, D., 1998. Nutrients in the Mediterranean Sea, mass balance and statistical analysis of concentrations with respect to environmental change. Mar. Chem., 63, 155-169.

Béthoux, J.P., Gentili, B., Morin, P., Nicolas, E., Pierre, C. & Ruiz-Pino, D., 1999. The Mediterranean Sea: a miniature ocean for climatic and environmental studies and a key for the climatic functioning of the North Atlantic. Progr. Oceanogr., 44, 131-146.

Bian Y., 1998 Analyse physique des campagnes océanographiques du détroit de Gibraltar au nord de Lisbonne, rapport de fin d'etudes ISITV, Toulon

Capet X., 2002: Génération de tourbillons océaniques par déstabilisation de courants de bord. Thèse de doctorat de l'UBO. 177 pp.

Carton X., Cherubin L., Paillet J., Serpette A., Morel Y., Le Cann B., 2000: Meddy interacting with a deep cyclone in the Gulf of Cadiz. J. Mar. Syst., 32, 13-42.

Carton X., Maze G. & B. Legras, 2002 : A two dimensional vortex merger in an external strain field. J. Turb., 3, article 045, 1-7.

Cherubin L., 1995: Influence d'un canyon transverse sur la formation de tourbillons par un courant côtier, DEA d'océanographie, Univ. Aix-Marseille

Cherubin L., 1997: Mixing processes in the Mediterranean outflow, Annales Hydrographiques, 21, 768, 113-127.

Cherubin, L., 2000: Descriptive analysis of the hydrology and mixing of the Mediterranean outflow and effects of topography on the stability of the Mediterranean undercurrents. Thèse de Doctorat, Univ. Aix Marseille

Cherubin L., Carton X., Dritschel D.G., 1996 Vortex expulsion by a zonal coastal jet on a transverse canyon. Proceedings of the 2nd Int. Workshop on
Vortex Flows, ESAIM, SMAI, Paris, 1, 481-501.

Cherubin L., Carton X., Dritschel D.G., 2003: Baroclinic instability of boundary currents over a bottom slope in a QG model. Submitted to J. Fluid Mech.

Cherubin L., Carton X., et al., 1997 Descriptive analysis of the hydrology an currents on the Iberian shelf from Gibraltar to Cape Finisterre: preliminary results of the INTERAFOS and SEMANE95 experiments. Annales Hydrographiques, 21, 768, 5-69.

Cherubin, L., Carton, X., Paillet, J., Morel Y. & A. Serpette, 2000: Instability of the Mediterranean water undercurrents southwest of Portugal: effects of baroclinicity and of topography. Oceanologica Acta, 23, 557-573.

Connan, O,. Morin, P., LeCorre, P., 1999 Etude relative au developpement des techniques de mesures des traceurs chimiques et a leur mise en oeuvre
pour apprehender la circulation dans l'Atlantique nord-est (campagnes oceanographiques Arcane et Semane). Rapport LOC/IUEM, convention SHOM 8/97.

Mauritzen, C. Morel Y. & J. Paillet, 2000: Mediterranean water influence on the central waters of the North Atlantic Ocean, Deep-Sea Res. I, 48, 347-381.

Morel Y. & J.C. McWilliams, 2000: Effects of isopycnal and diapycnal mixing on the stability of ocean currents, J. Phys. Oceanogr., 31, 2280-2296.

Pruvost, J., Connan, O., Marty, Y. & Le Corre, P., 1999. A sampling device for collection and analysis of volatile halocarbons in coastal and oceanic
waters. Analyst, 124, 1389-1394.

Paillet, J. LeCann, B., Serpette, A. Morel, Y. & X. Carton, 1999: Real-time tracking of a northern meddy in 1997-98. Geophys. Res. Lett., 26, 1877-1880.

Paillet J., LeCann B., Carton X., Morel Y. & A. Serpette, 2002: Dynamics and evolution of a northern meddy. J. Phys. Oceanogr., 32, 55-79.

Tychensky A. & X. Carton, 1998: Hydrological and dynamical characterization of meddies in the Azores region: a paradigm for baroclinic vortex dynamics. J. Geophys. Res., 103, C11, 25,061-25,079.

Vandermeirsch F., Carton X. & Y. Morel, 1998: The interaction of a vortex with a stable jet. In Simulation and identification of organized structures in flows, IUTAM/SIMFLOW Symposium; Sorensen, Hopfinger & Aubry Eds, Kluwer Acad. Publ., 201-210.

Vandermeirsch F., Morel Y. & G. Sutyrin, 2001: The net advective effect of a vertically sheared current on a coherent vortex. J. Phys. Oceanogr., 31,
2210-2225.

Vandermeirsch F., Morel Y. & G. Sutyrin, 2002: Resistance of a coherent vortex to a vertical shear. J. Phys. Oceanogr., 32, 3089-3100.

Vandermeirsch J., Carton X. & Y. Morel, 2003: Interaction between an eddy and a zonal jet. Part I. One and a half layer model Dyn. Atmos. Oceans, 36, 247-270.

Vandermeirsch J., Carton X. & Y. Morel, 2003: Interaction between an eddy and a zonal jet. Part II. Two and a half layer model Dyn. Atmos. Oceans, 36, 271-296.
(4 rapports, 2 thèses, 4 articles d'ouvrages, 16 articles de journaux à comité
de lecture)

 D. Remerciements  
Le SHOM, la DGA et l'IFREMER ont permis, à la fois par les moyens à la mer et par le soutien aux études, le plein accomplissement de ce programme de recherches. Les équipes techniques de la MOA, la MHA, de CMO/CM et du LPO ont largement contribué au succès des campagnes à la mer. Tous les collaborateurs scientifiques ont apporté leur expertise à la valorisation.
Des remerciements spécifiques vont à Yves Camus et à Eric Duporte pour leur partenariat sans faille.