Les fluides stratifiés présentent deux types principaux de mouvement : les ondes de gravité internes et des mouvements tourbillonnaires quasi-bidimensionnels (ou modes de vorticité potentielle). Les ondes évoluent sur une échelle de temps rapide T_N = 1 / N, où N est la fréquence de Brunt-Väisälä, une fréquence naturelle déterminée par la force de la stratification, tandis que les mouvements tourbillonnaires sont régis par une échelle lente T_A = L / U, où U et L sont des échelles horizontales de vitesse et longueur caractéristiques des structures tourbillonnaires. La différence entre ces deux modes peut être illustrée par la décroissance d'une zone turbulente en présence d'une stratification de fond stable : pendant l'effondrement de la turbulence initiale, l'énergie est soit rayonnée sous la forme d'ondes internes qui se propagent loin de la région turbulente initiale, soit transmise aux mouvements d'advection quasi-horizontaux qui s'organisent comme patches de vorticité potentielle. Cette thèse aborde d'un point de vue expérimental et théorique le problème de l'interaction des ondes de gravité internes et tourbillons pancake dans un fluide fortement stratifié ainsi que l'étude des mécanismes diffusifs des tourbillons pancake.

La marée océanique a longtemps été considérée comme un phénomène haute fréquence dont la zone d'influence se limitait aux plateaux continentaux. Ainsi, la marée n'apparaissait pas susceptible d'interagir sur la circulation océanique grande échelle et in fine sur la dynamique basse fréquence du climat. Ce n'est qu'à la fin des années 1990, lorsque la mesure altimétrique et les solutions hydrodynamiques globales de marées ont atteint une précision centimétrique, qu'une connexion entre les marées et le climat est devenue envisageable. Dans cette perspective, l'objectif de cette étude est d'explorer quels sont les effets de la marée sur la circulation océanique grande échelle. Ces effets ont lieu à travers deux processus physiques essentiels liés à la marée : (i) sa dynamique fortement non-linéaire et (ii) la dissipation de son énergie en plein océan, sous la forme de mélange vertical ou de chaleur.<br />Pour examiner chacun de ces aspects, la méthode retenue consiste à paramétriser les effets de la marée dans un modèle tridimensionnel de circulation générale océanique (OGCM) dédié au climat : NEMO. Pour ce faire nous utilisons les sorties 'off line' d'un modèle hydrodynamique bidimensionnel dédié à la marée : MOG2D-G. Dans un premier temps nous déterminons et nous décrivons pour la première fois une carte de la circulation résiduelle de marée (CRM) mondiale générée par la dynamique non-linéaire de la marée. Cette CRM obtenue par l'intermédiaire de MOG2D-G est alors introduite sous la forme d'un forçage extérieur dans l'OGCM NEMO. Dans un second temps, nous examinons la dissipation de l'énergie des marées. Tout d'abord nous quantifions la fraction de l'énergie de marée qui est dissipée en chaleur, ceci afin de déterminer si, à l'instar du flux géothermal, elle est susceptible de jouer un rôle important sur la circulation abyssale. Après avoir écarté cette possibilité, nous considérons la fraction d'énergie de marée qui se dissipe localement en mélange vertical via les ondes internes : le "tidal mixing" (TM). Le TM résulte d'un transfert d'énergie du mode barotope vers les modes baroclines. Ce transfert est diagnostiqué grâce au modèle MOG2D-G et intégré dans NEMO par l'intermédiaire d'une paramétrisation du mélange turbulent vertical.<br />Nous concluons : (i) que l'effet des marées sur la circulation océanique grande échelle et in fine sur le climat ne peut être significatif qu'à travers le TM, (ii) que l'introduction du TM local dans les OGCM est essentielle pour représenter correctement le transport des masses d'eaux abyssales et (iii) qu'il est désormais crucial de considérer le TM engendré loin du site de génération des ondes internes

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.

La marée interne générée sur une topographie est un élément clé des transferts énergétiques des échelles de forçage de l'océan vers les échelles de mélange turbulent. Elle contribuerait à près de la moitié du mélange turbulent nécessaire au maintien de la stratification océanique. Une compréhension plus approfondie des processus mis en jeu est nécessaire pour décrire plus précisément son rôle dans le maintien de la circulation océanique. Cette thèse s'inscrit dans la continuité des travaux d'Y. Dossmann (2012) portant sur les ondes internes solitaires générées au dessus d'une dorsale océanique. Ces travaux reposent sur une utilisation complémentaire d'expériences physiques menées dans le grand canal du CNRM-GAME et d'expériences numériques à l'échelle du laboratoire effectuées avec le modèle d'océanographie côtière SNH. L'utilisation simultanée de ces deux outils a notamment permis d'évaluer la validité des hypothèses sous-jacentes de ce modèle et le développement de nouveaux schémas numériques. Dans cette thèse, des simulations numériques utilisant la version non-hydrostatique et non-Boussinesq du modèle SNH sont utilisées pour décrire les différents régimes d'ondes internes dans des régions " supercritiques ". Le terme supercritique désigne à la fois des courants de marée intenses dont la vitesse U est supérieure à la vitesse de propagation des ondes internes cn, et des topographies très abruptes dont l'angle de la pente est supérieur à l'angle du rayon d'onde interne dans la pycnocline . De telles conditions environnementales correspondent à des régions de mélange intense, jusqu'à 10 000 fois supérieur au mélange turbulent observé dans l'océan ouvert. Les processus physiques ayant lieu dans ces régions restent encore mal compris et mal représentés par les paramétrisations d'ondes internes existantes. De plus, ces régions sont également des zones propices à la génération d'ondes internes non-linéaires pouvant se propager pendant plusieurs jours et entraînant ainsi des transferts d'énergie significatifs loin de leur zone de génération. La description des processus turbulents en jeu dans ces régions " extrêmes " constitue le cœur de ma thèse. Dans une première partie, des configurations académiques à l'échelle du laboratoire sont mises en place pour étudier les processus en jeu dans différents régimes " supercritiques " de génération d'onde internes. Des simulations numériques directes sont réalisées et permettent d'identifier un nombre limité de paramètres physiques adimensionnés contrôlant la dynamique des ondes internes dans ces régions. Une attention particulière est portée sur le rôle joué par la topographie sur la génération des modes verticaux d'ondes internes et sur la formation de modes " hauts " d'ondes internes solitaires. Le second objectif de cette thèse est de faire le lien entre les précédentes études académiques à l'échelle du laboratoire et l'échelle océanique. Pour cela, un principe de similitude permettant de conserver la dynamique des ondes internes tout en modifiant l'échelle de l'écoulement est mise en place. Par le biais de ce principe de similitude, nous partons de cas idéalisés à l'échelle du laboratoire, que nous transposons à l'échelle océanique, pour nous rapprocher de cas océaniques plus réalistes et de plus en plus complexes. Puis notre étude de régime est étendue à deux régions océaniques " supercritiques " bien connues : le détroit de Gibraltar et le plateau situé à l'entrée du golfe du Maine (nommé " Georges Bank " en anglais). L'applicabilité de nos paramètres clés est étudiée dans le cas de ces deux environnements complexes par le biais de simulations haute résolution de grande échelle (LES). / Internal tides are involved in the Meridional Overturning Circulation energy balance. The issue about the relative importance of the mechanical and thermodynamical energy sources induces a need for a quantitative evaluation of the energy transfers and for a clear understanding of the physical processes involved in these energy transfers. In supercritical regions such as the strait of Gibraltar or the Hawaiian Ridge, large topography variations and strong currents lead to more complex generation mechanisms of internal waves and environmental interactions. They can be subject locally to spectacular breaking, with turbulent structures observed hundreds of meters above the seafloor, and driving turbulence orders of magnitude higher than open-ocean levels. These regions are also effective at generating nonlinear internal waves (ISWs) which persist for days after their generation and are suspected to be responsible for important remote energy transfers. In these "extreme" regions, ISWs dynamics is also more difficult to model. These situations are highly non-hydrostatic and non-linear with strong instabilities, strong velocity and density gradients and steep slopes. Moreover, in these regions, actual internal wave's parameterizations are often inadequate. So there is a real need to understand and represent better the ISWs dynamic in these areas. This thesis follows the line of research of Dossmann (2012), on topographically induced internal solitary waves which used a complementary approach relying on numerical and experimental configurations at laboratory scale. In this context, we continue to explore internal tide regimes but in "supercritical" regions: internal tide generation area with supercritical topography and hydraulic control. Simulations are performed using the nonhydrostatic and non-Boussinesq version of the regional oceanic circulation model SNH. In a first part, taking an idealized modeling approach at laboratory scale, we examined a range of different internal waves regimes in "supercritical" regions. Relying on quasi-direct numerical simulations (quasi-DNS), a regime analysis has been proposed using and identifying key non-dimensional parameters for ISWs dynamics. This analysis has permitted to recover a topographic control on vertical mode generation characterized by the ratio of vertical mode wavelength to topography width, even above supercritical topography. The topographic selection criterion has proven to be a useful indicator of high mode solitary wave formation in non-linear regime. The purpose of the second part is to extend the previous studies at laboratory scales towards more realistic oceanic conditions. In this regard, the regime analysis is applied to a idealized large scale oceanic strait through a similitude principle. The idealized strait configuration succeeds in representing laboratory scale strait regime at largest and realistic scales. Then our analysis is applied to two well-known realistic cases: the Strait of Gibraltar and Georges Bank through large eddy simulations. These two oceanographic "supercritical" regions are particularly interesting for their specific topography and stratification conditions.

Le mélange vertical dans l’océan contribue au maintien de la Cellule Méridienne de Circulation Océanique (MOC) en permettant le renouvellement des eaux profondes. Une coupe transverse d’une partie de la MOC est réalisée par la radiale hydrologique OVIDE qui a lieu tous les 2 ans depuis 2002 entre le Portugal et le Groenland. L’énergie nécessaire au mélange est fournie par les ondes internes générées par le vent et la marée, et des mesures de micro-structure (VMP) en 2008 montrent des valeurs de dissipation Evmp intensifiées dans la thermocline principale et au niveau des topographies. Notre étude se base sur ces observations pour étudier la fine-structure verticale de l’océan et estimer indirectement la dissipation E due aux ondes internes à l’aide de mesures CTD et LADCP. La comparaison au mesures du VMP permet d’optimiser la paramétrisation de E en encadrant les observations par facteur 3 et leurs valeurs moyennes à ±30%. L’application sur l’ensemble des données OVIDE permet d’obtenir une cartographie du mélange a travers le bassin. La distribution géographique de la diffusion verticale K est similaire le long des 5 sections, avec des valeurs de l’ordre de 10−4m2/s dans la thermocline principale, au fond et au niveau des topographies, et de l’ordre de 10−5m2/s dans l’océan intérieur. Des différences régionales sont présentes et K peut être localement proche de 10−3m2/s. L’étude de la section FOUREX 1997 révèle une intensification de K le long de la dorsale médio-Atlantique où les valeurs moyennes sont de 2 à 3 plus fortes que le long des sections OVIDE. La distribution spatiale des échelles de Thorpe LT est corrélée avec celle du mélange. Néanmoins la dissi-pation basée sur LT surestime Evmp d’un facteur 10 à100, ce qui pourrait être dû à une mauvaise représentation de la durée de vie de la turbulence dans l’océan. Certains mécanismes susceptibles de générer des ondes internes sont proposés. Des sites possibles de génération par la marée sont localisés à l’aide d’un modèle simple de la trajectoire des rayons d’ondes. Une corrélation possible entre les mouvements géostrophiques et les ondes internes est envisagée dans la thermocline principale. Enfin l’étude des angles de Turner montre que des instabilités de double-diffusion peuvent être présentes sur une grande partie de la section. / Vertical mixing in the ocean contributes to sustain the Meridionnal Overturning. Circulation (MOC) by allowing the renewal of deep waters. A section across the MOC is performed by the hydrological radial OVIDE repeated every two years between Portugal and Greenland since 2002. The energy required for mixing is provided by internal waves generated by wind and tides and micro-structure measurements(VMP) in 2008 show intensified values of dissipation Evmp in the main thermocline and near topographies. Our study is based on these observations and aims tostudy the vertical fine-scale structure of the ocean. Estimates of the dissipation E due to internal waves are made with CTD and LADCP measurements. The comparison with VMP measurements allow us to optimize the parameterization of E by framing the observations by factor 3 and their mean values at ±30%. The systematic application to the OVIDE dataset provides a mapping of the mixing across the basin. Geographical distribution of the vertical diffusion K is similar along the five sections, with values near10−4m2/s in the main thermocline and at the bottom of topographies, and near 10−5m2/s in the ocean interior. Regional differences are present and K can belocally close to 10−3m2/s. Application to FOUREX1997 datas et reveals an increase of K along the Mid-Atlantic Ridge, where the average values are 2 to 3stronger than along OVIDE sections. The spatial distribution of Thorpe scales LT appears to be correlated with internal waves mixing patterns. Nevertheless dissipation estimates based on LT overestimates Evmp by a 10 to 100 factor, which maybe due to misrepresentation of the stage of turbulence development in the ocean. Some mechanisms that can generate internal waves are proposed. Probable sites where tidal generation could occur are located using a simple model of wave beam trajectory. A possible correlation between geostrophic flows and internal waves is considered in the main thermocline. Finally the study of Turnerangles shows that double-diffusion instabilities may bepresent over a large part of the section.

Les ondes gravito-inertielles jouent un rôle majeur dans les échanges d'énergie globaux sur la planète. Si la génération des ondes est bien connue dans l'atmosphère et l'océan, le devenir de ces ondes au cours de leur propagation n'est pas complètement défini aujourd'hui. Ces ondes peuvent interagir de façon non-linéaire avec elles-mêmes et créer des structures de plus petite échelle qui vont se dissiper plus facilement. Ainsi, le phénomène d'instabilité paramétrique sous-harmonique (PSI), a été étudié de façon expérimentale. Nous avons effectué la première mise en évidence expérimentale de l'interaction de trois ondes planes inertielles bi-dimensionnelles, sous la forme d'une triade résonnante. Cette étude améliore en outre la compréhension de la turbulence en rotation. Les ondes internes peuvent aussi créer, ou interagir avec des écoulements lents de grande échellequi peuvent modifier la biodiversité au fond des océans. Nous avons mis en évidence une situation expérimentale à l'origine d’un tel écoulement moyen induit par les ondes et, à l'aide d'un modèle théorique simplifié, nous avons expliqué la formation de ces écoulements. Enfin, on étudie également des tourbillons en fluide stratifié pour permettre de futures études sur l'interaction d'ondes gravito-inertielles avec des tourbillons. / Inertia-gravity waves play a major role in the global transfer of energy on Earth. Even if wave generation is well understood in the atmosphere and in the ocean, their subsequent evolution is not completely understood. These waves can interact nonlinearly with themselves and create small-scales structures that dissipate more rapidly. Motivated by this, the phenomenon of parametric subharmonic instability (PSI), was studied experimentally. We conducted the first laboratory demonstration of the interaction of three two-dimensional inertial plane waves, as a resonant triad. Inertia-gravity waves can also interact with, and create, mean flows of large scale that can modify the transport of energy, chemical and biological compounds, and thereby have an impact on biodiversity in the ocean. We therefore also demonstrated an experimental situation that gives rise to such a flow field and using a simplified theoretical model, we explained the formation of this flow. Finally, we performed some studies of vortices in stratified fluid, to assist future studies of the interaction of inertia-gravity waves with vortices.