Modélisation numérique de la marée interne : Contrôles hydrauliques et topographiques

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.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)