A dual-station high frequency Wellen Radar (WERA), transmitting at 16.045 MHz, has been deployed along the Eastern Florida Shelf (EFS). From September 2004 to June 2005, a moored acoustic Doppler current profiler (ADCP) acquired subsurface current measurements within the radar footprint along the shelf break at 86-m depth. The shallowest ADCP bin located at 14-m depth is used as a comparison for the WERA surface measurements. The RMS differences range from 0.1 to 0.3 m s super -1 between the surface and 14-m depth, with good agreement over most of the period. Regression analyses indicate slopes near unity in the north-south (v-) component and approximately 0.5 for the east-west (u-) component velocities. Following validation of the HF radar surface current measurements, an assessment of the variability and character of eddies in the region is conducted for 2006. Optimal interpolation is utilized to create a uniform 45 km by 45 km grid of surface current data consisting of 1980 points in the inshore portion of the WERA domain. The Okubo-Weiss parameter is used to identify eddies as closed regions with values greater than a threshold of 2*10 super -8 s super -1. This method reveals a total of twenty-two eddy-like features over the year 2006. Given the asymmetric shape of the eddy regions, equivalent radii are computed as an estimate of eddy size with an annual average of 2.6 km. Eddy intensity is measured by maximum relative vorticity in the eddy region with an annual average of approximately 5f, where f is the local Coriolis parameter. Translational velocities are computed from the displacement of peak Okubo-Weiss parameter. This method tends to overestimate eddy speed given the shape-changing nature of the eddy regions. Nonetheless, the average translational velocity is 0.9 m s super -1 with a standard deviation of 0.4 m s super -1. Eddy tracks indicate a unique pattern in which eddies propagate inshore during the period of July to September and offshore during October to December related to position of the FC axis. The periodicity and spatial distribution of eddy events suggest that submesoscale eddy features are "wave-like" and centered along the strong topographical gradients between 200 to 600 m. By applying this methodology to other years of HF radar data, this statement can be tested with statistical confidence. In general, this study has shown the effectiveness of the Okubo-Weiss parameter in identifying eddy regions from a background field with large, ambient vorticity.

The equatorial Brazilian margin is seen as a new frontier of mineral resources exploration, such as the Ceará and Barreirinhas oil-gas blocks. Nevertheless its economic relevance and contribution to heat and mass transport from south to north hemisphere, the North Brazil Current (NBC) and North Brazil Undercurrent (NBUC) has very few information in terms of its multiple retroflections and recirculations and the accompanying temporal variability. There is no report of the NBC/NBUC system between 0º-3ºS. The Barreirinhas Bight, from 0º-2ºS, has dimensions and similar bathymetric configuration to those of the Potiguar Bight. The Potiguar Eddy discovery invites to speculate whether similar vortical feature exists in the northern bight. We employed quasi-synoptic VMADCP and CTD data from Brazilian Navy\'s cruise Oceano Norte 1 (June 2001) and a current meter mooring data ceded by PETROBRAS (2007). In order to expand the analyses spatially and temporally, we use the velocity, salinity and temperature fields from global HYCOM simulation reanalysis named Experiment 19.1 (from 2001 to 2009). We describe the morphometric and dimensionless parameters for each observed feature as it time variability with mean fields and event statistics. The EOF analysis was used to investigate the vertical patterns of variability and its relation to vortical features within the bight. The NBC/NBUC jet recirculates and shed within Barreirinhas Bight two type of eddies, the near-surface (in TW domain) and the pycnoclinic (in SACW domain) eddy. The near-surfac Recorrente geração e propagação de anticiclones na Bacia de Barreirinhas (NE-Brasil) e (pycnoclinic) eddy has 100 m (150 m) of vertical extent and a cross-shore radius of about 35 km (80 km). The shallower one is anisotropic with a alongshore radius of 80 km. They both occur mainly from March to August typically as 7-day recurrent events with higher number of events in May. The EOF calculation revealed us that the dominant patterns of variability are associated with current inversions compatible with the eddy structures which vary importantly in the vertical. These eddies are not stationary and they propagate westward and are destroyed while leaving the equatorial border of the bight. With a Rossby and Richardson number of O(1), a aspect ratio of O(10-3) and a Burger number O(10)-O(10²), they are hydrostatic, submesoscale features with vortical dynamics governed by relative vorticity. This is the first study of the NBC/NBUC jet within the Barreirinhas Bight and, thus, it is the first description for the Barreirinhas Eddies. / A margem equatorial brasileira tem sido vista como uma nova fronteira na exploração de recursos minerais marinhos, a exemplo da consessão dos blocos exploratórios do Ceará e Barreirinhas. Apesar da grande importância econômica e contribuição no transporte de massa e calor entre hemisférios, a Corrente Norte do Brasil (CNB) e a Subcorrente Norte do Brasil (SNB) são pouco estudadas em termos de suas múltiplas retroflexões e recirculações e sua variabilidade temporal. Não há nenhum estudo sobre o sistema CNB/SNB entre 0º-3ºS. A Bacia de Barreirinhas, entre 0º-2ºS, possui dimensões e configuração batimétrica muito similar à Bacia Potiguar e a recente descoberta do Vórtice Potiguar nos leva a especular se uma estrutura similar existe em seu domínio. Usamos dados quasi-sinóticos de ADCP e CTD do cruzeiro da Marinha do Brasil Oceano Norte 1 (Junho de 2001) e um fundeio correntográfico cedido pela PETROBRAS (2007). Para expandir espacialmente e temporalmente a análise, usamos os campos de velocidade, salinidade e temperatura da simulação global do HYCOM, a reanálise do experimento 19.1 (de 2001 a 2009). Nós descrevemos os parâmetros não-dimensionais e morfométricos para cada feição observada e a sua variabilidade temporal foi analisada através de campos médios e estatística de eventos. A análise de EOFs foi utilizada para investigar os padrões verticais de variabilidade e sua relação com estruturas vorticais dentro da bacia. O jato da CNB/SNB recircula a propaga vórtices dentro da Bacia de Barreirinhas em dois tipos de fenômenos, o de superfície (no domínio da Água Tropical) e o de nivel picnoclínico (no domínio da Água Central do Atlântico Sul). O vórtice de superfície (picnoclínico) tem 100 m (150 m) de extensão vertical e um raio normal à costa de 35 km (80 km). O mais raso é anisotrópico, com um raio paralelo à costa de 80 km. Ambos ocorrem principalmente entre março e agosto como eventos recorrentes de 7 dias de duração. O maior número de eventos ocorre em maio. O cálculo das EOFs revelaram que os padrões dominantes de variabilidade estão associados com as inversões de corrente compatíveis com a estrutura vertical dos vórtices. Como dito anteriormente, estes vórtices não são estacionários e estes se propagam para oeste, sendo destruídos quando interagem com a borda equatorial da bacia. Com um número de Rossby e Richardson de O(1), uma razão de aspecto de O(10-3) e um número de Burger entre O(10) e O(10²), estes vórtices são estruturas hidrostáticas, de submesoescala, com dinâmica governada pela vorticidade relativa. Este é o primeiro estudo do jato da CNB/SNB no domínio da Bacia de Barreirinhas e, assim, esta é a primeira descrição dos Vórtices de Barreirinhas.

Ce travail de thèse explore la dynamique à sousmésoéchelle sur le plateau continental du golfe de Gascogne. Dans la première partie, les caractéristiques des processus à sousmésoéchelle sur le plateau sont identifiées à l’aide de données satellites à haute résolution de température de surface de la mer issues du capteur MODIS. Une détection des fronts est réalisées à l’aide d’exposants de singularité, une approche récente pour identifier les irrégularités dans les champs de SST. Les résultats sont complétés par des simulations numériques à 2.5 km de résolution spatiale. Trois types principaux de fronts sont présentés : i) les fronts de marée le long de la côte et plus marqués dans la région d’Ouessant; ii) les fronts au niveau du talus continental liés à l’activité des ondes internes; iii) les fronts d’eaux dessalées aux limites des panaches de rivières en hiver. Dans la seconde partie, un modèle hydrodynamique réaliste du golfe de Gascogne a été mis en place. Cette configuration a une résolution spatiale de 1 km et 40 niveaux verticaux sigma. Un diagnostic est basé sur l’hypothèse que les processus à sousmésoéchelles résultent d’instabilités baroclines. L’énergie potentielle disponible est ainsi convertie en énergie cinétique tourbillonnaire avec des échelles temporelles O(1) jour ou moins grâce à ces processus. L’activité est plus intense dans la région d’Ouessant et les régions côtières en été. En hiver, ces processus ont une échelle temporelle O(1) jour (∼ 30 heures). Ces échelles temporelles sont un indicateur de la présence d’instabilités baroclines à sousmésoéchelle à proximité du panache. / This thesis explores the submesoscale dynamics in the Bay of Biscay continental shelf. In the first part, submesoscale features over the shelf are identified using remotely sensed high resolution sea surface temperature (SST) images by MODIS. Front detection is achieved through singularity exponents, a novel method of calculating irregularities on the SST fields, and an index for the frontal activity is generated. Results are complemented with 2.5 km horizontal resolution numerical simulations. Three main types of fronts are presented: i) tidal mixing fronts along the coast and most significantly in the Ushant region; ii) shelf break front related to internal tidal wave activity; iii) fresh water fronts along the edge of the river plumes in winter. In the second part, a realistic hydrodynamical model of Bay of Biscay is set up. The model has a 1 km horizontal resolution and 40 σ vertical layers. Diagnostics is based on the assumption that the submesoscale features in the upper ocean are the result of baroclinic instabilities. Available potential energy (APE) is then converted to eddy kinetic energy (EKE) in time scales in O(1) day or less through this process. Activity increases in the Ushant region and the coastal regions in summer, whereas, in winter, activity in the vicinity of the fresh water plumes dominates. In summer, EKE conversion time scale in this region is ∼ 5 days, which can be considered shorter than mesoscale. In winter, they have a time scale of O(1) (∼ 30 hours). This is an indicator that the submesoscale baroclinic instability is happening at the plume.

Nous étudions le rôle des processus océaniques à petite échelle dans la formation et transformation des eaux de surface et intermédiaires qui participent à l’échange Indo- Atlantique à travers le Bassin du Cap. La dynamique de cette région est caractérisée par une forte turbulence et nous montrons l’impact que les structures de méso- ou de sous-méso- échelle, leurs interactions dynamiques et leur variabilité saisonnière ont sur les eaux locales de la thermocline. Une série des simulations numériques, allant de ’eddypermitting’ à ’submesoscale resolving’, souligne l’importance d’une résolution verticale adéquate pour bien représenter les propriétés des masses d’eau.Les tourbillons de Aiguilles sont principalement générés par des instabilités baroclines, et sont caractérisés par une saisonnalité, liée aux différentes instabilités dans les couches supérieures. En été, les instabilités symétriques sont plutôt en jeu, tandis qu’en hiver les instabilités de la couche de mélange prédominent.L’instabilité barocline de Charney connecte ces deux régimes de la sous-méso-échelle et joue un rôle majeur dans la formation saisonnière d’un nouveau type d’eaux modales : l’Agulhas Rings Mode Water.Enfin, on montre que tant les cyclones que les anticyclones transportent et mélangent l’Antarctic IntermediateWater, l’étirement de la méso-échelle produisant des filaments et structures thermohalines très fines.Nos résultats suggèrent l’existence des deux régimes dynamiques qui affectent les couches supérieures et intermédiaires du Bassin du Cap. Près de la surface, la frontogenèse et une énergique sous-méso-échelle conduisent à un régime agéostrophique. Les profondeurs intermédiaires sont caractérisées par un régime quasi-géostrophique due à l’action prédominante de la méso-échelle. / This study addresses the role of oceanic small-scale processes in the formation and transformation of subsurface waters that participate in the Indo-Atlantic interocean exchange.We focus on the Cape Basin dynamics, characterized by a highly non-linear turbulence.We provide qualitative and quantitative evidence of the direct impact that meso- and submesoscale structures, their dynamical interactions and their seasonal variability have on the local thermocline and intermediate waters. A sequence of numerical simulations, ranging from ’eddy-permitting’ to ’submesoscale resolving’, underlines the importance of an adequate vertical resolution to correctly depict the water masses properties.We point out that Agulhas eddies are mainly generated through baroclinic instabilities and are marked by a clear seasonality. This is linked to the seasonal occurrence of distinct meso-submesoscale instabilities in the upper layers: symmetric instabilities are at play during summer, while mixed-layer instabilities prevail in winter.We also found that Charney baroclinic instability connects these two submesoscale regimes and plays a major role in the seasonal formation of a newly-identified type of mode waters: Agulhas Rings Mode Water. Finally, we show that eddies of both polarity advect, stir and mix Antarctic Intermediate Water, via the mesoscale strain field producing filaments and T-S fine-scale structures.Our results suggest the existence of two dynamical regimes affecting the upper and intermediate layers of the Cape Basin. Near the surface, the submesoscale-driven frontogenesis and their enhanced energetics lead to a predominance of ageostrophic dynamics. The intermediate depths are, instead, characterised by a quasigesotrophic regime due to the prevailing mesoscale effects.

Ce travail de thèse est une contribution à la description des signaux océaniques de fines échelles dans les tropiques, fines échelles objet de la futur mission altimétrique SWOT. Ces fines échelles spatiales concernent à la fois des phénomènes dits de méso et sous mésoéchelle, produits par la dynamique océanique (tourbillons, filaments) mais aussi des ondes internes (dont la marée barocline ou marée interne). Les fines échelles sont une source importante de mélange pour l'océan. La méso et sous mésoéchelle océanique traduisent une dynamique turbulente associée à des cascades d'énergie donnant lieu à des pentes spectrales sur des spectres en nombre d'onde de niveau de la mer ou d'énergie cinétique tourbillonnaire. Les pentes spectrales des spectres du niveau de la mer altimétrique sont calculées dans la bande 250-70 km, ces pentes sont très plates dans les tropiques. Par conséquence, elles sont en désaccord aussi bien avec les théories de la turbulence qu'avec les pentes des spectres du niveau de la mer des modèles numériques. Cette thèse vise à élucider ces désaccords dans le Pacifique tropical (20°S-20°N), en quantifiant les niveaux d'énergie et les longueurs d'onde relatives à la dynamique méso-échelle et aux ondes internes. L'importance de la marée interne dans les tropiques est illustrée dans le contexte régional de la mer des Salomon, où cette marée contribue à un fort mélange dans une zone de connexion entre la région subtropicale et la région équatoriale. La première partie de la thèse est une analyse spectrale 3D (fréquence, longueurs d'ondes zonales et méridiennes) de la dynamique tropicale à partir d'un modèle au 1/12°. La région équatoriale (10°N-10°S) se caractérise par une dynamique grande échelle zonale associée aux ondes équatoriales et une dynamique fine échelle (< 600 km) marquée par des mouvements préférentiellement méridiens en lien avec les ondes tropicales d'instabilité. Dans les régions non équatoriales (entre 10° et 20° de latitude) la fine échelle est davantage isotropique, concentrée dans la bande 300-70 km, et connectée à la grande échelle zonale par un continuum d'énergie traduisant l'importance de la cascade inverse. Les pentes des spectres en nombre d'onde de niveau de la mer relatives à la méso/sous-méso échelle des différentes régions sont curieusement proches des pentes théoriques typiques des moyennes latitudes,mais restent en désaccord avec celles issues des observations altimétriques. [...] / This thesis work contributes to our understanding of the fine scale oceanic signals in the tropics, that are the focus of attention for the future altimeter mission SWOT. These fine scales concern meso and submesoscale due to ocean dynamics (eddies, filaments) and internal waves such as the barocline or internal tide. Fines scales are important source of ocean mixing. Meso and submesoscale reflect turbulent dynamic associated with energy cascades giving rise to sea surface height or eddie kinetic wavenumber spectrum slope. The observed altimetric sea surface height spectral slope evaluated in the band 250-70 km are very flat in the tropics. They disagree with turbulence theories and with sea surface height spectral slope of the numerical model. This thesis aims to remove the ambiguity of this spectra flattening in the tropical Pacific (20°S-20°N) by quantifying energy levels and wavelengths related to mesoscale dynamics and internal waves. The importance of the internal tide in the tropics is then illustrated in a regional context in the Solomon Sea, where water mass mixing plays an important role in the connections between the subtropical region and the equatorial region. The first part of the thesis is based on a 3D spectral analysis (frequency, zonal and meridional wavelengths) of tropical dynamics from a 1/12° model. The equatorial region (10°N-10°S) is characterized by large zonal dynamics associated with equatorial waves and finer scale dynamics ( < 600 km) marked by preferentially meridional movements associated with tropical instabilities waves. In the non-equatorial regions (10°-20°NS) the finer scales are more isotropic and concentrated in the band 300-70 km, and are connected to the large zonal scales by an energy continuum reflecting the importance of the indirect cascade. The slopes of the modelled sea surface height wavenumber spectra over the meso/submesoscale band in the different tropical regions are curiously close to the QG/SQG theoretical spectra typical of mid latitudes, but the slopes disagree with those from altimetry observations. Including the high frequency internal waves in a 1/36° model forced by the barotropic tide shows that coherent (predictable) internal tide is the main contributor causing the flattening of the spectra in the tropics, and particularly the M2 first baroclinic mode. However, the contribution of the incoherent (non-predictable) tide dominates at scales below 70 km and still affects scales up to 200 km. [...]

La dynamique océanique, notamment dans les régions Australes, se caractérise par d'importantes fluctuations induites par les processus à mésoéchelle (tourbillons, 100-200km) et à sous-mésoéchelle (filaments, <50km). Ces processus sont connus pour stimuler fortement le développement du phytoplancton et avec lui l'ensemble de la chaine trophique. Toutefois les relations entre la distribution des proies et celle des prédateurs sont encore loin d'être bien connues pour la plupart des espèces marines. C'est en particulier le cas pour l'éléphant de mer austral (EDM) dont les proies souvent localisées à grandes profondeurs. Cette thèse s’est intéressée à étudier comment le comportement de plongée et de chasse des EDM est influencé par les variations à fine échelle de l'environnement. Une des originalités de cette thèse a été d’utiliser les mesures à très haute résolution récoltées par les éléphants de mer qui constituent un jeu de données 3-D in-situ unique à sous-mésoéchelle, puis de les combiner aux mesures satellites plus classiques de température et d'altimétrie. Ce travail a montré, pour la première fois à l’aide de données in-situ très haute résolution, l’importance des zones frontales à sous-mésoéchelle dans le comportement alimentaire d’un prédateur supérieur. De plus, elle a permis le développement d’une méthode originale d’identification des zones frontales à fine échelle et confirmé la pertinence de la méthode Quasi-Géostrophique de Surface (SQG) dans l’étude de la dynamique fine échelle, notamment dans les perspectives des futures missions spatiales à hautes résolutions (de type SWOT). / Ocean dynamics, especially in the southern ocean, are caracterized by strong fluctuation due to mesoscale (eddies, 100-200km) and submesoscale (filaments, <50km) processes. Theses processes are known to strongly stimulate primary production and with him the rest of the trophic chain. However, in marine ecosystems, relationship between prey and predator distribution remain challenging to understand. Such complexe link exist within the Southern Elephant Seal (SES) and their deep diving prey.This PhD worked to understand how the SES diving and foraging behaviour is impacted by submesoscale variation of the environment. Two original aspects of this work was first to use the very high resolution measurement from SES as an unique 3-D in-situ submesoscale dataset and then to combine it to, more classic, satellite temperature and altimetry measurement. This work showed, for the first time the in-situ impact of submesoscale frontal regions on one top predator foraging behaviour. Furthermore, during this study, an original method to identify fine scale frontal regions was developped. Finally, this PhD confirm the relevant use of the Surface Quasi-Geostrophic method in the study of fine scale dynamics, especially in the possibility of high resolution spatial missions (such as SWOT).

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.