Thesis (S.M.)--Joint Program in Oceanography/Applied Ocean Science and Engineering (Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering; and the Woods Hole Oceanographic Institution), June 2011. / Cataloged from PDF version of thesis. / Includes bibliographical references (p. 55-56). / Throughout this thesis we will discuss the theoretical background and empirical observation of a swell band shore normal flux divergence reversal. Specifically, we will demonstrate the existence and persistence of the energy flux divergence reversal in the nearshore region of Atchafalaya Bay, Gulf of Mexico, across storms during the March through April 2010 deployment. We will show that the swell band offshore component of energy flux is rather insignificant during the periods of interest, and as such we will neglect it during the ensuing analysis. The data presented will verify that the greatest flux divergence reversal is seen with winds from the East to Southeast, which is consistent with theories which suggest shoreward energy flux as well as estuarine sediment transport and resuspension prior to passage of a cold front. Employing the results of theoretical calculations and numerical modeling we will confirm that a plausible explanation for this phenomena can be found in situations where temporally varying wind input may locally balance or overpower bottom induced dissipation, which may also contravene the hypothesis that dissipation need increase shoreward due to nonlinear wave-wave interactions and maturation of the spectrum. Lastly, we will verify that the data presented is consistent with other measures collected during the same deployment in the Atchafalaya Bay during March - April 2010. / by Shmuel G. Link. / S.M.

Thesis: Ph. D., Joint Program in Oceanography/Applied Ocean Science and Engineering (Massachusetts Institute of Technology, Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences; and the Woods Hole Oceanographic Institution), 2016. / Cataloged from PDF version of thesis. / Includes bibliographical references (pages [191]-201). / Submesoscale flows, current systems 1-100 km in horizontal extent, are increasingly coming into focus as an important component of upper-ocean dynamics. A range of processes have been proposed to energize submesoscale flows, but which process dominates in reality must be determined observationally. We diagnose from observed flow statistics that in the thermocline the dynamics in the submesoscale range transition from geostrophic turbulence at large scales to inertia-gravity waves at small scales, with the transition scale depending dramatically on geographic location. A similar transition is shown to occur in the atmosphere, suggesting intriguing similarities between atmospheric and oceanic dynamics. We furthermore diagnose from upper-ocean observations a seasonal cycle in submesoscale turbulence: fronts and currents are more energetic in the deep wintertime mixed layer than in the summertime seasonal thermocline. This seasonal cycle hints at the importance of baroclinic mixed layer instabilities in energizing submesoscale turbulence in winter. To better understand this energization, three aspects of the dynamics of baroclinic mixed layer instabilities are investigated. First, we formulate a quasigeostrophic model that describes the linear and nonlinear evolution of these instabilities. The simple model reproduces the observed wintertime distribution of energy across scales and depth, suggesting it captures the essence of how the submesoscale range is energized in winter. Second, we investigate how baroclinic instabilities are affected by convection, which is generated by atmospheric forcing and dominates the mixed layer dynamics at small scales. It is found that baroclinic instabilities are remarkably resilient to the presence of convection and develop even when rapid overturns keep the mixed layer unstratified. Third, we discuss the restratification induced by baroclinic mixed layer instabilities. We show that the rate of restratification depends on characteristics of the baroclinic eddies themselves, a dependence not captured by a previously proposed parameterization. These insights sharpen our understanding of submesoscale dynamics and can help focus future inquiry into whether and how submesoscale flows influence the ocean's role in climate. / by Jörn Callies. / Ph. D.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Recentes observações satelitais têm demonstrado um aumento na extensão total do gelo marinho Antártico e redução do gelo marinho no Ártico. Apesar destas constatações, no Oceano Sul análises regionais apontam tendências negativas nos mares de Bellingshausen-Amundsen e positivas no mar de Ross, enquanto que para o Ártico ocorrer uma redução uniforme do gelo marinho. Neste estudo, foi realizada uma análise multivariada para identificar as mudanças na extensão do gelo marinho Antártico e Ártico em resposta à variabilidade de um conjunto de forçantes/parâmetros/índices climáticos de reconhecida importância em escala global. Especificamente, as associações entre o gelo marinho e os parâmetros e forçantes climáticos foram examinadas através da correlação linear e da análise de agrupamento. Diferentes respostas em diferentes setores foram examinadas e discutidas. Os resultados indicam que a variabilidade do gelo marinho Antártico e Ártico é um fenômeno multivariado e que a extensão de gelo marinho mínima, média e máxima podem apresentar diferentes padrões espaciais e responderem a diferentes conjuntos de parâmetros e forçantes climáticos. Foi identificado um significativo impacto de forçantes/parâmetros/índices climáticos sobre o gelo marinho no Oeste Antártico. No hemisfério Norte o aumento da temperatura média global e do CO2 atmosférico são os principais responsáveis pela redução na extensão do gelo marinho. / Recent satellite observations have shown an increase in the total extent of Antarctic sea ice and a reduction of sea ice in the Arctic. Despite these findings, regional analyses in the Southern Ocean indicates negative trends in the Bellingshausen-Amundsen Sea and positive trends in the Ross Sea, while in the Arctic seems to occur a uniform reduction of sea ice. In this study, mutivariate analysis was performed to identify changes in Antarctic sea ice in response to changes in a set of climate forcings/parameters/indices. More specifically, the relationships between sea ice and climate forcings and parameters were examined by linear correlation and cluster analysis. Different responses in different sectors were examined and discussed. The findings indicate that Antarctic sea ice variability is a multivariate phenomenon and that the minimum, maximum, and mean sea ice extent depicts different spatial pattern and may respond to a different set of climate forcings/parameters/indices. A significant impact of climate forcings/parameters/indices occurs over western Antarctic. In the northern hemisphere the increase in global mean temperature and atmospheric CO2 seems to be the major responsible for the reduction in sea ice extent.

This study reports on a new formulation of the spectral dissipation source term Sds for wind-wave modelling applications. This new form of Sds features a nonlinear dependence on the local wave spectrum, expressed in terms of the azimuthally integrated saturation parameter B(k)=k^4 F(k). The basic form of this saturation-dependent Sds is based on a new framework for the onset of deep-water wave breaking due to the nonlinear modulation of wave groups. The new form of Sds is succesfully validated through numerical experiments that include exact nonlinear computations of fetch-limited wind-wave evolution and hindcasts of two-dimensional wave fields made with an operational wind-wave model. The newly-proposed form of Sds generates integral spectral parameters that agree more closely with observations when compared to other dissipation source terms used in state-of-the-art wind-wave models. It also provides more flexibility in controlling properties of the wave spectrum within the high wavenumber range. Tests using a variety of wind speeds, three commonly-used wind input source functions and two alternative full-development evolution limits further demonstrate the robustness and flexibility of the new saturation-dependent dissipation source term. Finally, improved wave hindcasts obtained with an implementation of the new form of Sds in a version of the WAM model demonstrate its potential usefulness in operational wind-wave forecasting applications.

Cette étude vise à estimer l'impact des échelles dynamiques, allant de la grande à la sub-mésoéchelle, sur la structure et le fonctionnement de l'écosystème planctonique, en s'appuyant sur la modélisation. Elle se situe en Atlantique Nord-Est dans le cadre du programme POMME. Une première partie étudie le cycle saisonnier de l'écosystème à partir d'une configuration 1D. En moyenne, le modèle montre un cycle annuel marqué, avec des flux de régénération importants, contraint par l'évolution de la profondeur de couche de mélange (MLD). Le modèle reproduit les variations méridiennes du cycle saisonnier et de l'amplitude des flux liées à la variabilité spatiale de la MLD. Une seconde partie, basée sur une configuration 3D, montre un écosystème contrasté entre les tourbillons à mésoéchelle et les eaux ambiantes. A sub-mésoéchelle, de forts gradients de MLD et de vitesses verticales modifient les apports de nutriments ainsi que la disponibilité en lumière, et donc la production primaire. Les trois échelles considérées ont une influence significative sur la distribution et la production planctonique, influence qui varie au cours du cycle saisonnier.

Ce travail de recherche porte sur l'étude de trois familles de contaminants organiques hydrophobes persistants : hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), polychlorobiphényles (PCB) et pesticides organochlorés (OCP) dans les sédiments d'une lagune méditerranéenne : l'étang de Thau. Les niveaux et les distributions géographiques ont été déterminés pour chaque famille de contaminants étudiés. De même, leurs stocks et leurs flux ont été estimés dans le sédiment de surface. L'étude des carottes sédimentaires a permis de reconstituer l'historique de la contamination des sédiments de l'étang de Thau. Cet historique s'avère représentatif de l'évolution de la contamination au niveau national et concorde avec les tendances européennes et mondiales. L'étude des carottes sédimentaires a également fourni des renseignements sur la dynamique de la contamination des sédiments dans l'étang de Thau. Les grandes tendances temporelles, les inventaires et les flux ont été quantifiés pour les trois familles des contaminants étudiés. Enfin, une étude expérimentale plus restreinte sur la disponibilité des contaminants associés aux sédiments de l'étang a également été réalisée. Ce travail a permis d'aborder la disponibilité des contaminants sur différents niveaux d'une carotte sédimentaire en fonction de la nature : l'origine et l'âge de la matière organique et des propriétés physico-chimiques des contaminants. L'approche expérimentale de cette étude a été basée sur l'utilisation d'un échantillonneur passif. Les premiers résultats ouvrent des perspectives de travail visant à une meilleure compréhension de la disponibilité des contaminants sédimentaires.

La vapeur d'eau varie largement dans l'atmosphère avec des concentrations allant de la saturation dans les tropiques à des zones presque sèches au-dessus des zones continentales élevées. Une bonne connaissance du contenu en vapeur d'eau dans l'air est nécessaire pour la prévision des changements de phases, notamment les précipitations. La mesure de la variabilité de la vapeur d'eau est une lacune des systèmes d'observation. Par ailleurs, il est apparu que le positionnement précis des antennes GPS était affecté par la variation de l'indice de réfraction dans la troposphère, ce qui rend particulièrement difficile l'estimation de la composante verticale. Cette variation est directement liée à la distribution des variables pression, température et humidité sur les trajets satellite-récepteur. On s'intéresse ici à l'étude des précipitations intenses et notamment aux épisodes Cévenols. Ce travail de thèse consiste à vérifier la validité de la mesure GPS pour la quantification de la vapeur d'eau en la comparant avec des mesures issues de radiosondage et des sorties de modèle météorologique. On cherche à analyser si la quantification de vapeur d'eau par GPS permet de caractériser les forts événements précipitants (cumuls supérieurs à 150 mm) à l'aide d'observations conjointes sur les flux de surface. On étudie ensuite l'impact de l'assimilation de données GPS issues d'un réseau GPS dense sur la prévision des cumuls de pluies dans le modèle à hauterésolution (2.5 km) AROME de Météo France. Finalement on évalue la qualité et l'apport de la mesure de vapeur d'eau par GPS en mer dans le cadre d'une campagne de mesure VAPIMED).

L'étude de la dynamique et de la thermodynamique à petite meso-échelle est importante pour l'évaluation de la climatologie urbaine et de la qualité de l'air. Dans les modèles numériques, les hétérogénéités de la canopée urbaine sont intégrées sur chaque maille au sol ; il convient donc de connaître l'influence du degré de description du sol sur les résultats. Dans ce but on a créé un modèle de sol urbain SM2-U détaillant les flux de chaleur à l'interface canopée-atmosphère à l'échelle du quartier, en vue de simuler la Couche Limite Urbaine (CLU) à haute résolution avec le modèle SUBMESO. La première partie décrit les caractéristiques morphologiques et climatologiques d'une zone urbaine. La deuxième partie aborde la notion d'hétérogénéité de surface sur l'ensemble des échelles spatio-temporelles de la troposphère, puis analyse les méthodes les prenant en compte dans les simulations. On présente alors une étude numérique de l'influence du détail aérodynamique d'une surface hétérogène, de type damier de rugosités, sur la dynamique de l'atmosphère. La troisième partie présente SM2-U. Afin d'évaluer les flux de chaleur à l'échelle du quartier, SM2-U modélise les surfaces urbaines, et prend en compte de manière originale les effets de la canopée urbaine. Le modèle a été testé dans deux configurations avec un forçage météorologique sans rétroaction entre le sol et l'atmosphère : - comparaison du comportement hydrique de SM2-U avec celui du modèle hydrologique urbain EHU du LCPC, et avec des mesures effectuées sur un site péri-urbain, - étude du comportement de SM2-U sur cinq quartiers urbains. Dans la quatrième partie, on présente les premières simulations de la structure de la CLU avec SUBMESO couplé à SM2-U (avec rétroaction sol-atmosphère). Une première étude de sensibilité met en relief l'impact de la représentation du sol urbain sur la structure de la CLU, sur les bilans d'énergie et sur les températures de surface.

Les effets du changement climatique sur les événements extrêmes sont difficiles à estimer car ces phénomènes présentent une large variabilité, et par conséquent il est délicat d'identifier des tendances significatives compte tenu de l'absence de longues séries de données instrumentales. Dans cette étude, nous présentons un enregistrement de ces tempêtes extrêmes sur la côte Méditerranéenne française au cours des 7000 dernières années à partir de carottes sédimentaires prélevées dans un système lagunaire du Golfe du Lion. L'utilisation d'une approche multi-traceur à haute résolution avec des analyses granulométriques, faunistiques, géochimiques (XRF), en minéraux argileux associées à des données chronologiques de radiocarbone et de 210Pb, 137Cs ; nous a permis de reconstruire l'histoire, au cours de l'Holocène, des dépôts lagunaires en relation avec l'activité des tempêtes. Bien que les paramètres morphologiques de cet environnement lagunaire aient changé durant l'Holocène, ne permettant pas de comparer ces événements au cours du temps en terme d'intensité, nous enregistrons six périodes d'augmentation de l'activité des tempêtes datées à 6200, 5500, 4400, 3200, 1500 an cal B.P. et durant le Petit Age Glaciaire (de 450 à 100 an cal B.P.). Ces changements de l'activité hydrodynamique côtière, en antiphase avec les périodes d'aridifications en Méditerranée de l'Ouest, sont corrélées avec celles observées dans le bassin Nord Atlantique et correspondent aux événements de refroidissement Holocène. L'augmentation de l'activité des tempêtes dans la cette région de la Méditerranée durant les périodes froides, associée à une diminution des températures au pôle Nord, est probablement liée à l'augmentation du gradient thermique qui, par interaction barocline, favorise les cycles d'évolution des tempêtes dans toute l'Europe et la Méditerranée de l'Ouest. Cette étude démontre ainsi que la température dans la région Nord Atlantique influence l'activité des tempêtes extrêmes et donc du climat Méditerranéen à l'échelle de l'Holocène.

Les ondes d'est africaines (AEWs) sont des perturbations baroclines synoptiques (périodes 3-5 jours; longueurs d'onde 2000-5000 km) qui se propagent d'est en ouest sur le continent ouest-africain de manière intermittente au cours de la saison de mousson. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre l'intermittence intra-saisonnière des AEWs en combinant des considérations sur l'origine et le déclenchement des ondes, et sur l'influence de l'environnement de croissance, en particulier le jet d'est africain (AEJ). Une analyse statistique permet de souligner les relations complexes entre les fluctuations intra-saisonnières de l'AEJ, la convection et l'activité en AEWs dans les observations. Une approche de modélisation idéalisée est également adoptée, qui met en oeuvre un modèle atmosphérique global uniquement dynamique et guidé par un terme de forçage constant dérivé des observations. Dans une première configuration, des AEWs sont déclenchées sur un état de base fixe en réponse transitoire à un chauffage convectif appliqué localement en amont de l'AEJ. L'efficacité d'un tel déclenchement est testée sur un large jeu d'états de base constitués à partir des observations pour représenter la variabilité intra-saisonnière de l'AEJ. Il est mis en évidence une forte dépendance de la réponse transitoire à l'état de base. Une deuxième configuration du forçage laisse le modèle libre de développer sa propre activité transitoire. Des AEWs réalistes se développent de manière intermittente dans ce GCM simple. Il est montré qu'elles y sont déclenchées par des précurseurs de nature dynamique, originaires des moyennes latitudes (de l'Atlantique nord en particulier).