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The complexity of numerical ocean circulation models requires careful checking with a variety of test problems. The purpose of this paper is to develop a test problem involving Rossby and gravity waves in a two-layer fluid in a channel. The goal is to compute very accurate solutions to this test problem. These solutions can then be used as a part of the checking process for numerical ocean circulation models. Here, Chebychev pseudo-spectral methods are used to solve the governing equations with a high degree of accuracy. Chebychev pseudo-spectral methods can be described in the following way: For a given function, find the polynomial interpolant at a particular non-uniform grid. The derivative of this polynomial serves as an approximation to the derivative of the original function. This approximation can then be inserted to differential equations to solve for approximate solutions. Here, the governing equations reduce to an eigenvalue problem with eigenvectors and eigenvalues corresponding to the spatial dependences of modal solutions and the frequencies of those solutions, respectively. The results of this method are checked in two ways. First, the solutions using the Chebychev pseudo-spectral methods are analyzed and are found to exhibit the properties known to belong to physical Rossby and gravity waves. Second, in the special case where the two-layer model degenerates to a one-layer system, some analytic solutions are known. When the numerical solutions are compared to the analytic solutions, they show an exponential rate of convergence. The conclusion is that the solutions computed using the Chebychev pseudo-spectral methods are highly accurate and could be used as a test problem to partially check numerical ocean circulation models. / Graduation date: 2012

A 48-layer version of the COMMA-LIM (Cologne Model of the Middle Atmosphere – Leipzig Institute for Meteorology) three-dimensional global mechanistic model of the Earth\'s atmosphere from 0 km to 135 km with logarithmic pressure height coordinates was developed. The model is capable of reproducing the global structures and propagation of different planetary waves in the middle atmosphere. The contribution of gravity waves, tides, Rossby and Kelvin waves into the zonally averaged momentum budget of the mesosphere / lower thermosphere region has been investigated. / Eine neue Version des COMMA-LIM (Cologne Model of the Middle Atmosphere – Leipzig Institute for Meteorology) wurde im Zusammenhang mit der Erhöhung der vertikalen Schichtauflösung entwickelt. Das COMMA ist ein dreidimensionales globales mechanistisches Modell der Erdatmosphäre mit einer Ausdehnung von ca. 0 – 135 km in logarithmischen Druckkoordinaten. Damit können globale Eigenschaften der mittleren Atmosphäre sowie die Ausbreitung verschiedener planetarer Wellen nachvollzogen werden. Die Beiträge der Schwerewellen, thermischer Gezeiten, Rossby und Kelvin Wellen zur zonal gemitteltem Impulsbalance der Mesosphäre und unteren Thermosphäre wurden untersucht.

L'objectif principal de cette thèse est l'étude de la connexion entre la variabilité dans l'océan Pacifique équatorial et la circulation de subsurface le long des côtes du Pérou et du Chili, à des échelles de temps interannuelles à décennales. Les diagnostiques menés dans ce travail se basent sur un modèle régional océanique. L'accent est mis sur l'interprétation de la propagation verticale de la variabilité dans les couches intermédiaires de l'océan, où l'on trouve une intense zone de minimum d'oxygène (OMZ ; de l'anglais Oxygen Minimum Zone), et la relation de cette propagation verticale avec les processus advectifs et diffusifs. La propagation verticale est diagnostiquée à travers le flux vertical d'énergie associé à la propagation verticale de l'onde de Rossby extratropicale (ETRW; de l'anglais Extra-Tropical Rossby Wave). Aux échelles de temps interannuelles, les résultats montrent que 80% du flux vertical d'énergie dans l'océan Pacifique Sud-Est (SEP ; de l'anglais South-Eastern Pacific) est associé aux événements El Niño extraordinaires. Ce flux d'énergie s'étend vers l'Ouest en suivant les rayons théoriques WKB, avec une pente plus prononcée au fur et à mesure que la latitude augmente. Les analyses du flux d'énergie mettent aussi en évidence l'existence d'une modulation du flux d'énergie interannuel à l'échelle décennale, qui serait liée aux fluctuations décennales et inter-décennales dans le Pacifique équatorial. Une décomposition de la stratification en modes verticaux montre que le flux d'énergie associé à El Niño et aux fluctuations décennales se projette sur les trois premiers modes baroclines, ce qui confirme l'interprétation du flux d'énergie comme la propagation de l'onde de Rossby. Des tests de sensibilité menés avec un modèle linéaire ajusté aux conditions de la simulation montrent que la propagation d'énergie verticale pendant les événements El Niño est aussi impactée par la contribution des modes baroclines supérieurs. La variabilité méridienne/verticale du flux d'énergie vertical met en évidence une atténuation de l'amplitude le long de la trajectoire de l'onde, ce qui est interprété comme un flux diffusif de chaleur induit par la dissipation de l'onde. La variabilité de subsurface de la circulation à l'échelle saisonnière est aussi étudiée dans cette région à travers la ventilation de l'OMZ. Les résultats montrent que la variabilité saisonnière de l'OMZ en dessous de 400 m de profondeur possède des caractéristiques de propagation similaires à celles du flux d'énergie associé à l'ETRW annuelle, ce qui indique que l'ETRWpourrait influencer la variabilité de l'OMZ profonde, du moins à l'échelle saisonnière. Au-dessus de 400 m de profondeur, le processus dominant qui influence la ventilation de l'OMZ à l'échelle saisonnière est le transport d'oxygène par les tourbillons de méso-échelle. Dans ce travail, nous mettons en évidence la nature complexe de la variabilité de la circulation de subsurface dans le SEP. Nous montrons en particulier la connexion entre la circulation sous la thermocline extratropicale et les modes climatiques de variabilité du Pacifique équatorial. / The oceanic circulation in the subthermocline of the South Eastern Pacific remains poorly documented although this region is thought to play a key role in the climate variability owed to, in particular, the presence of an extended oxygen minimum zone (OMZ) that intervenes in the carbon and nitrogen cycle. The subthermocline in this region is also largely unmonitored and historical estimates of ocean heat content are mostly limited to the upper 500 m. In this thesis we document various oceanic processes at work in the subthermocline based on a regional modeling approach that is designed to take in account the efficient oceanic teleconnection from the equatorial region to the mid-latitudes, in particular at ENSO (El Niño Southern Oscillation) timescales. The focus is on two aspects: (1) the seasonality of the turbulent flow and its role in modulating the OMZ volume off Peru, and (2) the planetary wave fluxes associated with interannual to decadal timescales. It is first shown that the vertical energy flux at interannual timescales can be interpreted as resulting from the vertical propagation of extra-tropical Rossby waves remotely forced from the equatorial region. This flux primarily results from extreme Eastern Pacific El Niño events, despite that a significant fraction of interannual Sea Surface Temperature (SST) variability in the tropical Pacific is also associated with Central Pacific El Niño events and La Niña events. Vertically propagating energy flux at decadal timescales is also evidenced in the model, which, like for the interannual flux, is marginally impacted by mesoscale activity. On the other hand, the wave energy beams experience a marked dissipation in the deep-ocean ( 2000 m) which is interpreted as resulting from vertical diffusivity. While the oxygen field within the OMZ appears to be influenced by the vertical propagation of isopycnals height anomalies, induced by the seasonal Rossby waves, the seasonality of the OMZ is shown to be dominantly associated with the seasonal change in the eddy flux at its boundaries. Implications of the results for the study of both the low-frequency variability of the OMZ and the Earth's energy budget are discussed.

This study concerns on trapped Rossby waves and local Rossby wave packets in zonal basic flows with two or more prominent extreme values (so called multiple-jet flows). For simplicity, most of the calculations are performed on the f-plane, but an extension to the ß-plane is also discussed. Under the assumption that the basic fiow is a solution to a special type of second order ordinary differential equation, we show that then the amplitudes of stationary trapped Rossby waves are solutions to an equation of the same type. We investigate the occurrence of trapped modal waves as well as the rays of wave action radiation in a particular multiple-jet flow. Further we consider the development of the local wavenumbers of Rossby wave packets in such a flow, with and without a zonally oriented reflective boundary. lt is found that wave action can propagate in the zonal direction only when the boundary is present. Otherwise the rays of wave action radiation form a closed curve. / Diese Studie beschäftigt sich mit gefangenen Rossby Wellen und lokalen gefangenen Rossbywellenpaketen in einer zonalen Strömung mit zwei oder mehreren ausgeprägten Extrema (sog. Strömungen mit mehrfachen Jets). Der Einfachheit halber werden die meisten Berechnungen auf der f-Ebene angestellt, eine Erweiterung auf die ß-Ebene wird allerdings auch diskutiert. Wenn man annimmt, dass der Grundstrom die Lösung einer bestimmten gewöhnlichen Differentialgleichung zweiter Ordnung ist, kann man zeigen, dass die Amplituden gefangener Wellen Lösungen des gleichen Gleichungstypes sind. Wir betrachten die Bedingungen für das Auftreten gefangener modaler Wellen, als auch die Pfade der Wellenenergie-Abstrahlung in einer bestimmten Mehrfach-Jet-Strömung. Ferner untersuchen wir die Entwicklung der lokalen Wellenzahlen von Wellenpaketen in einer solchen Strömung, mit und ohne eines zonal orientierten reflektierenden Randes. Wir finden, dass sich Wellenenergie auf der f-Ebene nur dann in zonaler Richtung ausbreiten kann, falls eine solcher Rand vorhanden ist. Anderenfalls ergeben die Strahlen der Wellenenergie Ausbreitung eine geschlossene Kurve.

Les différents projets présentés dans cette thèse contribuent à la compréhension de plusieurs aspects clés de la circulation océanique. Le premier aspect que nous étudions porte sur les processus physiques à l'origine du mélange lié à la marée; deux processus ont été mis en évidence. Depuis la latitude critique vers l'équateur, la marée interne transfert son énergie à des ondes plus petite échelle via des instabilités triadiques résonnantes impliquant les ondes proche inertielles. Depuis la latitude critique vers le pôle, les ondes de marée interne continuent de transférer leur énergie à des ondes plus petite échelle, mais étonnamment ce transfert se fait entre la marée interne et des ondes évanescentes.Dans la deuxième étude, nous étudions l'effet d'un courant moyen sur la propagation et la dissipation des ondes de marée interne, générées à la topographie dans des simulations haute résolution. Dans ce cas, la dépendance en latitude de la dissipation de la marée interne est plus lisse et plus proche d'une constante. Ce changement de la dépendance en latitude peut être lié au décalage des fréquences des ondes de marée interne par effet Doppler, ce qui induit la génération d'ondes secondaires plus petite échelle.Dans la troisième étude, nous étudions l'effet d'une perturbation générée en amont sur la circulation dans le bassin amont dû à l'interaction entre la perturbation et un seuil hydrauliquement contrôlé. Les ondes de Kelvin et topographiques de Rossby, générées par une variation de l'afflux d'eau dans le bassin amont, perturbent l'écoulement au dessus du seuil et ainsi l'export d'eau. Cette perturbation est due à la réfraction des ondes sur le seuil à chaque passage, une fois qu'elles ont fait le tour du bassin amont. / The various projects presented in this thesis contribute to our understanding of various key aspects of the oceanic circulation. The first aspect that we investigate is the physical processes responsible for this tidal mixing, and we identify two processes. Equatorward of the critical latitude, internal tides transfer their energy to smaller-scale waves via triadic resonant instabilities involving near-inertial waves. Poleward of the critical latitude, internal tides still transfer energy to smaller-scale waves, but surprisingly this transfer takes place between the internal tide and evanescent waves.In the second study, we investigate the effect of a mean current on the propagation and the dissipation of internal tides generated at the topography in high-resolution simulations. In that case, the latitudinal dependence of the tidal energy dissipation is found to be smoother and closer to a constant. This change in the latitudinal dependence can be linked to the Doppler shift of the frequency of the internal tides, which impacts the generation of smaller-scale secondary waves.In the third study, we study the effect of an upstream disturbance on the upstream circulation by interaction with a hydraulically controlled sill. The Kelvin and topographic Rossby waves, generated by a change in the upstream inflow, perturb the flow through the channel and hence the water export. This perturbation is due to the refraction of the waves at the sill at each passage, once they go around the upstream basin.

Approved for public release, distribution is unlimited / This study examines Southern Hemisphere mid-latitude wave variations connected to the Antarctic Oscillation (AAO) to establish connections with the 15- to 25-day wave activity in the western North Pacific monsoon trough region. The AAO index defined from the leading empirical orthogonal functions of 700 hPa height anomalies led to seven distinct circulation patterns that vary in conjunction with the 15- to 25-day monsoon trough mode. For nearly one half of the significant events the onset of 15- to 25-day monsoon trough convective activity coincided with a peak negative AAO index and the peak in monsoon trough convection coincided with a peak positive index. The remaining events either occur when the AAO is not significantly varying or when the AAO-related Southern Hemisphere mid-latitude circulations do not match 15- to 25-day transitions. When a significant connection occurs between the Southern Hemisphere mid-latitude circulations related to the AAO and the 15- to 25-day wave activity in the western North Pacific monsoon trough, the mechanism is via equatorward Rossby-wave dispersion. When wave energy flux in the Southern Hemisphere is directed zonally, no connection is established between the AAO and the alternating periods of enhanced and reduced convection in the western North Pacific monsoon trough. / Captain, United States Air Force

L'objectif de cette thèse a été d'analyser la dynamique de l'interaction entre les ondes baroclines (ou rail des dépressions) et la variabilité basse fréquence de l'atmosphère aux moyennes latitudes. Deux approches distinctes ont été suivies pour étudier le rôle des déferlements d'ondes baroclines sur les courants-jets, l'une reposant sur les données réanalysées et l'autre sur des simulations numériques. La première partie de la thèse a plus précisément consisté à étudier le lien entre les déferlements d'ondes de Rossby et les quatre régimes de temps sur l'Atlantique Nord en hiver en utilisant les réanalyses ERA40. Le calcul des fréquences d'occurrence des déferlements d'ondes a montré que ceux-ci tendent généralement à renforcer les régimes sauf le blocage scandinave qui est détruit par du déferlement cyclonique au sud du Groenland. Ensuite, les précurseurs des transitions entre régimes de temps ont été identifiés. Le premier précurseur est relié à la propagation linéaire d'anomalies basse fréquence (période supérieure à 10 jours). Ce précurseur n'est pas systématique mais il survient durant la transition du régime zonal vers le blocage environ une semaine avant ce dernier où il prend la forme d'un train d'ondes quasi-stationnaire excité par des anomalies convectives dans l'Atlantique subtropical. Le second précurseur plus systématique intervient au niveau des interactions non-linéaires entre les tourbillons transitoires haute et basse fréquences et a pu être relié aux déferlements d'ondes. La formation et la destruction du blocage scandinave ont ensuite été plus particulièrement étudiées en analysant respectivement les transitions préférentielles du régime zonal au blocage et du blocage vers l'anticyclone groenlandais en lien avec les dépressions de surface et les déferlements d'ondes. Les dépressions de surface atteignent les mêmes intensités pendant la formation et la destruction du blocage mais ne suivent pas les mêmes trajectoires. Pendant la formation du blocage, les dépressions de surface ont des trajectoires rectilignes se dirigeant vers le nord de la Scandinavie et sont liées à un déferlement anticyclonique. Pendant la destruction du blocage, les trajectoires des dépressions de surface sont courbées sur l'Atlantique Nord en direction du Groenland et sont reliées à du déferlement cyclonique qui favorise ainsi l'apparition de l'anticyclone groenlandais. Notre analyse suggère que cette différence de comportement provient de la forme de l'écoulement basse fréquence qui n'est pas le même pendant la formation et la destruction du blocage et qui favorise un certain type de déferlement plutôt qu'un autre. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons analysé le lien entre les températures de surface de la mer (SSTs) et le comportement du rail des dépressions avec le modèle de circulation générale de l'atmosphère Arpège-Climat en mode aquaplanète pour mieux comprendre les téléconnexions telles que l'Oscillation Arctique et/ou l'Oscillation Nord-Atlantique d'un point de vue idéalisé. / This thesis aims at analyzing the dynamics of the interaction between baroclinic waves (stormtrack) and the atmospheric low-frequency variability at midlatitudes. Two different approaches have been followed to study the impact of baroclinic wave breakings on jet-streams, one using reanalysis data and the other numerical simulations of a climate model. The first part of the PhD dealt with the link between Rossby wave breakings and the four weather regimes over the North Atlantic in winter using ERA40 reanalysis. The calculation of wave breaking frequencies showed that wave breakings tend to reinforce weather regimes except the Scandinavian blocking which is destroyed by cyclonic wave breaking south of Greenland. Then, precursors of weather regime transitions have been identified. The first precursor is linked to the linear propagation of low-frequency anomalies (period greater than ten days). This is not a systematic precursor but it occurs during the zonal to blocking transition about one week before this latter and is related to a quasi-stationary wave train excited by convective anomalies in the North Atlantic subtropics. The systematic second precursor is related to non-linear transient eddy interactions and has been linked to Rossby wave breakings. The link between the surface cyclones, Rossby wave breakings and the formation and decay of the Scandinavian blocking has been more precisely studied through the preferential transitions from the zonal weather regime to the blocking and from the blocking to the Greenland anticyclone. During the formation and decay of the blocking, surface cyclones reach the same intensities but do not follow the same trajectories. During the blocking formation, surface cyclones follow straight trajectories toward the north of Scandinavia and are linked to an anticyclonic wave breaking. Whereas during the blocking decay, surface cyclones trajectories are curved over the North Atlantic toward Greenland and are linked to a cyclonic wave breaking favouring the Greenland anticyclone formation. Our study suggests that this difference of behavior comes from the shape of the low-frequency flow which is not the same during the formation and the decay of the blocking and which can favour a particular type of wave breaking rather than another. The second part dealt with the link between sea surface temperatures (SSTs) and the storm-track in the atmospheric general circulation model Arpège-Climat in aquaplanet mode to better understand teleconnections such as the Arctic Oscillation and/or the North Atlantic Oscillation from an idealized point of view. We performed a sensitivity analysis of the eddy-driven jet variability to various stationary SST profiles.

A resposta oceânica a perturbações com períodos e comprimentos significativamente maiores que o período inercial e que o raio de deformação de Rossby se dá na forma de ondas de Rossby planetárias. Geralmente, as perturbações são atribuídas a variações no rotacional do vento via bombeamento de Ekman. A passagem dessas ondas causa deformação das isopicnais, podendo resultar em anomalias da temperatura da superfície do mar (TSM) por advecção vertical. Dependendo de como ocorre a interação ar-mar, anomalias de TSM podem alterar o campo de ventos ou serem alteradas por ele através de fluxo de calor. Este trabalho utiliza dez anos de dados de temperatura da superfície do mar, velocidade e direção dos ventos e anomalia da altura do mar obtidos por satélites para identificar regiões do oceano onde há forçamento direto do vento na geração de ondas planetárias que se propagam linearmente. Mapas de correlação cruzada entre essas variáveis permitiram identificar onde a interação entre o oceano e a atmosfera é linear. Um modelo simples de uma camada e meia forçado apenas pelo bombeamento de Ekman foi utilizado para testar se, nestas regiões, a variabilidade atmosférica seria suficiente para explicar a variabilidade das ondas de Rossby estimadas pelos dados altimétricos. A interação entre a TSM e a intensidade do vento no Atlântico sul tropical é distinta das demais bacias oceânicas. Das correlações entre a TSM e o rotacional da tensão de cisalhamento do vento, observou-se que a dinâmica de Ekman não é marcante no Índico. Nas regiões tropicais do Atlântico e do Pacífico, as previsões do modelo foram similares às observações. Por fim, foram obtidas evidências de geração e retroalimentação de ondas planetárias nas bordas leste do Atlântico e do Pacífico. / Rossby waves are the ocean response to perturbations whose temporal and spatial scales are significantly longer than both the inertial period and the Rossby radius of deformation. These perturbations are, more often than not, attributed to variations in the wind stress curl {\\em via} Ekman pumping. The waves cause isopycnal displacement which due to vertical advection may result in sea surface temperature (SST) anomalies. Depending on the ocean--atmosphere interaction, SST anomalies can either change the wind field or be changed by it due to the heat flux. This study makes use of ten years of satellite derived SST, wind vector, and sea surface height anomaly data to identify regions where there is direct wind forcing of linear Rossby waves. Cross-correlation maps between these variables show where linear interactions occur. A simple 1½ layer model forced by Ekman pumping was used to check if, in those regions, atmospheric variability alone can explain the observed Rossby wave variability as estimated from radar altimeter data. The interaction between SST and wind magnitude in the South Atlantic is distinct from all other ocean basins. SST and wind stress curl correlations show that the Ekman dynamics is not dominant in the Indian Ocean. In the tropical Atlantic and Pacific the model predictions are similar to the observations. Finally, evidence of genesis and feedback of planetary waves is presented for the eastern boundaries of the Atlantic and Pacific oceans.