Thesis (Ph. D.)--Joint Program in Oceanography/Applied Ocean Science and Engineering (Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences; and the Woods Hole Oceanographic Institution), 2007. / Includes bibliographical references (p. 153-166). / The role of ocean dynamics in driving air-sea interaction is examined at two contrasting sites on 125°W in the eastern tropical Pacific Ocean using data from the Pan American Climate Study (PACS) field program. Analysis based on the PACS data set and satellite observations of sea surface temperature (SST) reveals marked differences in the role of ocean dynamics in modulating SST. At a near-equatorial site (3°S), the 1997-1998 El Nifio event dominated the evolution of SST and surface heat fluxes, and it is found that wind-driven southward Ekman transport was important in the local transition from El Nifio to La Nifia conditions. At a 10'N site near the summertime position of the Inter-tropical Convergence Zone, oceanic niesoscale motions played an important role in modulating SST at intraseasonal (50- to 100-day) timescales, and the buoy observations suggest that there are variations in surface solar radiation coupled to these mesoscale SST variations. This suggests that the mesoscale oceanic variability may influence the occurrence of clouds. The intraseasonal variability in currents, sea surface height, and SST at the northern site is examined within the broader spatial and temporal context afforded by satellite data. / (cont.) The oscillations have zonal wavelengths of 550-1650 km and propagate westward in a manner consistent with the dispersion relation for first baroclinic mode, free Rossby waves in the presenice of a, mean westward flow. The hypothesis that the intraseasonal variability and its annual cycle are associated with baroclinic instability of the North Equatorial Current is supported by a spatio-temporal correlation between the amplitude of intraseasonal variability and the occurrence of westward zonal flows meeting an approximate necessary condition for baroclinic instability. Focusing on 100N in the eastern tropical Pacific, the hypothesis that mesoscale oceanic SST variability can systematically influence cloud properties is investigated using several satellite data products. A statistically significant relationship between SST and columnar cloud liquid water (CLW), cloud reflectivity, and surface solar radiation is identified within the wavenumber-frequency band corresponding to oceanic Rossby waves. Analysis of seven years of CLW data and 20 years surface solar radiation data indicates that 10-20% of the variance of these cloud-related properties at intraseasonal periods and wavelengths on the order of 100 longitude can be ascribed to SST signals driven by oceanic Rossby waves. / by J. Thomas Farrar. / Ph.D.

Thesis (Ph. D.)--Joint Program in Oceanography/Applied Ocean Science and Engineering (Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences; and the Woods Hole Oceanographic Institution), 2008. / Includes bibliographical references (p. 110-119). / This study presents observations of turbulence dynamics made during the low winds portion of the Coupled Boundary Layers and Air-Sea Transfer experiment (CBLAST-Low). Observations were made of turbulent fluxes, turbulent kinetic energy, and the length scales of flux-carrying and energy-containing eddies in the ocean surface boundary layer. A new technique was developed to separate wave and turbulent motions spectrally, using ideas for turbulence spectra that were developed in the study of the bottom boundary layer of the atmosphere. The observations of turbulent fluxes allowed the closing of heat and momentum budgets across the air-sea interface. The observations also show that flux-carrying eddies are similar in size to those expected in rigid-boundary turbulence, but that energy-containing eddies are smaller than those in rigid-boundary turbulence. This suggests that the relationship between turbulent kinetic energy, depth, and turbulent diffusivity are different in the ocean surface boundary layer than in rigid-boundary turbulence. The observations confirm previous speculation that surface wave breaking provides a surface source of turbulent kinetic energy that is transported to depth where it dissipates. A model that includes the effects of shear production, wave breaking and dissipation is able to reproduce the enhancement of turbulent kinetic energy near the wavy ocean surface. However, because of the different length scale relations in the ocean surface boundary layer, the empirical constants in the energy model are different from the values that are used to model rigid-boundary turbulence. The ocean surface boundary layer is observed to have small but finite temperature gradients that are related to the boundary fluxes of heat and momentum, as assumed by closure models. However, the turbulent diffusivity of heat in the surface boundary layer is larger than predicted by rigid-boundary closure models. Including the combined effects of wave breaking, stress, and buoyancy forcing allows a closure model to predict the turbulent diffusivity for heat in the ocean surface boundary layer. / by Gregory Peter Gerbi. / Ph.D.

Thesis (M.S.)--Joint Program in Oceanography/Applied Ocean Science and Engineering (Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences and the Woods Hole Oceanographic Institution), 2003. / Includes bibliographical references (p. 181-191). / In this thesis I have endeavored to determine the factors and physical processes that controlled SST and thermocline depth at 10⁰N, 125⁰W during the Pan Amer- ican Climate Study (PACS) field program. Analysis based on the PACS data set, TOPEX/Poseidon sea surface height data, European Remote Sensing satellite wind data, and model simulations and experiments reveals that the dominant mechanisms affecting the thermocline depth and SST at the mooring site during the measurement period were local surface fluxes, Ekman pumping, and vertical mixing associated with enhancement of the vertical shear by strong near-inertial waves in the upper ocean superimposed upon intra-seasonal baroclinic Rossby waves and the large scale zonal flow. / by J. Thomas Farrar. / M.S.

L'environnement côtier de l'île de Mayotte (nord du canal du Mozambique, océan Indien) se caractérise par l'existence d'un vaste complexe récifo-lagonaire au sein duquel se développe un littoral particulièrement diversifié et marqué par la présence de nombreuses mangroves. Plusieurs campagnes de mesures hydrodynamiques et d'observations morphologiques ont été effectuées afin d'apporter des éléments de compréhension sur l'évolution et le fonctionnement morphodynamique de ce type de littoral mixte à mangroves et récifs coralliens. Les observations de terrain conjuguées à une analyse diachronique de photographies aériennes ont permis de montrer le caractère très variable de la dynamique des mangroves avec une progression ou une stabilité au nord et à l'est de l'île, et inversement, une évolution nettement régressive au sud et à l'ouest. Les mesures hydrodynamiques ont donné lieu à une analyse des paramètres de houle et de courant en se focalisant sur leurs variabilités spatiales et temporelles. Les résultats obtenus montrent l'importance de l'architecture récifale sur les processus hydrosédimentaires et le développement des formes littorales. L'évolution et la dynamique des mangroves de Mayotte apparaissent ainsi fortement influencées par les caractéristiques morphologiques des structures récifales amont qui engendrent une plus forte vulnérabilité des mangroves du sud et de l'ouest face à une déstabilisation naturelle ou anthropique. La disparition des formations végétales des mangroves du sud et de l'ouest de l'île entraine une réorganisation des répartitions sédimentaires et la mise en place de nouveaux systèmes de fonctionnement morphodynamique. L'ampleur des phénomènes constatés a montré la nécessité de mettre en place un observatoire opérationnel de surveillance de la dynamique côtière. Cet outil, basé sur un réseau de mesures et d'observations de terrain et sur la réalisation d'un Système d'Information Géographique (SIG), a pour but de favoriser le suivi et l'évaluation de l'état du littoral. Dans un contexte local de fort développement et dans celui, plus global, de mutations environnementales, cet outil de surveillance et d'analyse permet une meilleure compréhension de la morphodynamique des côtes mahoraises et apporte une aide à la décision et à la gouvernance afin d'orienter les politiques de gestion de ce milieu fragile, à forts enjeux et en constante évolution.

L'objectif de cette thèse est de définir les conditions expérimentales nécessaires à la culture de foraminifères benthiques profonds dans le but d'affiner la calibration de proxies paléocéanographiques. Jusqu'à présent les études expérimentales sur ces organismes sont rares compte-tenu des difficultés rencontrées pour les maintenir actifs. Notre travail s'est concentré sur l'espèce Bulimina marginata (sensu lato) qui présente l'intérêt de bien s'adapter aux conditions en laboratoire. Dans un premier temps, nous avons déterminé les conditions de vie optimale de cette espèce, à savoir les conditions permettant de produire un maximum de juvéniles et d'obtenir leur croissance dans un délai court. Nous avons donc testé, en laboratoire, l'influence de différentes températures (6- 14°C) et de différents types de nourriture (algues vertes ou diatomées, fraîche ou lyophilisée) sur la reproduction (délai avant reproduction, quantité de juvéniles produits, etc.) et la croissance (taux de croissance du test) de B. marginata. Nous avons ensuite mis au point deux protocoles expérimentaux permettant d'obtenir des foraminifères ayant calcifié la totalité de leur coquille dans des conditions physico-chimiques stables et contrôlées (température, salinité, chimie des carbonates). Finalement, nous avons étudié la composition isotopique des tests de foraminifères calcifiés à différentes températures dans ces systèmes stables. L'analyse de tests de différentes tailles a mis en évidence l'effet ontogénétique sur la composition isotopique de l'oxygène et du carbone des foraminifères benthiques profonds. Par la suite, nous avons établi des équations de paléotempérature en fonction des différentes classes de taille étudiées et déterminé les facteurs de correction à appliquer aux valeurs de δ18O des tests de différentes tailles de B. marginata pour obtenir la valeur de la calcite à l'équilibre.

Malgré l'amélioration constante des modèles de prévision opérationnelle, certains événements demeurent difficilement prévisibles, même à courte échéance. Dans ces cas, la qualité de la prévision dépend fortement de celle des conditions initiales qui lui sont fournies. Dans ce contexte, il apparaît essentiel d'améliorer des méthodes existantes et d'en développer de nouvelles afin de prendre au mieux en compte les incertitudes liées aux conditions initiales, en particulier pour la prévision d'événements intenses tels que les fortes pluies qui touchent régulièrement le bassin Méditerranéen. L'impact d'incertitudes aux conditions initiales sur la prévision de la dite “supertempête” d'Alger (novembre 2001) a été examiné au travers de simulations haute résolution réalisées avec le modèle Méso-NH. Ce cas était caractérisé par la présence d'un profond thalweg d'altitude associé à une cyclogenèse intense. Il a été montré qu'une faible perturbation initiale de la profondeur du thalweg d'altitude (et de l'intensité de l'anomalie positive de tourbillon potentiel associée) pouvait se propager et s'intensifier durant la simulation, impactant alors la prévision du cyclone de surface. Une étude détaillée des conditions de développement de la convection profonde dans chaque expérience a montré que les perturbations de petites échelles observées sur les champs de précipitations étaient directement liées à la prévision du cyclone et donc aux perturbations initiales. Dans une seconde partie, l'influence de corrections de tourbillon potentiel sur la prévision du même cas d'étude a été examinée. A l'aide du modèle opérationnel Français ARPEGE, nous avons montré que la prévision démarrant de l'analyse opérationnelle du 9 novembre 2001 à 1200 UTC n'était pas capable de reproduire le cycle de vie et le creusement de la dépression de surface. Des corrections locales de tourbillon potentiel guidées par des observations satellites issues du canal vapeur d'eau de Meteosat 7 ont conduit à une amélioration significative de la prévision du minimum dépressionnaire et des précipitations associées. A l'aide de simulations très haute résolution (2 km) Méso-NH et de l'utilisation de l'approche dite modèle-vers-satellite, nous avons montré que l'impact des modifications initiales était particulièrement positif lors des périodes de forte activité convective précédent celles de précipitations intenses.

Le Pacifique équatorial est une région clé pour l'étude du phénomène climatique El Niño Oscillation Australe (ENSO) qui joue un rôle essentiel sur la variabilité du climat à l'échelle globale. L'objectif de cette thèse est d'étudier, d'une part le rôle des ondes équatoriales sur le mécanisme de Recharge-Décharge d'ENSO et d'autre part, d'observer et comprendre l'impact des couches barrières de sel susceptibles d'influencer ENSO. Le mécanisme de Recharge-Décharge de la bande équatoriale (5°N-5°S) est analysé sur la période 1992-2006 à l'aide de données altimétriques. Les variations de volume d'eau chaude qui rechargent ou déchargent la bande équatoriale sont bien représentées par les transports méridiens de masse exprimés en terme de transports géostrophiques et d'Ekman. Les ondes équatoriales de Rossby premier mode méridien premier mode barocline jouent un rôle important sur la partie géostrophique de ces transports. Une classification des évènements El Niño est également effectuée à l'aide des variations de volume d'eau chaude du Pacifique équatorial. La variabilité de la structure thermohaline de la warm pool est analysée dans la bande équatoriale, à l'aide de données Argo, sur la période 2000-2007. Une validation de ces données ainsi que des tests de différents critères d'estimation des couches barrières de sel sont présentés. Les co-variabilités entre les couches barrières de sel, le front de salinité, les températures de surface et la hauteur dynamique sont analysées. Elles montrent notamment que les températures de surface élevées (SST>28-29°C), associées au maximum de convection atmosphérique sont fortement liées à la présence de couches barrières de sel épaisses (>20m). Les couches barrières de sel sont favorisées par des fortes précipitations, de faibles vents, l'advection zonale de salinité de surface et le cisaillement vertical de courants. Pour la première fois à partir d'observations, l'influence des ondes équatoriales sur les couches barrières de sel est mise en évidenc

Les écoulements atmosphériques et océaniques sont habituellement séparés en une partie lente, proche de l'équilibre géostrophique, et une partie rapide qui interagissent faiblement. Les instabilités agéostrophiques procurent néanmoins un mécanisme capable de coupler les mouvements équilibrés et non-équilibrés. L'étude de tels mécanismes dans cette thèse est d'abord effectuée par des études systématiques de stabilité linéaire dans le modèle de l'eau peu profonde. L'instabilité de Rossby-Kelvin (RK), issue du couplage barocline d'une onde de Rossby (équilibrée) et d'une onde de Kelvin ou de Poincaré (non-équilibrées), est mise en évidence dans un canal. Ces résultats sont étendus à un anneau en géométrie cylindrique et montrent que dans les configurations proches des dispositifs expérimentaux il peut y avoir une compétition entre l'instabilité RK et l'instabilité barocline classique. Les instabilités des courants côtiers, caractérisés par la présence d'un bord vertical et d'un "outcropping", sont ensuite étudiées de manière exhaustive. Les instabilités dues à l'interaction d'un mode frontal et d'une onde de Kelvin (KF) ou d'une onde de Rossby (RF) sont mises en évidence. Le développement non-linéaire de ces instabilités est étudié dans le modèle de l'eau peu profonde par une méthode numérique aux volumes finis et dans un fluide continument stratifié à l'aide d'un modèle méso-échelle. Ces simulations montrent que les instabilités RK et KF ont un développement non-linéaire marqué par une croissance à amplitude finie et une saturation. Le déferlement de l'onde de Kelvin conduit alors à la formation d'un front de Kelvin, zone localisée de mélange et de dissipation, à l'émission d'ondes d'inertie-gravité et à la réorganisation de l'écoulement moyen. Dans le cas des courants côtiers cette réorganisation est suivie du développement d'une instabilité secondaire qui conduit à la formation et au détachement de vortex.

Ce travail a eu pour objectif d'étudier l'oxydation hétérogène de composés aromatiques polycycliques (CAP) adsorbés sur des particules solides, exposés à des oxydants troposphériques. Après adaptation et validation des protocoles analytiques, deux aspects ont été abordés : les cinétiques de dégradation avec O3, NO2 et OH dans un premier temps, puis l'étude des produits d'oxydation formés au cours de ces réactions. Les constantes de vitesse mesurées ont permis de comparer les différences de réactivité entre les composés étudiés (pyrène, 1-nitropyrène, 1-hydroxypyrène, 9,10-anthraquinone). L'influence de différents paramètres sur la réactivité (nature des particules, concentration en HAP...) a aussi été étudiée. Enfin, la détermination des produits d'oxydation et leur quantification, quand cela a été possible, a permis de mieux comprendre le devenir de ces composés particulaires dans l'atmosphère, à travers les mécanismes réactionnels proposés.

L'amélioration de la prédiction de l'ampleur du réchauffement climatique requiert une mesure de la concentration en CO2 dans l'atmosphère à l'échelle globale. Une mesure satellitale pourrait combler ce besoin. Le CNES a développé un instrument de nouvelle génération adapté aux applications de sondage atmosphérique. Cet instrument, un spectromètre par transformation de Fourier statique, présente une masse et des dimensions réduites par rapport aux spectromètres classiques. On étudie l'application du concept à la mesure du CO2, à l'aide d'une maquette au sol représentative d'un instrument embarqué. Celle-ci mesure le spectre solaire à travers l'atmosphère dans une bande d'absorption du CO2 autour de 1,6 µm. La concentration en CO2 est déduite de la profondeur des raies d'absorption. On présente le concept ainsi que sa mise en oeuvre expérimentale, tant pour la conception de l'instrument que pour son étalonnage et le traitement des données. Le contenu en information de la mesure est évalué. On présente la procédure d'inversion des mesures. On estime par simulation que l'erreur d'inversion est de l'ordre de ±0,6 ppm pour un objectif de ±1 ppm. Les résultats d'une campagne de mesures atmosphériques sont enfin donnés. Ils mettent en évidence les bonnes performances de l'instrument : on atteint des précisions de mesure compatibles avec l'objectif. La campagne révèle également une sensibilité de l'instrument à des paramètres autres que le CO2. Les déformations du spectromètre, dues aux variations thermiques du laboratoire, pourraient par exemple être à l'origine d'erreurs de mesure significatives. Des améliorations simples permettant d'augmenter la précision de mesure sont proposées.