This thesis explores the use of U-Th series isotopes as tracers to study ocean mixing and chemical inputs to the open ocean from atmospheric dust, rivers, continental shelves and ocean sediments. The use of Th isotopes as an improved tracer of dust input has been tested by measuring ²³²Th and ²³⁰Th concentrations of upper-ocean seawater at six stations along a meridional Atlantic section that spans the Saharan dust plume. The results of ²³²Th-derived dust fluxes show good agreements with dust model depositions, and suggest that thorium may be a more accurate tracer of dust input than Aluminium, which is frequently used for this purpose. A new technique has been developed for the precise measurement of ²²⁸Ra/²²⁶Ra ratios and ²²⁸Ra and ²²⁶Ra concentrations in seawater by multi-collector ICP mass spectrometry (MC-ICP-MS). This methods offers improved analytical precision and detection limits relative to previous decay-counting approaches, though is more labour intensive. The accuracy of this method has been proved in the GEOTRACES Ra intercalibration, and shows consistent results with decay counting measurements from other labs. This technique has been applied to water samples in Loch Etive, a Scottish fjord, and in the Cape Basin during the UK-GEOTRACES cruise (GA10E) to investigate ocean mixing and trace-metal fluxes in the oceans. In Loch Etive, Ra data provide an estimation of sedimentary ²²⁸Ra flux of 5.5 ± 0.3 (× 10⁹ atoms m^-2 yr^-1) in the inner loch deep basin. Short-lived Ra isotope (²²³Raex) has also been used to estimate surface water transport rate, which is ~ 2.4 ±0.2 cm s^-1 from the mouth to the head of the loch. In the Cape Basin, seawater ²²⁸Ra and ²²⁶Ra activities have been used to estimate vertical and horizontal mixing in the surface ocean. The horizontal mixing (K_x) from the continental shelf to the open ocean is 3.8 ± 0.8 (× 10⁷ cm² s^-1) and the vertical mixing (K_z) in the upper 400 m layer is 0.9 – 2.1 cm² s^-1. These mixing rates enable the calculation of nutrient flux in the surface ocean. The calculated vertical nitrate fluxes in the Cape Basin are 0.4 – 0.5 mmol N m^-2 d^-1. This finding shed light on the nutrient inputs to the South Atlantic Subtropical Gyre.

Cette thèse s’intéresse au courant profond de bord ouest dans l’Atlantique Nord, le Deep Western Boundary Current (DWBC). Ce courant transporte des eaux denses, formées dans la gyre subpolaire, vers l’équateur et constitue une des composantes majeures de la circulation méridienne Atlantique, l’AMOC (pour Atlantic Meridional Overturning Circulation). Cette circulation contribue au transport de chaleur vers les hautes latitudes et stabilise le climat actuel. L’AMOC calculée dans différents modèles de circulation générale de l’océan présente une diversité dans son intensité, sa structure spatiale et sa variabilité temporelle. De nombreux facteurs peuvent expliquer cette hétérogénéité de réponses, dont les incertitudes qui subsistent sur le lien entre la formation d’eau dense par convection dans la gyre subpolaire, qui contribue à connecter les branches supérieure et inférieure de l’AMOC, et l’intensité de l’AMOC aux moyennes latitudes. Ces incertitudes proviennent en grande partie d’une méconnaissance de la circulation profonde dans l’Atlantique Nord, car difficile à observer et souvent incorrecte dans les modèles d’océan de faible résolution spatiale.L’objectif de cette thèse est donc d’étudier la dynamique du DWBC et son influence sur l’AMOC, à l’aide de simulations numériques réalistes d’un modèle de circulation générale de l’océan (NEMO). Dans cette optique, trois configurations de résolution horizontale croissante ont été mises en place en utilisant l’outil de raffinement de grille AGRIF : une grille globale de référencer à 1/2◦ de résolution (configuration ORCA), à laquelle a été ajouté une première grille raffinée à 1/8◦ couvrant l’Atlantique nord (configuration ERNA) incluant elle-même une seconde grille à 1/32◦ centrée sur la gyre subpolaire (configuration FER). ERNA et FER sont deux configurations originales, par la prise en compte du modèle de glace de mer dans l’emboîtement des grilles, et par la résolution horizontale de FER dans la gyre subpolaire.Dans un premier temps, nous étudions l’influence de la résolution horizontale sur la circulation moyenne en Atlantique Nord avec un intérêt particulier pour l’AMOC en contrastant les simulations issues des configurations ORCA et ERNA. L’augmentation de la résolution se traduit par l’amélioration de la dynamique des courants de bord ouest, en surface et également en profondeur. En effet, le transport du DWBC s’intensifie de l’ordre de 8Sv dans la gyre subpolaire, ce qui est en partie lié à une meilleure représentation de l’écoulement des eaux denses en provenance des Mers Nordiques. En outre, alors que dans ORCA le DWBC s’écoule vers le sud principalement le long de la ride médio-Atlantique, dans ERNA la route le long du bord ouest est privilégiée avec une circulation secondaire à l’intérieur de l’inetrgyre, ce qui est en meilleur accord avec les observations. Le chemin suivi par le DWBC le long du talus continental permet une intensification de l’AMOC et de la localisation de son maximum vers 35 ̊N. Ce résultat tend à réduire l’influence de la convection aux hautes latitudes sur l’intensité de l4AMOC par l’intermédiaire de l’interaction des courants de surface et de fond.Nous nous sommes intéressés par la suite à la structure dynamique et thermohaline du DWBC, en lien avec la représentation de la méso-échelle, dans la mer du Labrador, en utilisant la configuration FER. Dans cette configuration qui résout explicitement les processus de méso-échelle dans la gyre subpolaire, la dérive en température et salinité est nettement moins importante que dans ERNA. De plus, la structure verticale du courant de bord, notamment sa barotropisation entre l’est et l’ouest sde la section AR7W dans la mer du Labrador, est en très bon accord avec les observations. A partir d’une équation simplifiée de la vorticité relative, nous avons cherché à identifier les processus principaux qui contrôlent la dynamique du DWBC. Il ressort de cette analyse que le stretching associé aux vitesses […] / The present study tackles the Deep Western Boundary Current (DWBC) dynamics in the North Atlantic basin as its impact on the AMOC. The DWBC advects dense water masses equatorward, produced in the subpolar gyre, and is one of the major component of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). This circulation contributes to the northward heat transport to high latitudes and allows to stabilise climate. When computing the AMOC in different ocean general circulation models (OGCM), results cover a wide range of intensity, spatial shape and temporal variability. Such response diversity is due to several factors. One of them is the remaining uncertainty on the link between dense water formation due to convection in the subpolar gyre, which contributes to connect the AMOC upper and lower branches, and the AMOC intensity at mid-latitudes. Those uncertainties are largely due to the knowledge gap of the deep circulation in North Atlantic because its direct observation is difficult and incorrectly reproduced in ocean models with a low spatial resolution. The methodology used rely on realistic numerical simulations based on the NEMO ocean general circulation model. Three configurations with an increasing spatial resolution have been developped using the grid refinement tool AGRIF : a global grid at 1/2◦ resolution (ORCA configuration), within which a first refined grid at 1/8◦ covering the whole North Atlantic (ERNA configuration) in which a second grid at 1/32◦ over the subpolar gyre (FER configuration). Both ERNA and FER are advanced and original by two aspects; they include a Sea-Ice model within embedded grids and FER reaches a high horizontal resolution over the subpolar gyre. We study the spatial horizontal resolution impact on the mean circulation in the North Atlantic with a focus on the AMOC contrasting simulations obtained with ORCA and ERNA solutions. Increasing the resolution improves the western boundary current dynamics at surface and depth. Indeed, the DWBC transport is intensified by 8Sv in the subpolar gyre partly due to a better representation of overflows coming from Nordic Seas through the Denmark Strait. Furthermore in ORCA the DWBC flows to the south along the Mid-Atlantic ridge ; in ERNA the flow along western continental shelf is dominant while a secondary circulation within the subpolar gyre arises being in better agreement with observations. The path followed by the DWBC along the continental shelf allows an interaction between surface and deep currents which seems to result both in an AMOC intensification and a maxima located close to 35 ̊N. This result tends to limit the influence of the convection, occuring at high latitudes, on the AMOC intensity at mid latitudes, often raised, and shed light on a modulation process of the AMOC intensity through the surface and deep currents interaction. We then addressed the thermohaline and the dynamical structure of the DWBC, asssocia- ted with the mesoscale representation, within the Labrador Sea using the FER configuration. With this configuration, which solved explicitly mesoscale eddies in the subpolar gyre, tempera- ture and salinity drift are clearly reduced compare to ERNA. Furthermore the vertical DWBC structure, especially its barotropisation from the eatstern to western side of the AR7W section within the Labrador Sea, is in very good agrement with observations. Using a simplified equation for relative vorticity, we try to identify the main processes handling the DWBC dynamics. The analysis reveals that the stretching associated with vertical velocities above topography and exchanges between isopycnal layers within boundary current dominate the vorticity balance. We also identify two areas within the DWBC where diapynal flux occur : along the Labrador Current on the western side of the Labrador Sea and seaward of Cape Desolation where eddy activity is marked. These results are close to two previous studies based on conceptual model and […]

La dorsale de Reykjanes est une structure topographique majeure de l’océan Atlantique Nord qui s’étend de l’Islande à la zone de fracture de Charlie Gibbs. Située entre le bassin d’Islande et la mer d’Irminger, la dorsale de Reykjanes influence fortement la circulation du gyre subpolaire et est une porte d’entrée vers les zones de convection profondes. Cependant, la circulation et la répartition des masses d’eau à travers la dorsale de Reykjanes n’ont jamais été directement quantifiées, de sorte que la caractérisation de la connexion entre le bassin d’Islande et la mer d’Irminger est encore incomplète. Dans le cadre du projet « Reykjanes Ridge Experiment », nous avons été capables d’analyser la circulation autour, au-dessus et à travers la dorsale de Reykjanes. Essentiellement à partir de sections hydrographiques perpendiculaires et le long de l’axe de la dorsale, l’objectif de cette thèse a été de quantifier et caractériser la circulation 3-D et les propriétés des courants qui longent et traversent la dorsale de Reykjanes. Nous avons commencé par quantifier précisément le transport géostrophique à travers les sections, ce qui a permis d’améliorer le traitement des données S-ADCP. A travers la dorsale de Reykjanes, l’intensité de la branche du gyre subpolaire qui rejoint la mer d’Irminger a été estimée à 21.9 + 2.5 Sv en Juin – Juillet, avec des intensifications dans la zone de fracture Bight (BFZ) et à 59 – 62°N. Dans la BFZ, les masses d’eau profondes sont influencées par la bathymétrie, de sorte que leurs propriétés hydrologiques se modifient lorsqu’elles traversent la dorsale de Reykjanes. Enfin, la bathymétrie et la circulation horizontale cyclonique du bassin d’Islande contrôlent les courants qui longent la dorsale en bloquant certaines masses d’eau, et donc sont à l’origine de la répartition de ces masses d’eau le long de la dorsale. En plus des masses d’eau du Bassin d’Islande, le Courant d’Irminger comprend également des masses d’eau qui proviennent de la mer d’Irminger. / The Reykjanes Ridge is a major topographic feature of the North-Atlantic Ocean that extends from Iceland to the Charlie Gibbs Fracture Zone. Located between the Iceland Basin and the Irminger Sea, the Reykjanes Ridge strongly influences the subpolar gyre circulation and is a gate toward the deep convection areas. However, the circulation and distribution across the Reykjanes Ridge has never been directly quantified such that the characterization of the connection between the Iceland Basin and the Irminger Sea is still incomplete. As part of the Reykjanes Ridge Experiment project, we were able to analyze the circulation around, above and across the Reykjanes Ridge. Mainly based on hydrographic sections along and perpendicular to the ridge axis, the aim of this PhD thesis was thus to characterize the 3-D circulation and properties of the flow along and across the Reykjanes Ridge.We started by accurately quantifying geostrophic transports across the sections, which led to improvements in the treatment of S-ADCP data. Across the Reykjanes Ridge, the intensity of the wesward branch of the subpolar gyre was estimated at21.9 + 2.5 Sv in June – July 2015 with intensifications at the Bight Fracture Zone (BFZ) and at 59 – 62°N. At the BFZ, overflow waters are influenced by the bathymetry such as their hydrological properties evolve as they cross the Reykjanes Ridge. Finally, both the bathymetry and the cyclonic horizontal circulation of the Iceland Basin regulate the evoluton of the along-ridge flows by blocking water masses, and thus shaping the water mass distribution over the Reykjanes Ridge. In addition to waters from the crossridge flow, the Irminger Current incorporates waters from the center of the Irminger Sea.

L'Eau Antarctique de Fond constitue la principale masse d'eau océanique par son volume, et nourrit la composante la plus profonde et la plus lente de la circulation océanique. Les processus qui régissent son cycle de vie sont donc clé pour la capacité de stockage de l'océan en carbone et chaleur aux échelles centennales à multi-millénaires. Cette thèse tente de caractériser et quantifier les principaux processus responsables de la destruction (synonyme d'allègement et de remontée) de l'Eau Antarctique de Fond dans l'océan abyssal. A partir d'une estimée issue d'observations de la structure thermohaline de l'océan mondial et de diagnostics fondés sur le budget de densité des eaux profondes, les rôles respectifs du chauffage géothermal, du mélange turbulent par déferlement d'ondes internes et de la géométrie des bassins sont évalués. Il est montré que la géométrie de l'océan gouverne la structure de la circulation de l'Eau Antarctique de Fond. La contribution du déferlement des ondes internes, bien que mal contrainte, est estimée insuffisante pour maintenir un rythme de destruction de l'Eau Antarctique de Fond comparable à celui de sa formation. Le chauffage géothermal a quant à lui un rôle important pour la remontée des eaux recouvrant une large surface du lit océanique. Les résultats suggèrent une réévaluation de l'importance du mélange au niveau des détroits et seuils profonds, mais aussi du rôle fondamental de la forme des bassins, pour l'allègement et le transport des eaux abyssales. / Antarctic Bottom Water is the most voluminous water mass of the World Ocean, and it feeds the deepest and slowest component of ocean circulation. The processes that govern its lifecycle are therefore key to the ocean's carbon and heat storage capacity on centennial to multi-millennial timescales. This thesis aims at characterizing and quantifying processes responsible for the destruction (synonymous of lightening and upwelling) of Antarctic Bottom Water in the abyssal ocean. Using an observational estimate of the global ocean thermohaline structure and diagnostics based on the density budget of deep waters, we explore the roles of basin geometry, geothermal heating and mixing by breaking internal waves for the abyssal circulation. We show that the shape of ocean basins largely controls the structure of abyssal upwelling. The contribution of mixing powered by breaking internal waves, though poorly constrained, is estimated to be insufficient to destroy Antarctic Bottom Water at a rate comparable to that of its formation. Geothermal heating plays an important role for the upwelling of waters covering large seafloor areas. The results suggest a reappraisal of the role of mixing in deep straits and sills, but also of the fundamental role of basin geometry, for the lightening and transport of abyssal waters.

This thesis considers the use of two U-series nuclides – 231 Pa and 230 Th – as proxies for studying ocean circulation. A total of six water-column profiles of 231 Pa, 230 Th, and 232 Th have been measured from two regions of the southwestern Indian Ocean: the Madagascar and Mascarene Basins; and the southeastern continental margin of South Africa. Measurement by MC-ICP-MS of 10 litre water samples is possible for samples with as little as 4 and 2 fg of 231 Pa and 230 Th and yields typical uncertainties of 6% and 14% respectively. These profiles show that the scavenging and advection histories of water masses can affect their 231 Pa concentration, with distinct variations superimposed on a general increase in concentration with depth due to reversible scavenging. A 1D particle scavenging model is used to show that sedimentary (231 Paxs /230 Thxs )0 is most representative of the (231 Pa/230 Th) of the bottom most water mass at any one locality, although in turn this water mass (231 Pa/230 Th) will be dependent not only on its advection and scavenging history but also the 231 Pa and 230 Th concentrations of the overlying water masses during advection. Acknowledgment that sedimentary (231 Paxs /230 Thxs )0 is “set” by the bottommost water mass is important for interpretation of scenarios where changes in depth of circulation, as well as circulation strength, may have occurred. A record of sedimentary (231 Paxs /230 Thxs )0 has been recovered from a 6 m Kasten core from the Mascarene Basin covering the past 140 ka, in order to reconstruct flow of AABW into the basin. The (231 Paxs /230 Thxs )0 measured is below the production ration of 0.093 and shows no significant variation. This indicates that (231 Paxs /230 Thxs )0 is sensitive to changes in particle productivity and circulation at this location and that there has been little or no change in either environmental variable over the last full interglacial-glacial cycle. This finding is in contrast to other ocean basins, particularly the North Atlantic, where large changes in circulation are observed.

Nous étudions le rôle des processus océaniques à petite échelle dans la formation et transformation des eaux de surface et intermédiaires qui participent à l’échange Indo- Atlantique à travers le Bassin du Cap. La dynamique de cette région est caractérisée par une forte turbulence et nous montrons l’impact que les structures de méso- ou de sous-méso- échelle, leurs interactions dynamiques et leur variabilité saisonnière ont sur les eaux locales de la thermocline. Une série des simulations numériques, allant de ’eddypermitting’ à ’submesoscale resolving’, souligne l’importance d’une résolution verticale adéquate pour bien représenter les propriétés des masses d’eau.Les tourbillons de Aiguilles sont principalement générés par des instabilités baroclines, et sont caractérisés par une saisonnalité, liée aux différentes instabilités dans les couches supérieures. En été, les instabilités symétriques sont plutôt en jeu, tandis qu’en hiver les instabilités de la couche de mélange prédominent.L’instabilité barocline de Charney connecte ces deux régimes de la sous-méso-échelle et joue un rôle majeur dans la formation saisonnière d’un nouveau type d’eaux modales : l’Agulhas Rings Mode Water.Enfin, on montre que tant les cyclones que les anticyclones transportent et mélangent l’Antarctic IntermediateWater, l’étirement de la méso-échelle produisant des filaments et structures thermohalines très fines.Nos résultats suggèrent l’existence des deux régimes dynamiques qui affectent les couches supérieures et intermédiaires du Bassin du Cap. Près de la surface, la frontogenèse et une énergique sous-méso-échelle conduisent à un régime agéostrophique. Les profondeurs intermédiaires sont caractérisées par un régime quasi-géostrophique due à l’action prédominante de la méso-échelle. / This study addresses the role of oceanic small-scale processes in the formation and transformation of subsurface waters that participate in the Indo-Atlantic interocean exchange.We focus on the Cape Basin dynamics, characterized by a highly non-linear turbulence.We provide qualitative and quantitative evidence of the direct impact that meso- and submesoscale structures, their dynamical interactions and their seasonal variability have on the local thermocline and intermediate waters. A sequence of numerical simulations, ranging from ’eddy-permitting’ to ’submesoscale resolving’, underlines the importance of an adequate vertical resolution to correctly depict the water masses properties.We point out that Agulhas eddies are mainly generated through baroclinic instabilities and are marked by a clear seasonality. This is linked to the seasonal occurrence of distinct meso-submesoscale instabilities in the upper layers: symmetric instabilities are at play during summer, while mixed-layer instabilities prevail in winter.We also found that Charney baroclinic instability connects these two submesoscale regimes and plays a major role in the seasonal formation of a newly-identified type of mode waters: Agulhas Rings Mode Water. Finally, we show that eddies of both polarity advect, stir and mix Antarctic Intermediate Water, via the mesoscale strain field producing filaments and T-S fine-scale structures.Our results suggest the existence of two dynamical regimes affecting the upper and intermediate layers of the Cape Basin. Near the surface, the submesoscale-driven frontogenesis and their enhanced energetics lead to a predominance of ageostrophic dynamics. The intermediate depths are, instead, characterised by a quasigesotrophic regime due to the prevailing mesoscale effects.

Cette thèse s’intéresse aux interactions entre l’océan et l’atmosphère dans le Pacifique Sud-Est, à des échelles comprises entre 10 et 300 km ("meso-échelle" océanique). Des observations satellites et un modèle couplé à haute résolution (1/12°) sont utilisés pour mettre en évidence et caractériser la relation entre la meso-échelle de température de surface de la mer (SST) et celle de l’intensité de la tension de vent (TV). Les observations montrent qu’environ un tiers de la meso-échelle de l’intensité de la TV est expliquée par les anomalies de la SST. L’intensité de la réponse de la TV aux anomalies de SST présente des variations spatiales et un cycle saisonnier marqué, également reproduits par le modèle. Une analyse de l’ajustement de la couche limite atmosphérique aux anomalies de meso-échelle de la SST dans les simulations permet d’expliquer ce cycle saisonnier et de comprendre l'origine des variations de la TV et de la vitesse du vent. Le modèle permet également d'étudier les conséquence de la modulation des flux à l’interface air-mer par la meso-échelle de SST et de courant de surface sur la dynamique océanique du Pacifique Sud-Est. D’une part, près de la côte, la réponse de la TV à la présence du front de SST diminue l’intensité de l’upwelling et la génération d’énergie cinétique turbulente (EKE) par instabilité barocline. La réponse de l’atmosphère à la meso-échelle de SST a également une rétroaction négative sur les anomalies de SST. D’autre part, la modulation de la TV par les courants de surface diminue la génération d’EKE par le travail des anomalies de TV, et créé un pompage d’Ekman qui atténue les anomalies de meso-échelle de la hauteur du niveau de la mer. / This PhD thesis studies the air/sea interactions at the oceanic mesoscale (10-300 km) in the South-East Pacific and their consequences. Satellite observations and a high-resolution regional ocean-atmosphere coupled model are used to evidence and characterize the mesoscale Sea Surface Temperature (SST)-wind stress (WS) interactions. Offshore from 150km, observations show that one third of the WS mesoscale intensity is explained by the SST mesoscale anomalies. The intensity of the WS response intensity to the SST displays similar spatial and seasonal variability in both the model and the observations. The simulation is further analyzed to study this variations and to understand the boundary layer adjustment mechanisms. A momentum balance evidenced that the near surface wind anomalies are created by the anomalies of the turbulent mixing term. It is shown that WS intensity anomalies due to SST anomalies are are mainly forced by mixing coefficient anomalies and partially compensated by wind shear anomalies. The consequences on the oceanic dynamics of the air-sea momentum, heat and fresh water fluxes by mesoscale SST and surface current are investigated in the simulations. On one hand, near the coast, the WS response to the upwelling SST front decreases both the upwelling and the eddy kinetic energy (EKE) generation by baroclinic conversion. A negative feedback of the atmospheric response on the SST anomalies amplitude is also evidenced. On the other hand, the WS modulation by oceanic surface currents decreases the EKE generation by the mesoscale wind work. It also creates an Ekman pumping centered above the eddies and attenuating sea surface height anomalies.

Ce travail de thèse apporte des éléments en vue d’une meilleure compréhension de la circulation et des processus de dispersion associés aux vagues à proximité des plages. Un outil de modélisation numérique opérationnelle a été développé, fondé sur le modèle spectral d’état de mer WAVEWATCH III R et le modèle hydrodynamique 3-D MOHID Water. Le code MOHID a été étendu à l’approche glm2z pour la représentation des interactions 3-D vagues-courant. Les développements théoriques permettant l’obtention des équations glm2z sont rassemblés et détaillés dans ce travail. L’implémentation de ces équations au sein de l’outil de modélisation est exposée. L’outil construit est validé sur deux cas académiques, où est mise en évidence sa capacité à reproduire la solution fournie par des modèles numériques de référence. Par la suite, la modélisation est combinée à des observations in situ pour étudier deux sites de la côte Sud Atlantique française. Ces sites correspondent à des configurations littorales complexes, associant une influence significative des vagues et une stratification haline notable de la colonne d’eau. La confrontation des résultats du calcul 3-D aux mesures fournit des résultats encourageants et apporte des éléments utiles pour la compréhension de la variabilité des courants et des profils de salinité observés. Une baie estuarienne semi-fermée est tout d’abord étudiée. La modélisation y suggère un effet significatif des vagues sur la dispersion des panaches estuariens, susceptible d’impacter la vidange globale de la baie à l’échelle d’un épisode de précipitations. Le second site d’application permet l’étude de la circulation intense induite par les vagues au-dessus d’un système barre/chenal, ainsi que la dispersion des eaux douces introduites par une rivière dans la zone de déferlement. Ce travail fournit finalement un outil de modélisation 3-D pour l’étude de la circulation et du transport sous l’effet de l’ensemble des forçages littoraux. / This work aimed at providing a better understanding of nearshore circulation and dispersion processes under the effect of waves. An operational numerical modeling tool was developed, based on the spectral wave model WAVEWATCH III R and the 3-D hydrodynamical model MOHID Water. The MOHID implementation was extended to the glm2z approach for 3-D wave-current interactions. Theoretical developments leading to glm2z equations are gathered and detailed in the present work. The numerical implementation of glm2z equations is described. The model is validated in academic cases, in which the obtained solution is shown to be consistent with that provided by reference numerical models. Both numerical modeling and in situ measurements are then used to study two nearshore environments, located on the French South Atlantic coast. These complex areas combine a significant effect of waves on dynamics and remarkable salinity stratification. Comparison of 3-D model results with field data are encouraging and offers interesting insights for current and salinity profile variability. Dynamics of a semi-enclosed estuarine bay is first studied. Modeling results suggest that waves may have a significant impact on river plumes, leading to a reduction of the global bay flushing during a raining event. The second study site allows the investigation of the intense circulation generated by waves over a ridge and runnel system, and the dispersion of reshwaters introduced in the surfzone by a small river. Finally, this work provides a 3-D numerical modeling tool for the study of the circulation and related transports under the effects of nearshore forcings.

La circulation méridienne de retournement (MOC) de l’Atlantique Nord est une composante clé du système climatique global, via son rôle dans la redistribution de chaleur, d’eau douce et de propriétés chimiques entre hautes et basses latitudes. Aux moyennes et hautes latitudes, le Courant Nord-Atlantique(NAC) forme la branche haute de la MOC. Il s’écoule vers le nord-est à la frontière des gyres subpolaire et subtropical, et se divise en deux branches principales dans l’est du gyre subpolaire : une branche nord qui recircule vers l’ouest dans le gyre subpolaire et une branche sud qui alimente les mers Nordiques.Une simulation réaliste haute résolution (ORCA025-G70, 1/4°) est combinée à un outil d’analyse Lagrangienne pour étudier la variabilité de la MOC (1965-2004) à travers la section A25-Ovide qui joint le Portugal au Groenland. Deux cellules de retournement vertical sont identifiées : une cellule subtropicale connectant les hautes et basses latitudes et une cellule interne aux régions subpolaires. La variabilité décennale de la MOC est associée à des changements synchronisés des apports subtropical et subpolaire dans la NAC. Ce dernier subit d’importantes restructurations horizontales caractérisées par la variabilité opposée de ses deux branches. Ces modifications de la distribution horizontale du transport sont principalement régies par la variabilité de l’afflux subtropical.Les variations du transport de chaleur à travers A25-Ovide sont la cause principale de la variabilité du contenu de chaleur observée dans l’est du gyre subpolaire (1965-2004). La variabilité du transport de chaleur résulte d’un déséquilibre entre des changements opposés de ses composantes « vitesse » et « température ». Les anomalies de vitesse et température sont en partie reflétées dans des déplacements verticaux d’isopycnes, potentiellement associés à la proportion changeante de masses d’eau subtropicales et subpolaires transportées par la branche nord du NAC.Enfin, une circulation surface-fond moyenne calculée depuis des mesures hydrographiques répétées et des mesures altimétriques indique une contribution mineure de la mer du Labrador pour la MOC global. Cependant, l’intensité du retournement diapycnal à AR7W a presque diminué de moitié entres les 1990’s et les 2000’s, confirmant l’importance de la région pour la variabilité basse-fréquence de la MOC. / The meridional Overturning Circulation (MOC) of the North Atlantic ocean is a key component of the global climate system, through its role in redistributing heat, freshwater end chemical properties between low and high latitude regions. In mid-high latitude regions, the North Atlantic Current (NAC) forms the upper limb of the MOC. It flows northeastward at the subtropical/subpolar boundary, and splits into two main branches in the eastern subpolar gyre: a northern branch that recirculates within the subpolar region and a southern branch that feed the Nordic Seas.A realistic eddy-permitting simulation (ORCA025-G70, 1/4°) is combined with a Lagrangian analysis tool (ARIANE) to investigate the MOC variability (1965-2004) across the A25-Ovide line, which joins Greenland to Portugal. Two vertical overturning cells are identified: a subtropical cell connecting low and high latitudes (12Sv) and a cell internal to the subpolar gyre (4Sv). The decadal MOC variability is associated with synchronized transport changes of the subtropical and subpolar inflow within the NAC. The latter undergoes important horizontal restructuring with opposed transport changes of its northern and southern branches. Those horizontal transport changes are largely induced by the horizontal variability of the subtropical inflow.Changes in oceanic heat transport across A25-Ovide are largely responsible for the observed heat content changes in the eastern subpolar gyre (1965-2004). Heat transport variability at A25-Ovide results from an imbalance between opposed changes in its velocity and temperature components. Both temperature and velocity anomalies are partly reflected in large scale heaves of isopycnals, and potentially relate to the varying proportion of warm subtropical waters and cold subpolar waters advected within the northern NAC branch.A 2000’s mean full-depth circulation computed along the merged AR7W/A25-Ovide line from repeated hydrographic profile and altimetry data indicates a minor contribution of the Labrador Sea to the basin wide mean MOC. However, the strength of the diapycnal overturning at AR7W has almost halved between the 1990’s and the 2000’s, confirming the importance of the region for the low-frequency MOC Variability.

Μελετάται αριθμητικά η υδροδυναμική κυκλοφορία του Πατραϊκού κόλπου. Σκοπό αποτελεί η κατανόηση της τρισδιάστατης δομής της ροής που προκαλείται υπό διάφορες φυσικές φορτίσεις, δηλαδή τον άνεμο, την παλίρροια και τη στρωμάτωση. Η αριθμητική προσομοίωση γίνεται με τον τρισδιάστατο αριθμητικό κώδικας πεπερασμένων όγκων MIKE 3 FM (HD,TR). Η ανεμογενής κυκλοφορία, κατά τους χειμερινούς μήνες οπότε ο κόλπος σύμφωνα με μετρήσεις είναι ομογενής, παρουσιάζει στοιχεία ροής μεγάλης κλίμακας, με επιρροή από τη δύναμη Coriolis, ανάπτυξη στρώματος Ekman και ισχυρά ρεύματα επιστροφής, λίγα μέτρα κάτω από την ελεύθερη επιφάνεια. Ταυτόχρονα, σε περιοχές όπως η θέση του στενού Ρίου-Αντιρρίου η ροή συμπεριφέρεται περισσότερο ως υδραυλική ροή με ταπείνωση της ελεύθερης επιφάνειας και κατακόρυφο προφίλ ταχύτητας, όμοιο με της τυρβώδους ροής Couette. Στην οριζόντια διεύθυνση, η ροή παρουσιάζει έντονα παράκτια ρεύματα και κλίση της ελεύθερης επιφάνειας. Εκτιμάται ότι ο χρόνος ανανέωσης των υδάτων για τον κόλπο θα κυμαίνεται από ένα μήνα έως μία εβδομάδα, ανάλογα με την ένταση του ανέμου. Φαίνεται ότι στα βαθύτερα στρώματα του Πατραϊκού η ανεμογενής ροή δεν επιδρά σημαντικά στην ανανέωση των υδάτων, τα οποία παραμένουν εγκλωβισμένα και επανακυκλοφορούν μεταξύ των δύο εγκάρσιων ραχών που οριοθετούν την λεκάνη του. Τα παλιρροϊκά ρεύματα, τα οποία είναι σημαντικά στον Πατραϊκό, καθορίζουν την κυκλοφορία των υδάτων στο κύριο σώμα του κόλπου και στο στενό Ρίου-Αντιρρίου, ενώ η ανεμογενής ροή είναι καθοριστική κοντά στις ακτές. Η συνδυασμένη δράση ανέμου και παλίρροιας προκαλεί κυκλωνικούς και αντικυκλωνικούς στροβίλους, πλησίον των βορείων και νοτίων ακτών του Πατραϊκού, η φορά των οποίων υπαγορεύεται αποκλειστικά από τα ισχυρά ανεμογενή παράκτια ρεύματα. Η μελέτη της καλοκαιρινής κυκλοφορίας αναδεικνύει σημαντικές διαφορές, σε σύγκριση με την χειμερινή κυκλοφορία των υδάτων στον Πατραϊκό κόλπο. Τα ανεμογενή ρεύματα είναι αμελητέα από τη ζώνη του θερμοκλινούς και κάτω, για τη μέση ένταση ανέμου, ενώ η ένταση της τύρβης περιορίζεται στο επιλίμνιο. Την καλοκαιρινή περίοδο η δράση νοτιοδυτικού ανέμου συνδέεται με την παρουσία αναβλύσεων στις βορειοδυτικές ακτές του όρμου της Ναυπάκτου και στο μέτωπο της λιμνοθάλασσας του Μεσολογγίου. Αναβλύσεις εντοπίζονται και νοτιοδυτικά του Ρίου, μπροστά από την πόλη των Πατρών, για βορειοανατολικούς ανέμους. Στο στενό Ρίου-Αντιρρίου η δράση του ανέμου, αλλά και η παλίρροια οδηγούν στη γένεση εσωτερικών κυμάτων τα οποία προκαλούν κατακόρυφη κυκλοφορία. Κύριο χαρακτηριστικό της κυκλοφορίας των υδάτων στον Πατραϊκό, την καλοκαιρινή περίοδο, είναι ο ισχυρός κυκλωνικός στρόβιλος που παρατηρείται στο κέντρο του κόλπου αναγκάζοντας τα ύδατα σε περιστροφική κίνηση. Με βάση τις αριθμητικές προσομοιώσεις η ύπαρξη ισχυρού κυκλωνικού στροβίλου συνδέεται αποκλειστικά με την παρουσία βορειοανατολικού ανέμου και συγκεκριμένα στη φάση της πλημμυρίδας. Τέλος, με βάση τις αριθμητικές προσομοιώσεις υπολογίζεται το τρισδιάστατο πεδίο ρευμάτων στην ευρύτερη περιοχή του παλαιού και νέου λιμένα Πατρών, καθώς και η διάχυση και μεταφορά των επεξεργασμένων λυμάτων από τον αγωγό της ΔΕΥΑΠ. / The hydrodynamic circulation in the Gulf of Patras, in Western Greece, is studied using three-dimensional numerical simulations. The simulations are performed using the three-dimensional modeling system MIKE 3 FM (HD/TR). The wind-induced circulation is examined in the natural basin of the Gulf of Patras, in which batotropic flow develops, according to field measurements, during the winter months. The simulations show that the wind-induced flow creates strong currents near the coasts, which determine the sense of rotation of the gyres that develop in the Gulf. Strong currents are also created at the Rio-Antirio straits. The wind-induced, barotropic currents do not seem to contribute to the renewal of bottom waters, which recirculate between the two sills. Depending on the speed of the wind forcing the flow, the residence time of the waters in the Gulf of Patras is estimated to range from one month to one week. The tide-induced circulation is important in the Gulf of Patras. Strong, tidal currents have been simulated to develop at the straits of Rio-Antirrio and in the main body of the Gulf, with cyclonic and anticyclonic eddies developing at the northern and southern coasts, respectively. When there is also wind blowing, nearshore gyres develop, the sense of rotation of which is by the wind direction, while in the central part of the Gulf the flow pattern is dictated by the tidal action. Further, the baroclinic wind and tide-induced circulation are studied to investigate the effect of stratification on the structure of the flow. During the summer period the wind-induced flow and the wind generated turbulence driven by winds of medium strength are restricted to the upper layer of the epilimnion, while the strong winds cause tilt and erosion of the thermocline in the central part of the Gulf and generation of internal waves at the straits of Rio-Antirio. Salient features of the summer circulation are the strong upwellings and the central cyclonic gyre which are predicted using numerical simulations. Upwellings occur along the northwesterly portion of the Nafpaktos bay coasts at the westerly part of the Gulf of Corinth, under southwesterly wind, and to the south of Rio cape at the front of the city of Patras, under northeasterly wind. Concerning with the central cyclonic eddy, according to numerical simulations it develops exclusively during the flood tide under the simultaneous action of northeasterly winds. The numerical predictions were validated against satellite images of the surface temperature field determined by NOAA-6 and NOAA-7 which closely confirm the simulation results. Finally, the simulated barotropic and baroclinic flow fields are applied to the calculation of the currents near the port of Patras and to the advection and diffusion of the treated sewage effluents disposed of near the southeasterly coast of the Gulf, near the city of Patras.