O sistema de correntes de contorno oeste que flui ao largo da costa leste brasileira entre 15°S e 22°S, é composto pela Corrente do Brasil (CB) fluindo para sul, a Sub-Corrente Norte do Brasil (SNB) fluindo para norte e a Corrente de Contorno Oeste Profunda (CCP) também fluindo para sul. Vigorosos meandros e vórtices são observados à jusante dos Bancos de Abrolhos (BA) e Royal Charlotte (BRC) e da Cadeia Vitória-Trindade. O objetivo central desta dissertação é o estudo da estabilidade deste sistema de correntes, aqui denomidado Sistema CB-SNB-CCP, utilizando o modelo oceânico da Universidade de Princeton (POM) em um cenário idealizado. Buscamos responder o quão instável é este sistema e quais seriam as características das ondas instáveis geradas a fim de contribuir para o conhecimento acerca da rica dinâmica de meso-escala observada nesta região. Objetivamos também, elucidar o papel dos BA e BRC nesta dinâmica. Embasados na alta baroclinicidade do sistema de correntes de contorno ao largo do sudeste brasileiro, optamos por representar o escoamento CB-SNB-CCP através de um modelo paramétrico do campo de massa, calibrado com os dados hidrográficos oriundos dos Cruzeiros Abrolhos [Silveira et al., 2006]. Mantendo o caráter idealizado do estudo, também empregamos topografia de fundo analítica, onde representamos o talude da região por uma função tangente hiporbólica. O BA e o BRC foram aproximados através de funções gaussianas devidademente ajustadas aos contornos da isóbata de 80 m extraídas do conjunto ETOPO 2. Para identificar os mecanismos de crescimento das possíveis ondas instáveis, calculou-se o balanço de energia das simulações realizadas de acordo com o método de [Xue & Bane, 1997]. Os resultados de três experimentos numéricos realizados sugerem que o sistema CB-SNB-CCP é instável. Ciclones quase-estacionários do lado costeiro da CB surgem como o principal modo de variabilidade desta corrente. De acordo com a análise do balanço energético, o crescimento dessas feições resulta primariamente de instabilidade baroclínica do escoamento. A escala horizontal típica das ondas e vórtices instáveis modelados é dada pelo raio de deformação interno, como esperado pela teoria de instabilidade baroclínica de escoamentos realisticamente estratificados. Em particular, os resultados do experimento com o BA e o BRC idealizados comprovam que estes funcionam como gatilhos para o desenvolvimento de ondas instáveis, favorecendo amplamente o crescimento das estruturas verticais. Os trens de onda instáveis quase-estacionários aqui obtidos sugerem que provavelmente o meandramento da CB observado em latitudes que se estendem até 28°S pode ser parte de um único sistema que se origina na região dos BA e BRC. / The western boundary currents system that flows off the eastern brazilian coast between 15°S e 22°S is composed by the southward-flowing Brazil Current (BC), the northward-flowing North Brazil Under Current (NBUC) and the Deep Western Boundary Current (DWBC) that flows south. Vigorous meanders and eddies are observed downstream of the Abrolhos (AB) and Royal Charlotte Banks (RCB) and the Vitória-Trindade Ridge. The main goal of this dissertation is to study the stability of this currents system, hereby named BC-NBUC-DWBC system, using the Princeton University Ocean Model (POM) in an idealized scenerio. We seek to answer how unstable is this system and what are the characteristics of the unstable waves in order to contribute to the understanding of the rich mesoescale dynamics observed in this region. We also aim to elucidate the role of the AB and of the RCB on this dynamics. Based on the high degree of baroclinicity of the western boundary currents system off the southeastern brazilian coast, we opted to represent the BC-NBUC-DWBC system through a parametric model of the mass field, calibrated with hydrographic data from the Abrolhos Cruises [Silveira et al., 2006]. Maintaining the idealized character of the study, we have also employed an analytical bottom topography, in which the region\'s continental slope is approximated by hyperbolic tangent function. The AB and RCB were approximated by gaussian functions properly adjusted to the 80 m isobath extracted from the ETOPO 2 database. To identify the growth mecanism of the unstable waves, the energy budget of the simulations was calculated according to [Xue & Bane, 1997]. The results from the three experiments conducted here suggest that the BC-NBUC-DWBC system is indeed unstable. Quasi-stationary cyclones in the coastal side of BC arise as the main mode of variability of this current. According to the energy budget analisys, the growth of these features results primarily from baroclinic instability of BC-NBUC-DWBC flow. The typical horizontal scale of the modeled unstable waves and eddies is given by the internal radius of deformation, as expected by baroclinic instability theory of realistically stratified flows. The quasi-stationary unstable wave trains modeled in the present study also suggest that the meandering of the BC observed down to 28°S are probably part of a single system that originates at the AB and RCB region.

O sistema de correntes de contorno oeste que flui ao largo da costa leste brasileira entre 15°S e 22°S, é composto pela Corrente do Brasil (CB) fluindo para sul, a Sub-Corrente Norte do Brasil (SNB) fluindo para norte e a Corrente de Contorno Oeste Profunda (CCP) também fluindo para sul. Vigorosos meandros e vórtices são observados à jusante dos Bancos de Abrolhos (BA) e Royal Charlotte (BRC) e da Cadeia Vitória-Trindade. O objetivo central desta dissertação é o estudo da estabilidade deste sistema de correntes, aqui denomidado Sistema CB-SNB-CCP, utilizando o modelo oceânico da Universidade de Princeton (POM) em um cenário idealizado. Buscamos responder o quão instável é este sistema e quais seriam as características das ondas instáveis geradas a fim de contribuir para o conhecimento acerca da rica dinâmica de meso-escala observada nesta região. Objetivamos também, elucidar o papel dos BA e BRC nesta dinâmica. Embasados na alta baroclinicidade do sistema de correntes de contorno ao largo do sudeste brasileiro, optamos por representar o escoamento CB-SNB-CCP através de um modelo paramétrico do campo de massa, calibrado com os dados hidrográficos oriundos dos Cruzeiros Abrolhos [Silveira et al., 2006]. Mantendo o caráter idealizado do estudo, também empregamos topografia de fundo analítica, onde representamos o talude da região por uma função tangente hiporbólica. O BA e o BRC foram aproximados através de funções gaussianas devidademente ajustadas aos contornos da isóbata de 80 m extraídas do conjunto ETOPO 2. Para identificar os mecanismos de crescimento das possíveis ondas instáveis, calculou-se o balanço de energia das simulações realizadas de acordo com o método de [Xue & Bane, 1997]. Os resultados de três experimentos numéricos realizados sugerem que o sistema CB-SNB-CCP é instável. Ciclones quase-estacionários do lado costeiro da CB surgem como o principal modo de variabilidade desta corrente. De acordo com a análise do balanço energético, o crescimento dessas feições resulta primariamente de instabilidade baroclínica do escoamento. A escala horizontal típica das ondas e vórtices instáveis modelados é dada pelo raio de deformação interno, como esperado pela teoria de instabilidade baroclínica de escoamentos realisticamente estratificados. Em particular, os resultados do experimento com o BA e o BRC idealizados comprovam que estes funcionam como gatilhos para o desenvolvimento de ondas instáveis, favorecendo amplamente o crescimento das estruturas verticais. Os trens de onda instáveis quase-estacionários aqui obtidos sugerem que provavelmente o meandramento da CB observado em latitudes que se estendem até 28°S pode ser parte de um único sistema que se origina na região dos BA e BRC. / The western boundary currents system that flows off the eastern brazilian coast between 15°S e 22°S is composed by the southward-flowing Brazil Current (BC), the northward-flowing North Brazil Under Current (NBUC) and the Deep Western Boundary Current (DWBC) that flows south. Vigorous meanders and eddies are observed downstream of the Abrolhos (AB) and Royal Charlotte Banks (RCB) and the Vitória-Trindade Ridge. The main goal of this dissertation is to study the stability of this currents system, hereby named BC-NBUC-DWBC system, using the Princeton University Ocean Model (POM) in an idealized scenerio. We seek to answer how unstable is this system and what are the characteristics of the unstable waves in order to contribute to the understanding of the rich mesoescale dynamics observed in this region. We also aim to elucidate the role of the AB and of the RCB on this dynamics. Based on the high degree of baroclinicity of the western boundary currents system off the southeastern brazilian coast, we opted to represent the BC-NBUC-DWBC system through a parametric model of the mass field, calibrated with hydrographic data from the Abrolhos Cruises [Silveira et al., 2006]. Maintaining the idealized character of the study, we have also employed an analytical bottom topography, in which the region\'s continental slope is approximated by hyperbolic tangent function. The AB and RCB were approximated by gaussian functions properly adjusted to the 80 m isobath extracted from the ETOPO 2 database. To identify the growth mecanism of the unstable waves, the energy budget of the simulations was calculated according to [Xue & Bane, 1997]. The results from the three experiments conducted here suggest that the BC-NBUC-DWBC system is indeed unstable. Quasi-stationary cyclones in the coastal side of BC arise as the main mode of variability of this current. According to the energy budget analisys, the growth of these features results primarily from baroclinic instability of BC-NBUC-DWBC flow. The typical horizontal scale of the modeled unstable waves and eddies is given by the internal radius of deformation, as expected by baroclinic instability theory of realistically stratified flows. The quasi-stationary unstable wave trains modeled in the present study also suggest that the meandering of the BC observed down to 28°S are probably part of a single system that originates at the AB and RCB region.

We use hydrographic and direct velocity observations from two quasi-synoptic cruises in conjunction with a primitive equation linear instability model, to investigate the Brazil Current (BC) downstream change effect between 23°S-30°S on the temporal mixed instabilities properties. The quasi-synoptic data revealed that the BC is ∼400-500 m deep to the north of the so-called Santos Bifurcation (26°S-28°S) and extends down to 1000 m to the south of it. We estimated that the BC receives at least 7 Sv from the Santos Bifurcation, which drastically alters the BC\'s velocity vertical structure and meanders characteristics as it flows poleward. Based on direct velocity measurements, we computed the mixed-instability properties at three different latitudes (24°S, 26°S and 30°S). The instability analysis revealed unstable current systems to mesoscale perturbations with maximum growth rates of 0.12, 0.19 and 0.06 day-1 at 24°S, 26°S and 30°S respectively. The corresponding downstream phase speeds are -0.19, -0.24 and -0.26 m s-1. The analysis of the mean-to-eddy energy conversion terms show that the barotropic instability drains 60-90% less energy from the background state than the baroclinic instability. Nevertheless, the maximum growth rates are at least the double in magnitude when both instabilities occur simultaneously. The topography presents a stabilizing effect for both kind of instabilities along all the BC path. At the vicinities of the Cape Santa Marta (28°S), we explored the the recurrent cyclonic meanders of the BC. Combining a wide range of observations, we provided a overview of such features and the relations between its velocity patterns, the water properties (temperature, salinity, nutrients), chlorophyll-a distribution and the BC variability. The top-bottom quasi-synoptic velocity measurements depicted cyclonic meanders over the continental slope with diameters larger than 100 km and vertically extending to approximately 1500 m depth. Moreover, the observed eddies seems to trap and recirculate a small portion (∼1.5 to 4 Sv) of the BC main flow (-13.16 to -17.89 Sv), which is consisted of Tropical Water (TW), South Atlantic Central Water (SACW), Antarctic Intermediate Water (AAIW) and Upper Circumpolar Deep Water (UCDW). Additionally, we presented observational evidence that the meanders actively influence the transport of nutrient-rich shelf waters to the open ocean enhancing the primary productivity at the photic zone over the continental slope. Satellite imagery show that these cyclonic events occur 5-6 times per year and are generally associated with wave-like perturbations on the flow with mean wavelength of ∼219 km. Finally, Empirical Orthogonal Functions (EOF) analysis computed from an array of mooring lines show that more than half of the along-isobath velocity variance on the continental slope is explained by the BC mesoscale activity. / As propriedades de instabilidade temporal mista da Corrente do Brasil (CB), entre 23°S-30°S, foram investigadas combinando dados hidrográficos e medições diretas de velocide com modelagem numérica. As observações revelaram uma CB com ∼400-500 m de profundidade ao norte da Bifurcação de Santos (26°S-28°S). Em contrapartida, a CB ao sul da bifurcação se mostrou muito mais profunda (> 1000 m) devido ao aporte de aproximadamente 7 Sv de águas em profundidades intermediárias (∼500-1500 m) oriundas do ramo sul da Bifurcação de Santos. Baseado-se nas observações, experimentos numéricos foram conduzidos em três latitudes (24°S, 26°S and 30°S), com o intuito de se estudar as propriedades da instabilidade geofísica da CB. Tais experimentos mostraram que o sistema de correntes é instável para perturbações de mesoescala com taxas de crescimento máximas de 0,12, 0,19 and 0,06 dia-1 nas latitudes de 24°S, 26°S and 30°S, respectivamente. A análise das taxas de transferências de energia das correntes médias para as pertubações revelou que a instabilidade barotrópica é de 60 a 90% menor que a instabilidade baroclínica. No entanto observou-se que as propriedades das instabilidades da BC são altamente sensíveis à presença de instabilidade barotrópica. A topografia demonstrou possuir um efeito estabilizador ao longo de toda trajetória da CB. Ao largo do Cabo de Santa Marta (28°S) os meandros ciclônicos da CB tiveram suas características exploradas do ponto de vista observacional. Combinando uma grande variedade de observações, foi obtido uma visão geral de tais feições, assim como as relações entre seus padrões de velocidade, propriedades da água do mar (temperatura, salinidade, nutrientes), distribuição de clorofila A e a variabilidade da BC. As observações quasi-sinóticas de velocidade em toda a coluna mostraram que os meandros possuem diâmetro superiores à 100 km e extensão vertical de aproximadamente 1500 m. Desta forma, observou-se feições que recirculam uma pequena parte (∼1.5 à 4 Sv) do eixo principal da CB (-13.16 à -17.8 Sv) composta por Água Tropical, Água Central do Atlântico Sul, Água Intermediária Antártica e Água Circumpolar Superior. Além disso, evidências de que tais meandros influenciam ativamente no transporte de águas da Plataforma Continental, ricas em nutrientes, para regiões profundas do Talude Continental foram encontradas. A análise de imagens de satelitárias indicaram que essas feições são efetivamente recorrentes na região e ocorrrem entre 5 a 6 vezes por ano. Para concluir, registros correntográficos indicaram que aproximadamente metade da variância da componente da velocidade ao logo das isóbatas, sobre o talude continental, é devido à atividade de mesoescala da CB.

We use hydrographic and direct velocity observations from two quasi-synoptic cruises in conjunction with a primitive equation linear instability model, to investigate the Brazil Current (BC) downstream change effect between 23°S-30°S on the temporal mixed instabilities properties. The quasi-synoptic data revealed that the BC is ∼400-500 m deep to the north of the so-called Santos Bifurcation (26°S-28°S) and extends down to 1000 m to the south of it. We estimated that the BC receives at least 7 Sv from the Santos Bifurcation, which drastically alters the BC\'s velocity vertical structure and meanders characteristics as it flows poleward. Based on direct velocity measurements, we computed the mixed-instability properties at three different latitudes (24°S, 26°S and 30°S). The instability analysis revealed unstable current systems to mesoscale perturbations with maximum growth rates of 0.12, 0.19 and 0.06 day-1 at 24°S, 26°S and 30°S respectively. The corresponding downstream phase speeds are -0.19, -0.24 and -0.26 m s-1. The analysis of the mean-to-eddy energy conversion terms show that the barotropic instability drains 60-90% less energy from the background state than the baroclinic instability. Nevertheless, the maximum growth rates are at least the double in magnitude when both instabilities occur simultaneously. The topography presents a stabilizing effect for both kind of instabilities along all the BC path. At the vicinities of the Cape Santa Marta (28°S), we explored the the recurrent cyclonic meanders of the BC. Combining a wide range of observations, we provided a overview of such features and the relations between its velocity patterns, the water properties (temperature, salinity, nutrients), chlorophyll-a distribution and the BC variability. The top-bottom quasi-synoptic velocity measurements depicted cyclonic meanders over the continental slope with diameters larger than 100 km and vertically extending to approximately 1500 m depth. Moreover, the observed eddies seems to trap and recirculate a small portion (∼1.5 to 4 Sv) of the BC main flow (-13.16 to -17.89 Sv), which is consisted of Tropical Water (TW), South Atlantic Central Water (SACW), Antarctic Intermediate Water (AAIW) and Upper Circumpolar Deep Water (UCDW). Additionally, we presented observational evidence that the meanders actively influence the transport of nutrient-rich shelf waters to the open ocean enhancing the primary productivity at the photic zone over the continental slope. Satellite imagery show that these cyclonic events occur 5-6 times per year and are generally associated with wave-like perturbations on the flow with mean wavelength of ∼219 km. Finally, Empirical Orthogonal Functions (EOF) analysis computed from an array of mooring lines show that more than half of the along-isobath velocity variance on the continental slope is explained by the BC mesoscale activity. / As propriedades de instabilidade temporal mista da Corrente do Brasil (CB), entre 23°S-30°S, foram investigadas combinando dados hidrográficos e medições diretas de velocide com modelagem numérica. As observações revelaram uma CB com ∼400-500 m de profundidade ao norte da Bifurcação de Santos (26°S-28°S). Em contrapartida, a CB ao sul da bifurcação se mostrou muito mais profunda (> 1000 m) devido ao aporte de aproximadamente 7 Sv de águas em profundidades intermediárias (∼500-1500 m) oriundas do ramo sul da Bifurcação de Santos. Baseado-se nas observações, experimentos numéricos foram conduzidos em três latitudes (24°S, 26°S and 30°S), com o intuito de se estudar as propriedades da instabilidade geofísica da CB. Tais experimentos mostraram que o sistema de correntes é instável para perturbações de mesoescala com taxas de crescimento máximas de 0,12, 0,19 and 0,06 dia-1 nas latitudes de 24°S, 26°S and 30°S, respectivamente. A análise das taxas de transferências de energia das correntes médias para as pertubações revelou que a instabilidade barotrópica é de 60 a 90% menor que a instabilidade baroclínica. No entanto observou-se que as propriedades das instabilidades da BC são altamente sensíveis à presença de instabilidade barotrópica. A topografia demonstrou possuir um efeito estabilizador ao longo de toda trajetória da CB. Ao largo do Cabo de Santa Marta (28°S) os meandros ciclônicos da CB tiveram suas características exploradas do ponto de vista observacional. Combinando uma grande variedade de observações, foi obtido uma visão geral de tais feições, assim como as relações entre seus padrões de velocidade, propriedades da água do mar (temperatura, salinidade, nutrientes), distribuição de clorofila A e a variabilidade da BC. As observações quasi-sinóticas de velocidade em toda a coluna mostraram que os meandros possuem diâmetro superiores à 100 km e extensão vertical de aproximadamente 1500 m. Desta forma, observou-se feições que recirculam uma pequena parte (∼1.5 à 4 Sv) do eixo principal da CB (-13.16 à -17.8 Sv) composta por Água Tropical, Água Central do Atlântico Sul, Água Intermediária Antártica e Água Circumpolar Superior. Além disso, evidências de que tais meandros influenciam ativamente no transporte de águas da Plataforma Continental, ricas em nutrientes, para regiões profundas do Talude Continental foram encontradas. A análise de imagens de satelitárias indicaram que essas feições são efetivamente recorrentes na região e ocorrrem entre 5 a 6 vezes por ano. Para concluir, registros correntográficos indicaram que aproximadamente metade da variância da componente da velocidade ao logo das isóbatas, sobre o talude continental, é devido à atividade de mesoescala da CB.

La finalité de cette thèse est de fournir une meilleure compréhension de la turbulence homogène anisotrope soumise à un forçage barocline. À cette fin, nous utilisons une approche numérique pseudo-spectrale basée sur la transformation de Rogallo. L’utilisation d’un tel algorithme nous permet de considérer une asymétrie des fonctions de probabilité en faveur des évènements négatifs est observée. Le lien entre la distribution de vorticité potentielle et celle d’un scalaire passif est également étudié. Il est montré qu’à faible nombre de Richardson, c’est le mode vortex (à vorticité potentielle nulle) qui contient les plus importantes fuctuations de scalaire. Un écoulement homogène dans les trois directions de l’espace. Plusieurs simulations numériques directes (DNS) sont effectuées dans un contexte assez proche des écoulements géophysiques que l’on retrouve entre autre dans la stratosphère, où un gradient constant de vitesse zonale vient se coupler à un gradient constant de densité dans un repère tournant. Les résultats obtenus s’articulent autour de quatre axes principaux. Tout d’abord, une étude linéaire à temps fini est présentée en vue de compléter les résultats existants sur la dynamique linéaire asymptotique. La solution linéaire est décomposée en une partie ‘onde’ (qui se propage) et une partie dite ‘vortex’(stationnaire). L’étude analytique est complétée par un modèle synthétique de turbulence (Kinematic Simulation ou KS) basé sur la théorie de la distorsion rapide(RDT). Nous montrons qu’une distribution initiale non nulle de vorticité potentielle linéarisée peut conduire à d’importantes croissances transitoires. Ce résultat pourrait s’étendre à des modélisations du climat ou météorologique, où la distribution initiale de vorticité potentielle semble avoir autant d’importance que la distribution initiale de température ou de vitesse. Ensuite, nous consacrons une partie de notre étude à l’analyse paramétrique et à la stabilité de l’écoulement. Plusieurs DNS sont effectuées pour différents taux de rotation et stratification. Le diagramme de stabilité obtenu montre que pour de faibles taux de rotation, la limite de stabilité est identique à celle connue des écoulements sans rotation. À plus faible nombre de Rossby — lorsque la baroclinicité devient importante — la limite linéaire de stabilité Ri = 1 relative à l’instabilité symétrique est confirmée. La coexistance de l’instabilité barocline avec l’instabilité symétrique est également clarifiée. Une analyse énergétique détaillée mène à la conclusion suivante : la stratification doit être suffisamment importante (Ri ' 1) pour que l’instabilité barocline soit dominante i.e. que la conversion d’énergie potentielle soit la source principale d’énergie cinétique turbulente. Dans le cas contraire, l’instabilité symétrique — qui tire son énergie de l’énergie cinétique de l’écoulement moyen et non de son énergie potentielle — domine la dynamique de l’écoulement. Le troisième axe d’étude concerne la turbulence à proprement parler. En conséquence de l’ajustement géostrophique, le vent thermique force la turbulence d’une manière naturelle, en opposition à d’autres méthodes de forçage stochastique. L’émergence de structures dans le contexte barocline est approfondie. Des statistiques Euleriennes sont présentées afin de fournir une caractérisation fine de l’anisotropie de l’écoulement. Enfin, nous étendons notre étude à la caractérisation de la vorticité potentielle turbulente. Les fonctions de probabilité de la vorticité potentielle d’Ertel montrent que des anomalies sont présentes dans les configurations instables. En particulier, une asymétrie des fonctions de probabilité en faveur des évènements négatifs est observée. Le lien entre la distribution de vorticité potentielle et celle d’un scalaire passif est également étudié. Il est montré qu’à faible nombre de Richardson, c’est le mode vortex (à vorticité potentielle nulle) qui contient les plus importantes fuctuations de scalaire. / The main objective of this thesis is to provide a better understandingof homogeneous turbulence dynamics under an external baroclinic forcing.To achieve this goal, we use a pseudo-spectral code based on the Rogallo transformation.The use of such an algorithm allows to assume homegeneity in the threespatial directions. Direct Numerical Simulations (DNS) are done in a context representativeof geophysical baroclinic flows in the middle atmosphere: superpositionof a uniform mean zonal flow with stable vertical stratification and frame rotation.The results we obtained are then presented along four axes.First, a finite-time linear analysis is done to complete previous asymptotic results.The linearized flow is decomposed into a propagating (wave) and stationary (vortex)part. The analytical work is completed by a Kinematic Simulation (KS) modelbased on Rapid Distortion Theory (RDT). It is shown that the linearized potentialvorticity mode can produce dramatic transient growth of the kinetic energy if nonzeroinitially. The consequence of such a result is then of capital interest in climatemodelling, where the initial distribution of potential vorticity seems to have moreimportance than other eulerian quantities (temperature or velocity).The second axis is dedicated to a parametric analysis of the flow stability. SeveralDNS are done for different rotation and stratification rates. The derived stabilitydiagram shows that at low rotation rates, the stability bound for purely shearedstratifiedflows is recovered. At higher rotation rates — when baroclinicity is dominant— the linear bound for the so-called symmetric instability is confirmed. Thecoexistence of baroclinic and symmetric instabilies is also clarified. A complete energeticanalysis leads to the conclusion that stratification must be sufficiently highto enhance potential energy release through baroclinic instability. If not, symmetricinstability — driving its energy from the kinetic energy of the mean flow and notfrom the potential energy of the mean flow — is found to dominate the dynamics.The third axis is devoted to a characterisation of homogeneous turbulence submittedto an external baroclinic forcing. As coming from the geostrophic adjustment,the thermal shear allows an organic forcing of turbulence, in opposition to ad-hocarticificial forcing. The structures associated with the simultaneous presence of rotation,stratification and shear are investigated. Eulerian statistics are gathered togive a sharp characterisation of the spatial anisotropy of the flow.Finally, we open our work to the study of turbulent potential vorticity. Probabilitydensity functions of Ertel’s potential vorticity show that potential vorticityanomalies are present in unstable configurations. In particular, an asymmetry ofthe probability density functions toward negative events is observed. An attemptto link potential vorticity dynamics with scalar mixing in baroclinic flows is donethrough joint probability functions analysis.

We use four current meter mooring records and quasi-synoptic hydrographic observations in conjunction with a one-dimensional quasi-geostrophic (QG) linear stability model to investigate the downstream changes in the Brazil Current (BC) System off the southeast Brazil (22°S-28°S) as well as its implications. The dataset depicts the downstream thickening of the BC: Its vertical extension increases from 350 m at 22.7°S to 800 m at 27.9°S. Most of this deepening occurs between 25.5°S and 27.9°S, and it is likely linked to the Santos bifurcation. To the south of that bifurcation, the BC transport is increased by at least 5 Sv. Moreover, the analysis of the water column average kinetic energy (IKE) and its barotropic/baroclinic partition show that the Santos bifurcation is associated with a substantial increase in the barotropic component of the BC System: The IKE is, on average, 70 % baroclinic to the north and becomes 63 % barotropic to the south of that bifurcation. The water column average eddy kinetic energy (IEKE) and its ratio to the IKE quantitatively reveal the conspicuous mesoscale activity associated to the BC off the southeast Brazil; accordingly, the IEKE accounts for (30-60)% of the IKE. The linear stability model predicts southwestward-propagating fastest-growing waves [~(180-190) km] within 25.5°S-27.9°S and quasi-standing most-unstable waves (~230 km) at 22.7°S, roughly consistent with observations and previous work. We also assess the ability of the QG modes and surface QG (SQG) solutions to represent the vertical structure of the sub-inertial time-varying flow in the southwestern Atlantic. At two moorings, which present a sharp near-surface decay in the vertical structure of the 1st empirical orthogonal function (EOF) of current meter time series, the SQG solutions are consistent with the data, accounting for up to 85 % of the 1st EOF variance. The SQG solutions are nonetheless indistinguishable from a four QG mode representation. In contrast, at a third mooring that do not present such sharp-decay, the vertical structure of the 1st EOF is fairly well-captured by the traditional barotropic/1st baroclinic mode combination, which accounts for 91 % of its variance. We argue that such vertical structures may be associated with the type of instability experimented by the mean flow in each region. \"Charney-like\" or surface-intensified \"Phillips-like\" instabilities may rationalize the observed SQG-like vertical structures depicted at two moorings. Mid-depthintensified \"Phillips-like\" instabilities are consistent with a two QG mode representation at a third mooring. / Séries temporais correntográficas, observações hidrográficas quase-sinóticas e um modelo linear quase-geostrófico (QG) são combinados com o propósito de investigar as transformações no Sistema Corrente do Brasil (CB) ao largo da costa sudeste (22°S-28°S) e suas implicações. O conjunto de dados revela o espessamento vertical da CB, que ocupa os 350 m superiores da coluna de água em 22,7°S e atinge 800 m em 27,9°S. Parte significativa deste espessamento ocorre entre 25,5°S e 27,9°S, provavelmente relacionado à Bifurcação de Santos. Ao sul desta bifurcação, o transporte da CB é pelo menos 5 Sv superior. Ademais, a análise da energia cinética média na coluna de água (ECM) e sua partição entre componentes barotrópica e baroclínica revela que a Bifurcação de Santos está associada ao aumento significativo da componente barotrópica do Sistema CB. A ECM é, em média, 70% baroclínica ao norte da bifurcação, tornando-se 63% barotrópica ao sul desta. A análise da energia cinética turbulenta média na coluna de água (ECTM) corrobora o importante papel da atividade de mesoescala do Sistema CB ao largo do sudeste do Brasil: A ECTM é responsável por (30-60)% da ECM. O modelo de estabilidade linear prevê ondas com maiores taxas de crescimento [~(180-190) km] que se propagam para sudoeste entre 25,5°S-27,9°S. Em 22,7°S, as ondas mais instáveis (~230 km) crescem essencialmente sem propagação, consistente com as observações e também com informações presentes na literatura. A habilidade dos modos QG e das soluções QG superficiais (QGS) em representar a variabilidade subinercial no Atlântico Sudoeste também é investigada. Em dois fundeios, a estrutura vertical da 1ª função empírica ortogonal (FOE) apresenta um decaimento agudo. Este decaimento é consistente com soluções QGS, que contêm até 85% da variância da 1ª FOE. No entanto, estas soluções convergem para uma representação por quatro modos QG. Por outro lado, a estrutura vertical da 1ª FOE em um terceiro fundeio não apresenta tal decaimento marcante. Consequentemente, a 1ª FOE é bem representada pela tradicional combinação dos modos barotrópico/1o baroclínico. Argumentamos que estas estruturas podem estar associadas ao tipo de instabilidade experimentada pelo escoamento médio em cada região. Instabilidades tipo \"Charney\" ou \"Phillips\" (intensificadas em superfície) são consistentes com estruturas verticais tipo QGS presentes em dois fundeios. Instabilidades tipo \"Phillips\" (intensificadas em meia água) são consistentes com a representação por dois modos QG em um terceiro fundeio

O meandramento da Corrente do Brasil (CB) ao sul da Bifurcação de Santos é investigada por meio de imagens satelitárias, dados quase-sinóticos, análise de funções ortogonais empíricas (EOF) de correntômetros de fundeios e um modelo analítico semi-teórico. A análise das imagens satelitárias revelam que em média 1,2 meandros ciclônicos de grande amplitude são formados anualmente nas vizinhanças do Cabo de Santa Marta (∼28,5°S). Os meandros parecem ser geostroficamente instáveis e a taxa de crescimento típica estimada é de 0,05 m s-1 . Eles ainda se propagam para sul com velocidade de fase de 0,07 m s-1 . A seção de velocidade, como a inferida por perfis de L-ADCP obtidos durante cruzeiros hidrográficos, revelam que os meandros do Cabo de Santa Marta possuem estrutura de velocidade distinta daquelas observadas em Cabo Frio (23°S) e Cabo de São Tomé (22°S). Os meandros alcançam profundidades maiores que 1400 m e recirculam Água Tropical, Água Central do Atlântico Sul, Água Intermediária Antártica e Água Circumpolar Superior. Ocasionalmente, a estrutura do vórtice se funde com a camada subjacente da Corrente de Contorno Oeste Profunda. O padrão geostrófico horizontal dos meandros foram mapeados usando dados de temperatura e salinidade de cruzeiros históricos e foi obtido que a estrutura ciclônica do meandro possui número de Rossby (∼0,07) e número de Burger (∼0,06) pequenos. Portanto, vorticidade de estiramento parece ter papel importante na dinâmica de meandramento e, consequentemente, instabilidade baroclínica é o fenômeno primariamente responsável pelo crescimento do ciclone. O número de Burger pequeno também sugere que a dinâmica do meandro é influênciada pela topografia. A análise de EOFs bidimensionais conduzida no transecto WOCE 28°S de fundeios históricos dos anos 90 mostram que o primeiro modo seccional explica cerca de 54% da variância das séries e está relacionado ao meandramento da CB. A amplitude do meandro ciclônico é aproximadamente 200 km uma vez que cruza o transecto e a onda de vorticidade baroclínica associada tem tipicamente 26 dias. Finalmente, um modelo de Dinâmica de Contornos idealizado de 2 camadas é construído para isolar o mecanismo de instabilidade baroclínica e para investigar as razões do crescimento e velocidade de fase para sul. A estrutura do fluxo básico do modelo é construído baseado no ajuste por mínimos quadrados das funções teóricas à média das observações nas espessuras das camadas. A simulação mostrou que o meandro evolui e se desenvolve devido ao fechamento de fase da camada inferior mais lenta relativo à camada superior mais rápida. Além disso, a propagação de fase para sul ocorre como uma consequência direta da componente barotrópica robusta, adquirida pela CB devido o ramo sul da Bifurcação de Santos. / The Brazil Current (BC) meandering south of the so-called Antarctic Intemediate Water\'s Santos Bifurcation is investigated by means of satellite imagery, quasi-synoptic data, empirical orthogonal function (EOF) analysis of currentmeter moorings and a semi-theoretical dynamical model. The analysis of the infrared imagery revealed that on average 1.2 large amplitude cyclonic meanders are formed annualy in the vicinities of Cape Santa Marta (∼28.5°S). The meanders seem to be geophysically unstable and the estimated typical growth rate is of 0.05 days-1 . They also propagate southward with phase speed of 0.07 m s-1 . The sectional velocity distributions, as inferred from L-ADCP profiles obtained during hydrographic cruises, revealed that the Cape Santa Marta meanders have a very distinct vertical structure from those observed off Cape Frio (23°S) and Cape São Tomé (22°S). The meanders reach much depths of 1400 m and recirculated Tropical Water, South Atlantic Central Water, Antarctic Intemediate Water and Upper Circumpolar Waters. Occasionally, the eddy structure melds with the underlying Deep Western Boundary Current. Geostrophic horizontal patterns of the meanders were mapped using T-S information from historical cruises and it is obtained that the meander is a low-Rossby number (∼0.07) and low-Burger(∼0.06) number cyclone feature. Therefore, stretching vorticity seems to play a major role on the meandering dynamics and, consequently, baroclinic instability is the phenomenon primairily responsible for the cyclone growth. The low-Burger number also suggests that the meander dynamics is influenced by the topography. The two-dimensional EOF analysis conducted on the historical 28°S WOCE mooring transect from the 90s shows that the first sectional mode explains about 54% of the series variance and is related to the BC meandering. The amplitude of the cyclonic meander is roughly 200 km as it crosses the transect and the associated baroclinic vorticity wave period is typically 26 days. Finally, an idealized 2-layer Contour Dynamics model is constructed to isolate the baroclinic instability mechanism and to investigate the reasons for the growth and the southward phase speeds. The model\'s basic flow structure is built based on least-square fits of the observations averaged within the two layer\'s vertical extensions. The simulation showed that the meander evolve and grow due to the phase-locking of the slower lower layer relative to the faster upper layer. Also, the southward phase speed occurs as a direct consequence of the robust barotropic component acquired by the BC due to the southern branch of the Santos Bifurcation of the Antarctic Intemediate Water.

Ocean submesoscales are the subject of increasing focus in the oceanographic literature; with instrumentation now more capable of observing them in situ and numerical models now able to reach the resolution required to more fully capture them. Submesoscales are typified by horizontal spatial scales of O(1 − 10) km, vertical scales O(100) m and time-scales of O(1) day and are known to be associated with regions of high vertical velocity and vorticity. Occurring most commonly at density fronts at the ocean surface they can control mixed layer restratification and provide an important control on fluxes between the atmosphere and the deep ocean. This thesis sets out to better understand the fundamental physical processes underpinning submesoscale instabilities using a number of idealised process models. Linear stability analysis complemented by non-linear, high-resolution simulations will be used initially to explore the ways in which submesoscale instabilities in the mixed layer may compete and interact with one another. In particular, we will investigate the way in which symmetric and ageostrophic baroclinic instabilities interact when simultaneously present in a flow, with focus on the growth rates and energetic pathways of previously unexplored dynamic instabilities that arise in this paradigm; three-dimensional, mixed symmetric-baroclinic instabilities. Further, these non-linear simulations will allow us to investigate the transition to dissipative scales that can occur in the classical Eady model via a multitude of small-scale secondary instabilities that result from primary submesoscale instabilities. Finally, observational data, taken aboard the SMILES project cruise to the Southern Ocean, helps to motivate the consideration of a new dynamical paradigm; the Eady model with superimposed high amplitude barotropic jet. Non-linear simulations investigate the extent to which the addition of such a jet is capable of damping submesoscale growth. The causes of this damping are then investigated using linear analysis. With this approach eventually demonstrated as being unable to fully explain growth rate reductions, we introduce a new framework combining potential vorticity mixing by submesoscale instabilities with geostrophic adjustment, which relaxes the flow back to a geostrophic balanced state. This framework will help to explain, conceptually, how non-linear eddies control the linear stability of the flow.

We use four current meter mooring records and quasi-synoptic hydrographic observations in conjunction with a one-dimensional quasi-geostrophic (QG) linear stability model to investigate the downstream changes in the Brazil Current (BC) System off the southeast Brazil (22°S-28°S) as well as its implications. The dataset depicts the downstream thickening of the BC: Its vertical extension increases from 350 m at 22.7°S to 800 m at 27.9°S. Most of this deepening occurs between 25.5°S and 27.9°S, and it is likely linked to the Santos bifurcation. To the south of that bifurcation, the BC transport is increased by at least 5 Sv. Moreover, the analysis of the water column average kinetic energy (IKE) and its barotropic/baroclinic partition show that the Santos bifurcation is associated with a substantial increase in the barotropic component of the BC System: The IKE is, on average, 70 % baroclinic to the north and becomes 63 % barotropic to the south of that bifurcation. The water column average eddy kinetic energy (IEKE) and its ratio to the IKE quantitatively reveal the conspicuous mesoscale activity associated to the BC off the southeast Brazil; accordingly, the IEKE accounts for (30-60)% of the IKE. The linear stability model predicts southwestward-propagating fastest-growing waves [~(180-190) km] within 25.5°S-27.9°S and quasi-standing most-unstable waves (~230 km) at 22.7°S, roughly consistent with observations and previous work. We also assess the ability of the QG modes and surface QG (SQG) solutions to represent the vertical structure of the sub-inertial time-varying flow in the southwestern Atlantic. At two moorings, which present a sharp near-surface decay in the vertical structure of the 1st empirical orthogonal function (EOF) of current meter time series, the SQG solutions are consistent with the data, accounting for up to 85 % of the 1st EOF variance. The SQG solutions are nonetheless indistinguishable from a four QG mode representation. In contrast, at a third mooring that do not present such sharp-decay, the vertical structure of the 1st EOF is fairly well-captured by the traditional barotropic/1st baroclinic mode combination, which accounts for 91 % of its variance. We argue that such vertical structures may be associated with the type of instability experimented by the mean flow in each region. \"Charney-like\" or surface-intensified \"Phillips-like\" instabilities may rationalize the observed SQG-like vertical structures depicted at two moorings. Mid-depthintensified \"Phillips-like\" instabilities are consistent with a two QG mode representation at a third mooring. / Séries temporais correntográficas, observações hidrográficas quase-sinóticas e um modelo linear quase-geostrófico (QG) são combinados com o propósito de investigar as transformações no Sistema Corrente do Brasil (CB) ao largo da costa sudeste (22°S-28°S) e suas implicações. O conjunto de dados revela o espessamento vertical da CB, que ocupa os 350 m superiores da coluna de água em 22,7°S e atinge 800 m em 27,9°S. Parte significativa deste espessamento ocorre entre 25,5°S e 27,9°S, provavelmente relacionado à Bifurcação de Santos. Ao sul desta bifurcação, o transporte da CB é pelo menos 5 Sv superior. Ademais, a análise da energia cinética média na coluna de água (ECM) e sua partição entre componentes barotrópica e baroclínica revela que a Bifurcação de Santos está associada ao aumento significativo da componente barotrópica do Sistema CB. A ECM é, em média, 70% baroclínica ao norte da bifurcação, tornando-se 63% barotrópica ao sul desta. A análise da energia cinética turbulenta média na coluna de água (ECTM) corrobora o importante papel da atividade de mesoescala do Sistema CB ao largo do sudeste do Brasil: A ECTM é responsável por (30-60)% da ECM. O modelo de estabilidade linear prevê ondas com maiores taxas de crescimento [~(180-190) km] que se propagam para sudoeste entre 25,5°S-27,9°S. Em 22,7°S, as ondas mais instáveis (~230 km) crescem essencialmente sem propagação, consistente com as observações e também com informações presentes na literatura. A habilidade dos modos QG e das soluções QG superficiais (QGS) em representar a variabilidade subinercial no Atlântico Sudoeste também é investigada. Em dois fundeios, a estrutura vertical da 1ª função empírica ortogonal (FOE) apresenta um decaimento agudo. Este decaimento é consistente com soluções QGS, que contêm até 85% da variância da 1ª FOE. No entanto, estas soluções convergem para uma representação por quatro modos QG. Por outro lado, a estrutura vertical da 1ª FOE em um terceiro fundeio não apresenta tal decaimento marcante. Consequentemente, a 1ª FOE é bem representada pela tradicional combinação dos modos barotrópico/1o baroclínico. Argumentamos que estas estruturas podem estar associadas ao tipo de instabilidade experimentada pelo escoamento médio em cada região. Instabilidades tipo \"Charney\" ou \"Phillips\" (intensificadas em superfície) são consistentes com estruturas verticais tipo QGS presentes em dois fundeios. Instabilidades tipo \"Phillips\" (intensificadas em meia água) são consistentes com a representação por dois modos QG em um terceiro fundeio

Die Dynamik der Atmosphäre der Erde umfasst einen Bereich von mikrophysikalischer Turbulenz über konvektive Prozesse und Wolkenbildung bis zu planetaren Wellenmustern. Für Wettervorhersage und zur Betrachtung des Klimas über Jahrzehnte und Jahrhunderte ist diese Gegenstand der Modellierung mit numerischen Verfahren. Mit voranschreitender Entwicklung der Rechentechnik sind Neuentwicklungen der dynamischen Kerne von Klimamodellen, die mit der feiner werdenden Auflösung auch entsprechende Prozesse auflösen können, notwendig. Der dynamische Kern eines Modells besteht in der Umsetzung (Diskretisierung) der grundlegenden dynamischen Gleichungen für die Entwicklung von Masse, Energie und Impuls, so dass sie mit Computern numerisch gelöst werden können. Die vorliegende Arbeit untersucht die Eignung eines unstetigen Galerkin-Verfahrens niedriger Ordnung für atmosphärische Anwendungen. Diese Eignung für Gleichungen mit Wirkungen von externen Kräften wie Erdanziehungskraft und Corioliskraft ist aus der Theorie nicht selbstverständlich. Es werden nötige Anpassungen beschrieben, die das Verfahren stabilisieren, ohne sogenannte „slope limiter” einzusetzen. Für das unmodifizierte Verfahren wird belegt, dass es nicht geeignet ist, atmosphärische Gleichgewichte stabil darzustellen. Das entwickelte stabilisierte Modell reproduziert eine Reihe von Standard-Testfällen der atmosphärischen Dynamik mit Euler- und Flachwassergleichungen in einem weiten Bereich von räumlichen und zeitlichen Skalen. Die Lösung der thermischen Windgleichung entlang der mit den Isobaren identischen charakteristischen Kurven liefert atmosphärische Gleichgewichtszustände mit durch vorgegebenem Grundstrom einstellbarer Neigung zu(barotropen und baroklinen)Instabilitäten, die für die Entwicklung von Zyklonen wesentlich sind. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten sind diese Zustände direkt im z-System(Höhe in Metern)definiert und müssen nicht aus Druckkoordinaten übertragen werden.Mit diesen Zuständen, sowohl als Referenzzustand, von dem lediglich die Abweichungen numerisch betrachtet werden, und insbesondere auch als Startzustand, der einer kleinen Störung unterliegt, werden verschiedene Studien der Simulation von barotroper und barokliner Instabilität durchgeführt. Hervorzuheben ist dabei die durch die Formulierung von Grundströmen mit einstellbarer Baroklinität ermöglichte simulationsgestützte Studie des Grades der baroklinen Instabilität verschiedener Wellenlängen in Abhängigkeit von statischer Stabilität und vertikalem Windgradient als Entsprechung zu Stabilitätskarten aus theoretischen Betrachtungen in der Literatur. / The dynamics of the Earth’s atmosphere encompass a range from microphysical turbulence over convective processes and cloud formation up to planetary wave patterns. For weather forecasting and the investigation of climate over decades and centuries, these are subject to modelling with numerical methods. With progressing development of computer technology, re-development of the dynamical cores of climate models is in order to properly handle processes covered by the increasing resolution. The dynamical core of a model consists of the adaptation(discretization)of the basic equations for the dynamics of mass, energy and momentum for solving them numerically employing computers. The presented work investigates the applicability of a low-order Discontinuous Galerkin (DG) method for atmospheric applications. With equations that include external forces like gravitation and the Coriolis force, that is not given by theory. Necessary changes for stabilizing the method without resorting to slope limiters are presented. For the unmodified method, the basic inability to properly keep atmospheric balances is demonstrated. The developed stabilized model reproduces a set of standard test cases in a wide range of spatial and temporal scales. The solution of the termal wind equation along its characteristics curves, those being identical to the isobars, produces balanced atmospheric states with tunable (barotropic and baroclinic) instability via a prescribed zonal wind field. The constructed instability directly relates to the generation of cyclones. In contrast to earlier works, these balanced states are directly given in the z system (height in meters), without need for elaborate conversion from pressure coordinates. With these constructed states, both as reference state, the deviations from which being considered numerically, and as especially as initial condition subject to a small perturbation, several studies of barotropic and baroclinic instability are conducted via simulations. Particularily, the construction of steady states with configurable zonal flows of certain baroclinity facilitates a simulation-based study of baroclinic instability of differing wavelengths, depending on static stability and vertical wind gradient, in correspondence with stability maps from theoretical considerations in the literature.