Shelf seas occupy only 7% in area and less than 0.5% in volume of the entire ocean, but they play an important role in the carbon cycle by taking about 20% - 50% of all the CO2 absorbed by the ocean. Diapycnal mixing is a key process in transporting nutrients, carbon, water mass etc. between the surface and the lower mixed layers in a seasonally stratified shelf sea. The identification and quantification of the processes responsible for driving diapycnal mixing in seasonally stratified seas are the subjects worth study. Early researchers have examined the correlation between enhanced bulk shear and the wind. The bulk shear is defined as the average of the shear in two defined layers which are either side of the thermocline. However the contribution from the barotropic tide has generally been neglected. This study examines two stages of the evolution of water column stratification: the spring development stage and the autumn break down stage. Rotary spectral analysis shows that the shear across thermocline corresponds to different drivers when the water stratification is different. At the spring development stage, the shear across the thermocline corresponds to near-inertial oscillations, which are related to wind. Whilst at the autumn break down stage, the shear across thermocline relates to both the near-inertial oscillations and the barotropic tide. Thus, in contraction to earlier research, our research suggests that the barotropic tide is another dominant driver in the generation of shear. However not all observations can be explained by the wind or barotropic tide. The additional consideration of the baroclinic tide helps explain the signal of an odd shear spike observed in the northern North Sea, which occurred during a period of weak shear production by the wind and barotropic tide. A 1D two-layer vertical dynamic numerical model and a 1D turbulence closure numerical model were applied to investigate the impact of wind and barotropic tide on shear, respectively. In addition, the impacts of hydrographic conditions on the driver of shear were considered. Coherence analysis was applied to examine the similarity of constituents (in frequency domain) between the modelled shear production and the observations. The model sensitivity analysis demonstrates that the switch of driver of shear is highly related to the depth ratio, which is the ratio of thermocline depth over water depth.

Previous numerical and theoretical results based on constant diapycnal diffusivity suggested the abyssal meridional overturning circulation (MOC) should weaken as winds over the Southern Ocean intensify. We corroborate this result in a simple ocean model, but find it does not hold in more complex models. First, models with a variable eddy transfer coefficient and simple yet dynamic atmosphere and sea-ice models show an increase, albeit slightly, of the abyssal MOC under increasing winds. Second, the abyssal MOC significantly strengthens with winds when diapycnal diffusivity is parameterized to be energetically supported by the winds. This tests the emerging idea that a significant fraction of the wind energy input to the large-scale ocean circulation is removed by mesoscale eddies and may then be transferred to internal lee waves, and thence to bottom-enhanced diapycnal mixing. A scaling theory of the abyssal MOC is extended to incorporate this energy pathway, corroborating our numerical results. / Graduate / 0415 / gstanley@uvic.ca

L'Océan Austral est une zone clef pour la circulation océanique tant à cause de l'intensité du courant circumpolaire antarctique qu'en tant que région de formation des masses d'eaux abyssales de l'océan global. Pour modéliser l'océan et prévoir les changements climatiques futurs, il est important de comprendre les processus de mélange diapycnal qui lient ces eaux abyssales aux couches supérieures. Dans l'Océan Austral, des courants profonds et intenses s'écoulent sur une topographie accidentée, ce qui génère des ondes internes de relief très énergétiques. Actuellement, la dissipation de l'énergie induite par ces ondes de relief est la candidate principale pour expliquer les forts taux de mélange observés à ces latitudes. L'objet du présent travail de thèse est de comprendre comment les ondes internes de relief sont dissipées et affectent la circulation et le mélange diapycnal dans l'océan abyssal. Nous examinons l'impact de ces ondes sur le mélange profond au moyen d'une combinaison d'expertise de terrain, de simulations non hydrostatiques bi-dimensionnelles et de calculs théoriques. Sur la gamme de paramètres étudiés, nous montrons, en présence des ondes de relief, une intensification du taux de dissipation d'énergie cinétique turbulente sur une profondeur de 1000 m au-dessus de la topographie, atteignant typiquement ~20 mW/m2. Nous montrons également comment les ondes participent à des interactions triadiques impliquant des oscillations inertielles qui sont amplifiées par intéractions résonantes contrôlées par les ondes de relief. Finalement, nous préparons de futures études tri-dimensionnelles en concevant un cadre numérique et en décrivant des outils théoriques adaptés à ce problème. Nos résultats préliminaires en trois dimensions montrent qui le confinement méridien de la topographie réduit significativement l'émissions d'ondes internes de relief. / The Southern Ocean plays a key role in global ocean circulation by connecting the major ocean basins with the intense Antarctic Circumpolar Current and as a formation region for abyssal water masses of the global ocean. Understanding the diapycnal mixing processes that link these abyssal waters to the overlying layers is essential both for ocean modelling and for predicting future climate change. In the Southern Ocean, deep reaching currents impinge on rough topography and create highly energetic internal lee waves. The dissipation of the energy of these internal lee waves is the main candidate for explaining the high mixing rates between waters of different densities observed at these latitudes. The purpose of this study is to understand the fate of the internal lee wave energy and how it affects the circulation and diapycnal mixing in the abyssal ocean. We first study the impact of internal lee waves on deep mixing with the combination of field expertise, two-dimensional non hydrostatic numerical simulations and theoretical developments. Over the range of parameters studied, an enhanced bottom turbulent kinetic energy dissipation is observed in the bottom 1000 m, typically reaching $sim$ 20 mW.m$^{-2}$. We further show that internal lee waves undergo non-dissipative wave-wave interactions that can be rationalized as resonant triad interactions between the bottom emitted internal lee waves, inertial oscillations and linear combinations of these two waves. We then build a three-dimensional model configuration and specific diagnostic methods that pave the way for future investigations in three dimensions. Preliminary results with the three-dimensional numerical configuration show that the meridional confinement of the topography notably reduces the emission of internal lee waves.

Le climat de la Terre dépend en grande partie des échanges énergétiques entre les masses d’eau chaudes et froides de nos océans. Afin de prédire et de comprendre les variations de notre climat, les modèles numériques globaux de l’océan doivent pouvoir déterminer quelle fraction d'énergie est convertie en mélange irréversible dans un écoulement turbulent et stablement stratifié. Il apparaît que cette fraction est sensible aux paramètres de l’écoulement, ce qui a récemment conduit les océanographes à remettre en question la paramétrisation d'Osborn pour le coefficient de diffusion turbulente kz, qui utilise une efficacité de mélange constante et fixée à ŋ=0,17. Ceci nous a poussé à réaliser au laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique (LMFA) des mesures conjointes de ŋ et kz, afin de mieux comprendre leur inter-dépendance. Cette étude est avant tout expérimentale et se base sur plusieurs dispositifs permettant de quantifier le mélange dans différents types d'écoulement. Trois de ses expériences ont été réalisées au LMFA : une expérience de lock-exchange dans laquelle le mélange est issu du cisaillement à l'interface de deux courants de gravité se déplaçant en sens opposés, une expérience de grille tractée dans un fluide stratifié et une expérience d’injection de stratification dans la grille d’un canal hydraulique. Ce travail a été complété, d'une part par une collaboration sur la plateforme Coriolis du LEGI à Grenoble, permettant d’atteindre de plus grands nombres de Reynolds ; et d'autre part par une campagne de mesure in situ dans le fjord du Saguenay au Canada en collaboration avec l'ISMER, visant à estimer le mélange turbulent conduisant au renouvellement des eaux profondes du fjord, à partir de l'analyse de transects successifs de densité. Dans ces différentes configurations, l'évolution temporelle des profils verticaux de densité ont permis d'analyser la dépendance du coefficient de diffusion turbulente et de l'efficacité de mélange avec les nombres de Reynolds et de Froude. Nos résultats ont permis de quantifier la décroissance de l'efficacité de mélange avec l'augmentation du nombre de Froude dans un écoulement turbulent, ainsi que la sensibilité du coefficient de diffusion turbulente aux nombres de Froude et de Reynolds de flottabilité. L'utilisation de trois dispositifs expérimentaux différents permet de montrer qu'au-delà de ces lois dites universelles, la variabilité propre à chaque géométrie influence fortement les valeurs de l'efficacité de mélange. Ceci est particulièrement mis en lumière dans la configuration de lock-exchange, pour laquelle la valeur limite de ŋ=0.25 prédite par la physique statistique n'est atteinte que dans une configuration fortement tri-dimensionnelle, jusqu'alors peu utilisée dans la littérature. Enfin, toutes les méthodes d'analyse développées pour les expériences de laboratoire ont pu être utilisées pour l'analyse des données in situ, permettant de clore ce travail de thèse sur une étude environnementale. / Our climate partly depends on energy exchange between warm and cold water masses in the ocean's interior. In order to understand and forecast the climate variations, numerical models of the ocean must estimate the amount of energy converted into irreversible mixing in turbulent stably stratified flows. It seems that this quantity depends on the flow parameters. This assertion challenges the famous Osborn model for turbulent diffusivity kz which uses a fixed mixing efficiency of ŋ=0.17. This motivated us to measure separately kz and ŋ in order to obtain a better understanding of their inter-dependencies. The present work is an experimental study based on set-ups which enable to quantify the mixing in different types of flow. Three of those experiments are held in our lab (LMFA) and consist respectively in a lock-exchange experiment where mixing is generated by the shear at the interface of two opposite gravity currents, a stratified towed grid experiment, and a hydraulic channel experiment where the stratification is injected directly by the grid. This study has been complemented with two international collaborations. The first one, on the Coriolis platform (LEGI) consisted in a stratified towed grid experiment in a rotating tank allowing to broaden our parameter spectrum. The second one is a series of in situ measurements led in collaboration with ISMER in the Saguenay fjord (Canada) aiming at measuring density transects over time in order to quantify the turbulent mixing that participates in the renewal of the fjord's deep water. In all of those configurations, dependencies of mixing efficiency and turbulent diffusivity along with the Froude and the Reynolds numbers are extracted from the time evolution of density profiles. In our results, we were able to quantify the decay of the mixing efficiency with the increase of the Froude number. We also highlighted the sensitivity of turbulent diffusivity on the buoyancy Reynolds number. We used three different experimental setups to show that beyond the so called universal turbulence laws, the flow geometry has a huge impact on the mixing efficiency values. This is especially true in the lock-exchange configuration where the asymptotic value of ŋ=0.25, predicted by statistical physics, can only be reached in a set-up which allows 3D flows. Such investigations are still scarce in the literature. Finally, all the data analysis methods developed for the lab experiments were of great help for the analysis of in situ data and thereby enabled us to consider a real-life environnemental flow.