Nous développons un modèle quasi-géostrophique (QG) amélioré en moyennant l'équation de Navier-Stokes le long de l'axe de rotation. Il permet de modéliser des fluides barotropes en rotation rapide dans un récipient axisymétrique de pente finie. Ce modèle QG est utilisé pour étudier les instabilités d'une couche de cisaillement (couche de Stewartson). Nous montrons que la pente est le paramètre clé de l'instabilité, qui prend la forme d'ondes de Rossby. En plus de la viscosité, nous avons implémenté une friction d'Ekman réaliste (à partir de la formule de Greenspan) à notre modèle QG. Ceci nous permet d'atteindre des régimes d'écoulement tournants très turbulents, avec une dissipation réaliste à toutes les échelles. Nous observons des des spectres très raides (loi puissance -5, correspondant à la turbulence d'ondes de Rossby) et des régimes stationnaires. Ces écoulements sont des dynamos qui sont relativement faciles à démarrer, pour des nombres de Prandtl magnétiques (Pm) modérés à très faibles. l'action dynamo semble s'étendre pour Pm arbitrairement petit, avec un nombre de Reynolds magnétique critique (Rm) approximativement constant. L'aspect ondulatoire de l'écoulement est ici indispensable pour obtenir une dynamo. Enfin, nous essayons d'ajouter la force de Lorentz à notre modèle de dynamo QG. Nous trouvons que la nature ondulatoire de l'écoulement turbulent ne permet pas d'utiliser une approximation diffusive aux petites échelles.

Concentric eyewall formation and eyewall replacement cycles are intrinsic processes that determine the intensity of a tropical cyclone, as opposed to purely environmental factors such as wind shear or the ocean heat content. Although extensive research has been done in this area, there is not a single widely accepted theory on the formation of secondary eyewall structures. Many previous studies focused on dynamic processes in the inner core of a tropical cyclone that would precede and ultimately lead to the formation of a secondary eyewall. Hurricanes Katrina and Rita in 2005 were frequently sampled by research aircraft which gathered a copious amount of data. During this time, Rita developed a secondary eyewall which eventually replaced the original eyewall. This thesis will investigate the formation of a secondary eyewall with particular emphasis on the rainband region, as observations show that an outer principal rainband transformed into the secondary ring. A high resolution, full physics model (MM5) initialized with global model forecast fields correctly predicted the secondary eyewall formation in Rita. The model output will be used to investigate both Katrina and Rita in terms of their PV generation characteristics since PV and vorticity maxima correlate well with wind maxima that accompany the eyewall and rainbands. Furthermore, dynamical processes such as vortex Rossby wave (VRW) activity in the inner core region will be analyzed. Comparison of the differences in the two storms might shed some light on dynamics that can lead to structure changes. Comparison of the model data with aircraft observation is used to validate the results. Doppler radar derived wind fields will be used to calculate the vertical vorticity. The vorticity field is closely related to PV and thus a manifestation of the PV generation process in the rainband. The investigation has shown that Rita?s principal rainband features higher PV generation rates at radii beyond 80 km. Both the azimuthal component and the projection of asymmetric PV generated by convection onto the azimuthal mean connected with the principal band are hypothesized to be of importance for the formation of the secondary eyewall. VRW were found not to be important for the initial formation of the ring but might enhance convective activity once the outer eyewall contracts.

La transition extra-tropicale est la transformation d'un cyclone tropical en cyclone extra-tropical lors de sa migration vers les latitudes moyennes. Au cours de son interaction avec son nouvel environnement barocline, le cyclone peut se réintensifier par des processus dynamiques et diabatiques complexes. Il peut également avoir un impact en aval par le renforcement d'un train d'ondes de Rossby, qui se propage rapidement et dont le déferlement est souvent à l'origine d'événements extrêmes. La complexité des processus dynamiques et diabatiques de la transition extra-tropicale conduit alors à une réduction de la prévisibilité en aval. Les ouragans Florence et Hélène en Atlantique Nord ont ainsi contribué au déclenchement des événements extrêmes de septembre 2006 en Méditerranée, respectivement un épisode de précipitations intenses et un phénomène plus rare, un méditerragan (ouragan méditerranéen). Hélène s'est distinguée de Florence par des processus diabatiques prépondérants au cours de sa réintensification sur un océan plus chaud, ce qui lui a permis de conserver des caractéristiques tropicales. Ses trois réintensifications en trois jours induites par l'étirement de trois filaments de tourbillon potentiel, ajoutées au développement du méditerragan en aval, font d'Hélène un cas exceptionnel. Les deux événements extrêmes en Méditerranée étaient absents de la prévision déterministe à moyen terme. L'incertitude dans la représentation des processus diabatiques a été examinée car ceux-ci contrôlent l'impact des ouragans sur les ondes de Rossby. Pour la première fois, des simulations ont été réalisées avec le modèle Méso-NH sur un grand domaine avec une résolution explicite de la convection profonde, tirant parti de la parallélisation massive du modèle. Une faible sensibilité à la résolution horizontale du modèle a été trouvée dans les précipitations des ouragans, donc dans leur impact sur les ondes de Rossby et sur les événements extrêmes en Méditerranée. La trajectoire d'Hélène a par contre montré une forte sensibilité à sa synchronisation avec le train d'ondes de Rossby, influencée par la résolution horizontale du modèle. Cette forte sensibilité a été retrouvée dans les prévisions d'ensemble du Centre Européen pour la Prévision Météorologique à Moyen Terme, où le développement du méditerragan a requis la synchronisation d'Hélène avec le train d'ondes de Rossby. La perturbation ciblée des conditions initiales autour d'Hélène et du thalweg en amont a suffi à prévoir le méditerragan à une échéance de 108 h dans une simulation Méso-NH. Ces résultats montrent l'impact possible de transitions extra-tropicales en Atlantique Nord, qui surviennent à la même saison que la plupart des épisodes de précipitations intenses en Méditerranée. La réduction de l'incertitude dans la prévision de la transition extra-tropicale est donc un des enjeux de l'amélioration de la prévision d'événements extrêmes d'automne en Méditerranée.

Climatological winds over the equatorial Indian Ocean (EqlO) are westerly most of the year. Twice a year, in April-May ("spring") and October-December ("fall"), strong, sustained westerly winds generate eastward equatorial jets in the ocean. There are several unresolved issues related to the equatorial jets. They accelerate rapidly to speeds over lms"1 when westerly wind stress increases to about 0.7 dyne cm"2 in spring and fall, but decelerate while the wind stress continues to be westerly; each jet is followed by westward flow in the upper ocean lasting a month or longer. In addition to the semi-annual cycle, the equatorial winds and currents have strong in-traseasonal fluctuations. Observations show strong 30-60 day variability of zonal flow, and suggest that there might be variability with periods shorter than 20 days in the central EqlO. Observations from moored current meter arrays along 80.5°E south of Sri Lanka showed a distinct 15 day oscillation of equatorial meridional velocity (v) and off-equatorial zonal velocity (u). Recent observations from current meter moorings at the equator in the eastern EqlO show continuous 10-20 day, or biweekly, oscillations of v. The main motivation for the present study is to understand the dynamics of intraseasonal variability in the Indian Ocean that has been documented in the observational literature. What physical processes are responsible for the peculiar behavior of the equatorial jets? What are the relative roles of wind stress and large scale ocean dynamics? Does intraseasonal variability of wind stress force intraseasonal jets? What is the structure and origin of the biweekly variability? The intraseasonal and longer timescale variability of the equatorial Indian Ocean circulation is studied using an ocean general circulation model (OGCM) and recent in Abstract ii situ observations. The OGCM simulations are validated against other available observations. In this thesis, we document the space-time structure of the variability of equatorial Indian Ocean circulation, and attempt to find answers to some of the questions raised above. The main results are based on OGCM simulations forced by high frequency reanalysis and satellite scatterometer (QuikSCAT) winds. Several model experiments with idealized winds are used to interpret the results of the simulations. In addition to the OGCM simulations, the origin of observed intraseasonal anomalies of sea surface temperature (SST) in the eastern EqlO and Bay of Bengal, and related air-sea interaction, are investigated using validated satellite data. The main findings of the thesis can be summarized as: • High frequency accurate winds are required for accurate simulation of equatorial Indian Ocean currents, which have strong variability on intraseasonal to interannual time scales. • The variability in the equatorial waveguide is mainly driven by variability of the winds; there is some intraseasonal variability near the western boundary and in the equatorial waveguide due to dynamic instability of seasonal "mean" flows. • The fall equatorial jet is generally stronger and longer lived than the spring jet; the fall jet is modulated on intraseasonal time scales. Westerly wind bursts can drive strong intraseasonal equatorial jets in the eastern EqlO during the summer monsoon. • Eastward equatorial jets create a westward zonal pressure gradient force by raising sea level, and deepening the thermocline, in the east relative to the west. The zonal pressure force relaxes via Rossby wave radiation from the eastern boundary. • The zonal pressure force exerts strong control on the evolution of zonal flow; the decel eration of the eastward jets, and the subsequent westward flow in the upper ocean in the presence of westerly wind stress, is due to the zonal pressure force. • Neither westward currents in the upper ocean nor subsurface eastward flow (the ob served spring and summer "undercurrent") requires easterly winds; they can be gener ated by equatorial adjustment due to Kelvin (Rossby) waves generated at the western (eastern) boundary. • The biweekly variability in the EqlO is associated with forced mixed Rossby-gravity (MRG) waves generated by intraseasonal variability of winds. The biweekly MRG wave in has westward and upward phase propagation, zonal wavelength of 3000-4500 km and phase speed of 4 m s"1; it is associated with deep off equatorial upwelling/downwelling. Intraseasonal SST anomalies are forced mainly by net heat flux anomalies in the central and eastern EqlO; the large northward propagating SST anomalies in summer in the Bay of Bengal are due to net heat flux anomalies associated with the monsoon active-break cycle. Coherent variability in the atmosphere and ocean suggests air-sea interaction.

The linear Barotropic Non-Divergent simulation of a vortex on a beta plane is consistent with Willoughby’s earlier shallow-water divergent results in that it produced an unbounded accelerating westward and poleward motion without an asymptotic limit. However, Montgomery’s work which yielded finite linear drift speeds for his completely cyclonic vortex was inconsistent with ours. The nonlinearly-forced streamfunction exhibited a beta-gyre like structure, but with opposite polarity phase to the linear gyres. Utilization of the linear model with time-dependent, but otherwise beta-like, forcing revealed increasing magnitude and phase reversal in the neighborhood of a low cyclonic frequency. Here, the mean bounded vortex has an outer waveguide that supports Vortex Rossby Wave propagation that is faster than the mean flow and confined to a very narrow band of frequencies between zero and the Vortex Rossby Wave cutoff. The low frequency waves constitute the beta-gyre mode described previously by Willoughby.

The effects of a non-zero background state on atmospheric dynamics is explored through simple models and observations. Firstly, we examine the effects of moisture gradients on the stability and propagation of Rossby waves in a mid-latitude -plane. We begin by a consistent derivation of the forced quasi-geostrophic equations on a -plane to understand the constraints placed by geostrophy on the time scale of condensation. We see that the presence of meridional gradients of moisture results in a slowdown of the waves. On the introduction of zonal gradients of moisture, the waves become unstable, and for certain parameters which are representative of the real atmosphere, they propagate eastward and mature on an intra-seasonal timescale. The mechanism of the in hence of moisture on waves is understood by thinking of condensation as providing an \equivalent" potential vorticity (PV) gradient which opposes the dynamical PV gradient. Secondly, we look at the effects of a mean background ow on the Matsuno-Gill response in the spherical shallow water system. The mean ow is prescribed to resemble the climatological upper tropospheric zonal wind structure in the atmosphere. As the strength of the ow increases, the equatorially trapped Matsuno-Gill response rst transforms into a poleward propagating Rossby wavetrain. As the strength of the mean ow reaches values similar to that observed in the atmosphere, the stationary wave response becomes a zonally oriented quadrupole structure. This structure bears a striking resemblance to the observed upper level structure of the Madden-Julian oscillation (MJO). The time evolution of this quadrupole structure is quick enough to be relevant on MJO timescales, and the structure is quite robust across a range of values for the drag coefficient. Finally, we look at the role played by low frequency variability in the Pacific in the recent expansion of the Hadley cell. We find that the dominant effect of the low frequency variability is a stationary dispersive Rossby wavetrain extending from the tropical Paci. We further find that most of the observed expansion of the Hadley cell can be accounted for by this low frequency variability. We nd that large scale changes such as the changes in the equator-pole temperature gradient or midlatitude static stability need not be invoked to understand the observed expansion.

Thesis (Ph. D.)--Joint Program in Physical Oceanography (Massachusetts Institute of Technology, Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences; and the Woods Hole Oceanographic Institution), February 2013. / "February 2013." Cataloged from PDF version of thesis. / Includes bibliographical references (p. 175-184). / Efforts to monitor the ocean for signs of climate change are hampered by ever-present noise, in the form of stochastic ocean variability, and detailed knowledge of the character of this noise is necessary for estimating the significance of apparent trends. Typically, uncertainty estimates are made by a variety of ad hoc methods, often based on numerical model results or the variability of the data set being analyzed. We provide a systematic approach based on the four-dimensional frequency-wavenumber spectrum of low-frequency ocean variability. This thesis presents an empirical model of the spectrum of ocean variability for periods between about 20 days and 15 years and wavelengths of about 200-10,000 km, and describes applications to ocean circulation trend detection, observing system design, and satellite data processing. The horizontal wavenumber-frequency part of the model spectrum is based on satellite altimetry, current meter data, moored temperature records, and shipboard ADCP data. The spectrum is dominated by motions along a "nondispersive line". The observations considered are consistent with a universal [omega] -² power law at the high end of the frequency range, but inconsistent with a universal wavenumber power law. The model spectrum is globally varying and accounts for changes in dominant phase speed, period, and wavelength with location. The vertical structure of the model spectrum is based on numerical model results, current meter data, and theoretical considerations. We find that the vertical structure of kinetic energy is surface intensified relative to the simplest theoretical predictions. We present a theory for the interaction of linear Rossby waves with rough topography; rough topography can explain both the observed phase speeds and vertical structure of variability. The improved description of low-frequency ocean variability presented here will serve as a useful tool for future oceanographic studies. / by Cimarron James Lemuel Wortham, IV. / Ph.D.

La prévision d'intensité des cyclones tropicaux est un enjeu opérationnel majeur qui connaît encore de graves déficiences. Cette thèse vise à mieux comprendre les mécanismes d'intensification cyclonique en lien avec un thalweg d'altitude originaire des moyennes latitudes et à mettre en évidence le rôle des conditions initiales pour la prévision cyclonique. Une première étude climatologique définit un seuil objectif pour l'intensification rapide des cyclones dans le Sud-Ouest de l'océan Indien, caractérise la localisation et la fréquence des interactions cyclone-thalweg, tout en identifiant les configurations propices à l'intensification. Le cas de Dora (2007) est identifié pour simuler l'interaction grâce à un modèle numérique en assimilant les caractéristiques du cyclone dans une analyse globale. L'interaction cyclone-thalweg simulée est particulièrement complexe. Dans un premier temps, du tourbillon potentiel provenant du thalweg se superpose au coeur du cyclone en moyenne et en haute troposphère. Ensuite, un forçage dynamique induit une accélération de la circulation cyclonique tangentielle dans une région extérieure au mur de l'oeil principal, provoquant un cycle de remplacement du mur de l'oeil. Le modèle simule correctement les différentes phases d'intensification du cyclone, ce qui permet de relier l'intensification aux effets du thalweg sur le cyclone. Une deuxième étude numérique dans le Pacifique Nord-Ouest met en évidence le rôle de la structure initiale d'un cyclone sur la prévision de trajectoire et d'intensité. La prévision cyclonique future progressera en affinant la structure du coeur cyclonique spécifiée dans l'état initial de la prévision.

Le but de cette thèse est d'analyser plusieurs phénomènes de bord ouest de la Mer d'Arabie : (i) le cycle de vie d'un tourbillon de mésoéchelle persistant, le Great Whirl; (ii) la dynamique d'un écoulement d'eau dense (outflow) formée dans une mer adjacente, l'outflow du Golfe Persique; et (iii) une remontée d'eau profonde (upwelling) saisonnière dans la zone côtière d'Oman. Le point commun entre ces phénomènes est leur localisation sur un bord ouest océanique. Ils sont donc influencés par des forçages locaux (notamment les vents de mousson) et les forçages à distance (ondes de Rossby et tourbillons dérivant vers l'ouest). En particulier, ces derniers vont jouer un rôle particulier car la Mer d'Arabie est située à basses latitudes, ce qui implique une propagation rapide des ondes longues et tourbillons. De plus, des ondes sont continuellement excitées par le régime saisonnier des moussons. Nous avons mis au point des expériences numériques de différentes complexités en utilisant un modèle aux équations primitives. Ces expériences permettent soit de simuler de manière réaliste la dynamique complexe de la Mer d'Arabie, soit d'isoler un processus en particulier. Les résultats principaux peuvent se résumer comme suit : (i) le cycle de vie du Great Whirl est significativement impacté par les ondes de Rossby annuelles. Le rotationnel de la tension de vent joue un rôle important dans le maintien, le renforcement et la barotropisation du tourbillon. (ii) La dispersion de l'Eau du Golfe Persique (Persian Gulf Water, PGW) est déterminée par le mélange induit par les tourbillons de mésoéchelle. Précisément, ces tourbillons entrent dans le Golfe d'Oman (où se déverse la PGW), et interagissent avec la topographie. Ces interactions frictionnelles produisent des bandes de vorticité très intenses dans la couche limite de fond. Celles-ci sont arrachées et forment des tourbillons de sous-mésoéchelle. Ces tourbillons capturent de la PGW initialement située sur la pente continentale et la redistribuent dans le golfe d'Oman. Ce mécanisme donne finalement lieu à du mélange, permettant d'expliquer le gradient de salinité climatologique observé en profondeur. (iii) La dynamique de l'upwelling saisonnier au large d'Oman contraste fortement avec la dynamique des upwelling de bord est (Eastern Boundary Upwelling Systems, EBUS). En effet, les ondes de Rossby se propagent vers le large dans les EBUS et vers la côte dans l'upwelling de bord ouest d'Oman. Ces ondes modulent la réponse en température de l'upwelling forcé par le vent.Dans l'ensemble, ces résultats sont relativement spécifiques à la Mer d'Arabie. La faible extension zonale et la basse latitude de la Mer d'Arabie, ainsi que le régime de mousson des vents saisonniers en font une région particulière. La propagation rapide des ondes et tourbillons et leurs interactions avec le bord ouest façonnent les régimes de turbulence de la Mer d'Arabie. / This PhD aims to investigate some western boundary processes in the Arabian Sea : (i) the life cycle of the socalled Great Whirl, a persistent mesoscale eddy; (ii) the dynamics of the Persian Gulf outflow, a marginal sea dense outflow; and (iii) the seasonal Oman upwelling, a coastal upwelling forced by summermonsoonal winds. The cornerstone of all these phenomena is their locationat a western boundary, which makes then being influenced by both localforcing (e.g., monsoonal winds) and remote forcing (Rossby waves and wesward drifting eddies). Specifically, the later are expected to impact the western boundary dynamics since the low latitude of the Arabian Sea implies a fast westward propagation of long Rossby waves and eddies. Moreover, waves are continously excited by the reversing monsoonal winds. Based on a primitive equation model, we designed numerical experiments of different complexity that allowed to either realistically simulate the dynamics in the Arabian Sea or to isolate some processes.Major findings can be summarized as follows : (i) The Great Whirl life cycle is found to be significantly paced by annual Rossby waves, although the strong monsoonal wind stress curl is of major importance to sustain the structure. (ii) The Persian Gulf Water (PGW) spreading in the Gulf of Oman and the northern Arabian Sea can be explained by the stirring done by eddies entering the Gulf. These remotely formed surface intensifed mesoscale eddies propagate into the Gulf and interact with the topography. Frictional interactions produce intense vorticity strips at the boundary that detach and roll up in the interior, forming submesoscale coherent vortices (SCV). These SCV trap PGW initially located on the slope and redistribute it in the interior. This mechanism of transport ultimately produces mixing that explains the large-scale gradient of salinity in the gulf. (iii) We find that the dynamics of the seasonal upwelling of Oman contrasts with the more deeply studied Eastern Boundary Upwelling Systems (EBUS). In particular, Rossby waves, propagating offshore in EBUS vs. onshore in this western boudary upwelling, are found to modulate the wind driven upwelling and its sea surface temperature response.Overall, these results appear to be rather specific to the Arabian Sea. The short zonal extent and the low-latitude of the Arabian Sea, as well as the seasonally reversing wind forcing are the distinguishing features of this region. Fast waves and drifting eddies and their interactions with the western boundary significantly shape the turbulent regimes of the western Arabian Sea.

" Quels sont les pré-requis pour étudier l'influence du changement climatique simulé par les modèles couplés globaux de la génération actuelle sur le système d'upwelling du Pérou-Chili?" constitue la question centrale de cette thèse de doctorat. Grâce à une approche de downscaling (descente d'échelle) dynamique réalisé avec le modèle ROMS (Regional Oceanic Modelling System) pour une configuration au 1/6° de type eddy-resolving (cad qui permet de représenter les tourbillons mésoéchelle), nous espérons comprendre les processus qui vont contrôler les changements futurs de la circulation océanique dans cette région influencée par ENSO (El Niño-Oscillation Australe). Une étude des mécanismes physiques qui contrôlent la variabilité de type ENSO dans les simulations PI (pré-industrielles) réalisées avec les CGCMs (Modèles Couplés de Circulation Générale) de l'ensemble multi-modèle du WCRP-CMIP3 (les " modèles du GIEC ") permet d'identifier les modèles les plus fiables en termes de variabilité équatoriale. Elle est basée sur l'utilisation d'un modèle couplé intermédiaire du Pacifique tropical avec une stratification moyenne et un forçage de vent prescrits, afin de pouvoir dériver explicitement les termes d'advection du bilan de chaleur de la couche de mélange. Cette analyse permet de classifier les modèles en fonction de leur processus ENSO dominant: zonal advective feedback ou thermocline feedback. Les modèles au feedback hybride comme dans les observations représentent le mieux les processus couplés qui contrôlent la variabilité de la TSM, ce qui nous conduit à faire l'hypothèse que ce sont ceux qui fournissent les indices de confiance les plus élevés en termes de prédiction de l'évolution d'ENSO avec le réchauffement global. Parmi eux, deux CGCMs (IPSL-CM4 et INGV-ECHAM4) reproduisent le mieux l'état moyen ainsi que la variabilité intrasaisonnière à interannuelle de la température et des courants à la frontière Ouest du domaine du Pérou-Chili (100°W) et sont donc retenus pour des expériences de downscaling sur la région du HCS (Système de Courant de Humboldt). Les sorties océaniques des simulations PI et 4xCO2 (quadruplement de CO2) réalisées avec ces CGCMs sont utilisées directement comme conditions aux frontières ouvertes du modèle ROMS, tandis qu'un produit de vent haute-résolution (~50km) dérivé des CGCMs au moyen d'une méthode de downscaling statistique ainsi que les flux air-mer issus des CGCMs sont utilisés pour fournir le forçage atmosphérique. Par ailleurs, une simulation régionale de contrôle est réalisée à l'aide de ROMS avec des conditions aux frontières (réanalyse globale ORCA05 ½°) et un forçage atmosphérique (vents du satellite ERS et flux de la réanalyse atmosphérique globale ERA-40) réalistes sur la période 1992-2000. Cette simulation sert de référence pour les simulations de changement climatique régional. Elle permet notamment de documenter l'impact des ondes de Kelvin équatoriales intrasaisonnières sur la variabilité près de la côte, et illustrer ainsi l'importance du forçage à distance d'origine équatoriale pour la dynamique régionale du HCS. Nos résultats montrent en particulier que la latitude critique du modèle est située 5 à 15 degrés plus au sud que celle prédite par la théorie linéaire des ondes libres baroclines, surtout pour les oscillations autour de 120 jours. Le modèle régional présente une variabilité du large significative au sud de la latitude critique théorique, ce qui est également le cas dans les données satellite, soulignant ainsi les limites de la théorie linéaire dans le Pacifique Sud Est. De manière plus générale, ce travail propose une méthodologie pour effectuer des expériences de downscaling du changement climatique, qui constituent le lien nécessaire entre simulations du réchauffement global à l'échelle planétaire et études d'impact sur les écosystèmes, la pêche, l'agriculture et la société à l'échelle locale. Le travail contribue également à améliorer notre compréhension de certains mécanismes d'intérêt pour de telles études du changement climatique à l'échelle régionale.