Cemanuscrit présente les résultats d'une étude numérique et expérimentale sur la marée interne et l'interaction de la marée interne avec un talus continental dans un fluide stratifié dans le cas d'une pente super-critique. L'étude numérique est basée sur le code MITgcm, qui résoud les équations de Navier-Stokes non-linéaires et non-hydrostatiques en employant une technique de volumes-finis. Les expériences sont réalisées sur la grande cuve tournante du Coriolis, LEGI en utilisant des techniques PIV et CIV. Nous avons étudié la propagation et la réflexion de la marée interne en présence de rotation et sans rotation. Nos résultats marquants sont la génération de faisceaux d'ondes internes à la fréquence harmonique de la fréquence de forçage, par interaction des faisceaux incident et réfléchi sur le fond de la cuve, l'occurrence d'une instabilité paramétrique sous-harmonique dans le faisceau incident et la définition et l'étude de la largeur du faisceau en fonction des paramètres de forçage et de la rotation.

Les ondes internes sont omniprésentes dans les océans. Cette thèse analyse le cycle de vie des ondes internes et l'impact du déferlement de ces ondes sur le mélange turbulent dans deux bassins océaniques, aux caractéristiques contrastées, l'Arctique et l'Indien. Ces deux régions sont en effet aux antipodes de la circulation thermohaline avec l'océan Arctique lieu de formations d'eaux denses et l'Océan Indien région d'upwelling d'eaux denses. L'analyse de données de mouillage recueillies dans le Sud-Ouest de l'Océan Indien au niveau d'une dorsale océanique révèle la présence d'une forte marée interne. Cette marée interne montre une focalisation de l'énergie sous forme de 'rayons' dont la propagation est fortement influencée par les structures de méso-échelle. Malgré ce fort signal de marée interne, nous mettons en évidence la contribution majeure des ondes internes de fréquence proche-inertielle au mélange turbulent. Aux hautes latitudes l'analyse des séries temporelles recueillies au cours de trois printemps consécutifs dans le Storfjord, un fjord Arctique dans l'archipel Svalbard, montre la forte variabilité des ondes en fonction de la stratification et par conséquent un impact variable de ces ondes en terme de mélange turbulent. Les flux de chaleur diffusifs induits par le déferlement de ces ondes sont enfin estimés dans ces deux régions, permettant ainsi de replacer ces résultats dans le contexte global de la circulation thermohaline. / Internal waves are ubiquitous in the ocean, and play a key role in the global overturning circulation. This thesis analyzes the life cycle of internal waves in two distinct ocean basins: the Arctic and Indian Oceans. Hydrographic and velocity data are used to study the generation, propagation, and dissipation of internal waves in these two ocean basins. In the Indian Ocean, an area of mixing-driven upwelling, mooring data reveal the presence of a strong internal tide propagating as tidal beams above the Southwest Indian Ridge in the Indian Ocean basin. These tidal beams show a strong vertical structure, and their path of propagation is highly dependent on the mesoscale activity in the region. Despite this strong internal tide signal, however, mixing in the region is dominated by inertial internal waves. On the other side of the globe, in a region of deep water formation, shipboard data from four short time series from three consecutive springs in Storfjorden, an Arctic fjord in the Svalbard Archipelago, reveal a link between the vertical structure of the stratification profile and mixing in the Arctic. These environmental conditions, the changing mesoscale in the Indian Ocean, and the changing stratification in the Arctic Ocean, greatly impact the generation, propagation, and dissipation of internal waves, and subsequent turbulent mixing in theses two ocean basins.

L'océan et l'atmosphère sont des milieux stratifiés, supports d'ondes internes de gravité. Ces ondes peuvent se propager sur de très grandes distances, transportant de l'énergie loin de leurs sources et jouant ainsi un rôle clé dans le bilan énergétique global des écoulements géophysiques. Notre approche expérimentale modélise de façon idéalisée les topographies océaniques et la stratification du milieu afin de comprendre les mécanismes fondamentaux mis en jeu en présence d'ondes internes. Cette démarche a été couplée au développement de techniques d'analyse des données telles que la démodulation complexe. Différents types d'ondes internes ont été utilisées. Pour cela, un point clé a été la caractérisation et le contrôle d'une nouvelle source d'ondes. Notre étude combinant expériences, simulations numériques et prédictions analytiques permet la génération contrôlée de structures spatiales variées (faisceaux localisés, modes verticaux occupant toute la hauteur du uide, ondes planes). L'étude du problème classique de la réflexion d'une onde plane sur un plan incliné a permis de vérifier l'absence d'onde retour pour des pentes proches de la criticalité, tout en mettant en évidence que ce cas d'école est encore un sujet ouvert. Nous avons également étudié la conversion d'un mode vertical modélisant la marée interne lors de l'interaction avec une topographie de grande échelle. Cette conversion est régie par des mécanismes linéaires et non-linéaires. La présence de pentes sous-critiques inuence la conversion du mode incident en de plus petites échelles spatiales, tandis que la hauteur de la topographie joue un rôle notable dans l'amplitude des modes transmis ainsi que l'intensité de processus non-linéaires générant des ondes harmoniques et un courant moyen. Nous avons réalisé la première mise en évidence expérimentale de la génération locale de trains d'ondes non-linéaires (solitons) lors de la réflexion d'un faisceau d'ondes internes intense et localisé au niveau d'une pycnocline. Ce phénomène dépend de la stratification considérée, qui caractérise la nature de la pycnocline. Enfin, une étude de la dynamique couplée entre un bateau évoluant à force constante et le fluide stratifié environnant a été menée. Le régime particulier des dépend d'un unique nombre sans dimension, le nombre de Froude associé à l'onde la plus rapide de la stratification sur laquelle le bateau évolue. Nous avons généralisé le cas classique à deux couches à tout type de stratification constituée d'une couche homogène en surface.

Les mers Indonésiennes sont le siège de très fort courants de marée qui interagissent avec la topographie pour créer des ondes internes à la fréquence de la marée que l'on appelle marée interne. Certaines d'entres elles, vont se propager et se dissiper dans l'océan intérieur. Le mélange associé provoque la remontée d'eau plus froide et plus riche en nutriments en surface qui influence le climat tropical et toute la chaine des écosystèmes marins. Surveiller les ressources marines est l'objectif du projet INDESO, dont cette thèse fait partie. Prendre en compte le mélange induit par la marée interne n'est pas facile. En effet, le résoudre entièrement n'est pas possible car les échelles concernées par les différents processus des ondes internes varient de plusieurs milliers de kilomètres (propagation) à quelques centimètres/millimètres (dissipation). De plus en plus de scientifiques introduisent le forçage de la marée dans leur modèle mais sans savoir où va l'énergie et comment les ondes sont dissipées. Dans cette thèse nous cherchons à proposer des outils et des débuts de réponses pour participer à cette meilleure compréhension de la dissipation des ondes internes dans le modèle numérique d'océan NEMO. Nous proposons certaines quantifications que nous comparons aux anciennes paramétrisations. J'ai, tout d'abord, contribué à une étude d'INDESO sur la validation de NEMO grâce à de nombreux jeu de données. Ensuite, j'ai cherché à quantifier et à qualifier le mélange induit par l'introduction de la marée explicite dans le modèle, ainsi que son impact sur les masses d'eau. (c'est redit plus loin)Il produit un refroidissement de surface de 0.3°C avec des maxima atteignant 0.8°C au niveau des sites de génération des ondes internes. Le modèle reproduit 75% de l'énergie attendue de génération des ondes internes, en bon accord avec des études précédentes. L'essentiel de la dissipation a lieu horizontalement (19GW) est proche de celle induite par la paramétrisation couramment utilisée (16GW), alors que, dans la réalité, on s'attend principalement à une dissipation réalisée grâce à des processus verticaux. Le modèle, au dessus des zones de génération, est de façon surprenante en très bon accord avec les mesures in situ de dissipation obtenues lors de la campagne INDOMIX. Par contre, dans les régions distantes des sources de génération, le modèle surestime le mélange par rapport aux observations d'INDOMIX. Dans la dernière partie de cette thèse j'ai commencé à apporter des éléments de réponse à la quantification des puits d'énergie dans NEMO. J'ai pour cela travaillé avec le cas test COMODO, qui est une section d'un fluide stratifié constituée d'une plaine abyssale, d'un talus et d'un plateau, forcée par la marée et sans friction de fond. Le modèle T-UGOm, un modèle hydrodynamique de marée, est comparé au modèle NEMO. Dans ce cadre, nous avons développé une méthode originale pour séparer la marée barotrope de la marée barocline. Elle repose sur la projection en modes normaux. Cette méthode donne, à première vue, des résultats similaires à ceux obtenus grâce à la méthode plus classique de soustraction par la moyenne verticale. Cependant, lorsque l'on regarde plus en détail les diagnostiques d'énergie on trouve que la méthode de projection en modes normaux offre une plus grande précision et un plus grand réalisme pour séparer la marée barotrope de la marée barocline. Plus on monte dans des modes élevés plus les longueurs ondes se raccourcissent dans NEMO par rapport à T-UGOm. Par ailleurs, NEMO dissipe la marée barotrope dans la plaine abyssale, alors qu'il n'y a explicitement pas de friction. Ce ne peut pas être la diffusion verticael ou horizontale qui est à l'œuvre ici, car il n'y a pas de raison physique pour une diffusion sur un fond plat. Le meilleur candidat pour expliquer cette diffusion serait le couplage 2D/3D du time splitting de NEMO. Un travail est en cours pour appliquer cette méthode sur l'ensemble de l'archipel Indonésien. / In the Indonesian seas, large tidal currents interact with the rough topography and create strong internal waves at the tidal frequency, called internal tides. Part of them will eventually propagate and dissipate far away from generation sites. Their associated mixing upwells cold and nutrient-rich water that prove to be critical for climate system and for marine resources. This thesis uses the physical ocean general circulation model, NEMO, as part of the INDESO project that aims at monitoring the Indonesian marine living resources. Models not taking into account tidal missing are unable to correctly reproduce the vertical structure of watermasses in Indonesian seas. However, taking into account this mixing is no simple task as the phenomena involved in tidal mixing cover a wide spectrum of spatial scales. Internal tides indeed propagate over thousands of kilometres while dissipation and mixing occurs at centimetric to millimetric scales. A model capable of resolving all these processes at the same time does not exist. Until now scientists either parameterised the tidal mixing or used models which only partly resolve internal tides. More and more scientists introduce explicit tidal forcing in their models but without knowing where the energy is going and how the internal tides are dissipated. This thesis intends to quantify energy dissipation in NEMO forced with explicit tidal forcing and compares it to the dissipation induced by the currently used parameterization. This thesis also provides new results about the quantification of the tidal energy budget in NEMO. I first contributed to an INDESO study that aimed at validating the model against several observation data sets. In a second and third study, I investigated the mixing produced in the model by explicit tidal forcing and its impact on water mass. Explicit tides forcing proves to produce a mixing comparable to the one produced by the parameterization. It also produces a significant cooling of 0.3 °C with maxima reaching 0.8°C in the areas of internal tide generation. The cooling is stronger on austral winter. The spring tides and neap tides modulate this impact by 0.1°C to 0.3°C. The model generates 75% of the expected internal tides energy, in good agreement with other previous studies. In the ocean interior, most of it is dissipated by horizontal momentum dissipation (19 GW), while in reality one would expect dissipation through vertical possesses. This value is close to the dissipation induced by the parameterization (16 GW). The mixing is strong over generation sites, and only 20% remains for far field dissipation mainly in the Banda and Sulawesi Seas. The model and the recent INDOMIX cruise [Koch-Larrouy et al. (2015)], which provided direct estimates of the mixing, are surprisingly in good agreement mainly above straits. However, in regions far away from the energy generation sites where INDOMIX found NO evidence of intensified mixing, the model produces too strong mixing. The bias comes from the lack of specific set up of internal tides in the model. More work is thus needed to improve the modeled dissipation, which is a theme of active research for the scientific community. I dedicated the last part of my thesis to the quantification of tidal energy sinks in NEMO. I first worked on a simple academic case: the COMODO internal tides test case, which analyses the behaviour of a vertically stratified fluid forced by a barotropic flow interacting over an idealized abyssal plain/slope/shelf topography without bottom friction. The results of the finite element T-UGOm hydrodynamic model are compared with those of NEMO. The central issue in calculating tidal energy budget is the separation of barotropic and baroclinic precesses.

Les océans de la Terre sont stratifiés en densité par les gradients de température et de salinité.L'interaction des courants de marée avec la topographie du fond océanique entraîne donc le rayonnement des ondes de gravité interne dans l'intérieur de l'océan. Ces ondes sont appelées marées internes et leur dissipation due à le déferlement des ondes nonlinéaires joue un rôle important dans le mélange de l'océan abyssal, et donc dans la circulation océanique à la grande échelle.Dans ce contexte, nous étudions la génération des ondes internes par l’oscillation d’objet de différentes géométries simplifiées afin de modéliser le marée barotropique sur la topographie océanique et considérons les effets linéaires et nonlinéaires sur ces ondes résultant d’interactions avec l'objet et entre ces ondes.La contribution relativement nouvelle de cette thèse est l'étude des aspects de flux tridimensionnels qui étaient accessibles avec notre approche expérimentale, et sont généralement difficiles à étudier par modélisation numérique et analytique.Nous étudions d'abord la structure des ondes fundamentale et des harmoniques supérieur pour un sphéroïde oscillant, émettant des ondes divergentes. Les harmoniques supérieures sont générées par l'instabilité non linéaire à la surface de l'objet avec des effets nonlinéaires dans la zone d'intersection des faisceaux fundamentales. Ils peuvent se croiser et se concentrer, donc augmenter d'énergie, et devenir dominant sur les ondes fundamentales. On détermine les structures horizontales des ondes fundamentale et des harmoniques supérieures.Subséquemment, nous considérons les ondes générées par un tore oscillant, qui convergent vers un point focal. En dehors de cette région focale, les résultats expérimentaux et les prédictions théoriques sont en bon accord, mais dans la région focale, l'amplitude de l'onde est deux fois plus grande que près du tore, conduisant à une amplification locale nonlinéaire et à un déferlement des onde pour les grandes amplitudes d'oscillations. En conséquence, la propagation des ondes fundamentales se trouve entravée dans la région focale. L'onde stationnaire se forme alors que de nouvelles ondes sont générées et émises de cette région focale.Un tore plus grand a été testé sur la plate-forme Coriolis pour comparer la focalisation des ondes de gravité internes, inertie-gravité et des ondes inertielles dans un régime faiblement visqueux. En raison de la complexité de la zone focale, une seconde harmonique est observée même quand l'amplitude d'oscillation est faible. Le champ de vorticité verticale des ondes de gravité interne présente une structure dipolaire dans la zone focale, qui se transforme dans le cas tournant en une structure de vortex "Yin-Yang". La structure globale des faisceaux des ondes inertiels est proche de celle pour des ondes de gravité internes, bien q'elle est relativement plus intense. / The Earth's oceans are stratified in density by temperature and salinity gradients.The interaction of tidal currents with ocean bottom topography results therefore in the radiation of internal gravity waves into the ocean interior. These waves are called internal tides and their dissipation owing to nonlinear wave breaking plays an important role in the mixing of the abyssal ocean, and hence in the large-scale ocean circulation.In this context we investigate the generation of internal waves by oscillating objects of different idealized geometries as a model of barotropic flow over ocean topography, and consider linear as well as nonlinear effects on these waves resulting from interactions with the object and from wave--wave interactions.The relatively novel contribution of this thesis is the investigation of three-dimensional flow aspects that were accessible with our experimental approach, and are generally difficult to investigate by numerical and analytical modelling.First we investigate the wave structure of the first and higher harmonics for an oscillating spheroid, emitting diverging waves. Higher harmonics are generated by nonlinear instability at the surface of the object together with nonlinear effects in the zone of intersection of the primary beams. They may intersect and focus, therefore increase in energy, and become dominant over the first harmonic. The horizontal structures of both, first and higher harmonics are determined.We then consider waves generated by an oscillating torus, that are converging to a focal point. Outside this focal region experimental results and theoretical predictions are in good agreement, but in the focal region the wave amplitude is twice as large as it is close to the torus, leading to local nonlinear wave amplification and incipient wave breaking for large oscillation amplitudes. As a result, the propagation of the first harmonic waves is found to be hindered in the focal region. A standing pattern forms, while new waves are generated and emitted away from this focal region.A larger torus has been tested at the Coriolis platform to compare the focusing of internal gravity, inertia--gravity and inertial waves in a low viscous regime. Owing to the complexity of the focal region, a second harmonic is observed even at low oscillation amplitude. The vertical vorticity field of internal gravity waves exhibits a dipolar structure in the focal zone, which transforms in the rotating case into a ``Yin--Yang-shaped'' monopolar vortex structure. The overall structure of the inertial wave beams is close to that for internal gravity waves, though relatively more intense.

L'interaction des courants de marée barotrope avec les talus continentaux est à l'origine de la génération d'ondes internes. D'importants transferts d'énergie et du mélange y sont associés, permettant le maintien de la circulation océanique générale. La modélisation des marées internes de grande amplitude du golfe de Gascogne de la campagne MINT94 du SHOM est réalisée à l'aide du modèle 3D côtier SYMPHONIE. Les propriétés de génération et de propagation des marées internes semi-diurnes et quart-diurnes, l'origine des ondes non-linéaires, sont présentées suite au développement de l'outil d'analyse WEof (Wavelet Empirical orthogonal function). Il combine analyse en ondelettes (localisation temps-fréquence) et analyse en composantes principales (identification des structures physiques cohérentes). Des études de sensibilité sont présentées indiquant l'influence sur la marée interne des contributions suivantes: forçage par la marée barotrope, bathymétrie et stratification thermohaline.

Ce travail de thèse est une contribution à la description des signaux océaniques de fines échelles dans les tropiques, fines échelles objet de la futur mission altimétrique SWOT. Ces fines échelles spatiales concernent à la fois des phénomènes dits de méso et sous mésoéchelle, produits par la dynamique océanique (tourbillons, filaments) mais aussi des ondes internes (dont la marée barocline ou marée interne). Les fines échelles sont une source importante de mélange pour l'océan. La méso et sous mésoéchelle océanique traduisent une dynamique turbulente associée à des cascades d'énergie donnant lieu à des pentes spectrales sur des spectres en nombre d'onde de niveau de la mer ou d'énergie cinétique tourbillonnaire. Les pentes spectrales des spectres du niveau de la mer altimétrique sont calculées dans la bande 250-70 km, ces pentes sont très plates dans les tropiques. Par conséquence, elles sont en désaccord aussi bien avec les théories de la turbulence qu'avec les pentes des spectres du niveau de la mer des modèles numériques. Cette thèse vise à élucider ces désaccords dans le Pacifique tropical (20°S-20°N), en quantifiant les niveaux d'énergie et les longueurs d'onde relatives à la dynamique méso-échelle et aux ondes internes. L'importance de la marée interne dans les tropiques est illustrée dans le contexte régional de la mer des Salomon, où cette marée contribue à un fort mélange dans une zone de connexion entre la région subtropicale et la région équatoriale. La première partie de la thèse est une analyse spectrale 3D (fréquence, longueurs d'ondes zonales et méridiennes) de la dynamique tropicale à partir d'un modèle au 1/12°. La région équatoriale (10°N-10°S) se caractérise par une dynamique grande échelle zonale associée aux ondes équatoriales et une dynamique fine échelle (< 600 km) marquée par des mouvements préférentiellement méridiens en lien avec les ondes tropicales d'instabilité. Dans les régions non équatoriales (entre 10° et 20° de latitude) la fine échelle est davantage isotropique, concentrée dans la bande 300-70 km, et connectée à la grande échelle zonale par un continuum d'énergie traduisant l'importance de la cascade inverse. Les pentes des spectres en nombre d'onde de niveau de la mer relatives à la méso/sous-méso échelle des différentes régions sont curieusement proches des pentes théoriques typiques des moyennes latitudes,mais restent en désaccord avec celles issues des observations altimétriques. [...] / This thesis work contributes to our understanding of the fine scale oceanic signals in the tropics, that are the focus of attention for the future altimeter mission SWOT. These fine scales concern meso and submesoscale due to ocean dynamics (eddies, filaments) and internal waves such as the barocline or internal tide. Fines scales are important source of ocean mixing. Meso and submesoscale reflect turbulent dynamic associated with energy cascades giving rise to sea surface height or eddie kinetic wavenumber spectrum slope. The observed altimetric sea surface height spectral slope evaluated in the band 250-70 km are very flat in the tropics. They disagree with turbulence theories and with sea surface height spectral slope of the numerical model. This thesis aims to remove the ambiguity of this spectra flattening in the tropical Pacific (20°S-20°N) by quantifying energy levels and wavelengths related to mesoscale dynamics and internal waves. The importance of the internal tide in the tropics is then illustrated in a regional context in the Solomon Sea, where water mass mixing plays an important role in the connections between the subtropical region and the equatorial region. The first part of the thesis is based on a 3D spectral analysis (frequency, zonal and meridional wavelengths) of tropical dynamics from a 1/12° model. The equatorial region (10°N-10°S) is characterized by large zonal dynamics associated with equatorial waves and finer scale dynamics ( < 600 km) marked by preferentially meridional movements associated with tropical instabilities waves. In the non-equatorial regions (10°-20°NS) the finer scales are more isotropic and concentrated in the band 300-70 km, and are connected to the large zonal scales by an energy continuum reflecting the importance of the indirect cascade. The slopes of the modelled sea surface height wavenumber spectra over the meso/submesoscale band in the different tropical regions are curiously close to the QG/SQG theoretical spectra typical of mid latitudes, but the slopes disagree with those from altimetry observations. Including the high frequency internal waves in a 1/36° model forced by the barotropic tide shows that coherent (predictable) internal tide is the main contributor causing the flattening of the spectra in the tropics, and particularly the M2 first baroclinic mode. However, the contribution of the incoherent (non-predictable) tide dominates at scales below 70 km and still affects scales up to 200 km. [...]