Modélisation multi-échelle du détroit de Gibraltar et de son rôle de régulateur du climat méditerranéen

The Strait of Gibraltar (SoG) is a narrow and shallow channel that forms the primary connection between the Mediterranean Sea and the global Ocean. This oceanic pathway is home to tremendous exchanges of water masses, closing the Mediterranean thermohaline and biogeochemical balances. Despite the broad impacts of these exchanges on the Mediterranean Sea, various mechanisms at play within the SoG and their influence on the Mediterranean climate remain, so far, unclear. This PhD investigates tidal and fine-scale processes at the SoG, their relevance to the Mediterranean climate, and their representation in numerical models. To do so, we rely on two numerical models of the Mediterranean region, providing different perspectives on the SoG and its large-scale influence. The first one is an ocean model, used in stand alone mode and characterized by high-resolution at the SoG, allowing us to investigate fine-scale and non-linear mechanisms within the strait. The second one, developed in the scope of this PhD, is a fully-coupled regional model of the Mediterranean region, with refinement capacity at the SoG and explicit or parameterized tides. It allows us to build a hierarchy of numerical simulations that aims at isolating the respective and combined influences of tidal and fine-scale processes at the strait on the Mediterranean Sea and overlying atmosphere. We first focus on understanding the mechanisms driving tide-induced water mass transformations across the SoG, so-called tidal mixing. We show that tidal mixing relies on fine-scale dynamics, forced by the interaction of tidal currents with the abrupt topography of the strait. More specifically, the mixing is driven by a periodic enhancement of vertical shear near the seafloor and a weakening vertical stratification in the vicinity of topographic obstacles, where tidal convergence and divergence patterns feed recirculation cells. Then, we show that tidal and fine-scale processes within the strait significantly influence Mediterranean hydrography, particularly for salinity, ultimately modulating the Mediterranean deep convection. In this way, local processes at the SoG indirectly affect the hydrography of intermediate and deep water masses as well as long-term hydrographic trends over deep layers. For the first time to our knowledge, we reveal that these processes also impact on the atmosphere. Specifically, in the summertime, tidal mixing at the SoG moderately cools and dries the near-surface atmosphere. Ultimately, this drives a moderate decrease in cloudiness over the Sea and coastal areas and a decrease in precipitation over the western Mediterranean region. Finally, we investigate a tidal mixing parameterization for coarse-resolution non-tidal models of the Mediterranean Sea. We show that the parameterization reproduces remarkably well the main characteristics of the water mass transformations across the strait, but further developments are needed to parameterize tidal advection mechanisms. Overall, these results highlight that both explicit tides and kilometric resolution at the SoG should be included in numerical models of the Mediterranean Sea for use over decadal time-scales. When this is not possible, parameterizations should be used. This works provides a first step in this direction.Le détroit de Gibraltar (DdG) est un chenal étroit et peu profond constituant la principale connexion entre la mer Méditerranée et l'océan global. Cette "passerelle" maritime est le siège de considérables échanges de masses d'eau, fermant les équilibres thermohalins et biogéochimiques de la Méditerranée. Malgré les larges impacts de ces échanges sur la mer Méditerranée, les différents mécanismes en jeu dans le DdG et leur influence sur le climat méditerranéen restent, jusqu'à présent, peu clairs. Cette thèse étudie les mécanismes de marée et de fine-échelle en jeu dans le DdG, leur pertinence pour le climat méditerranéen et leur représentation dans les modèles numériques. Pour ce faire, on s'appuie sur deux modèles numériques de la région méditerranéenne, offrant différentes perspectives sur le DdG et son influence à grande échelle. Le premier est un modèle océanique, utilisé en mode forcé et caractérisé par une haute résolution au DdG. Il nous permet d'étudier les mécanismes de fine échelle dans le détroit. Le second modèle, développé dans le cadre de cette thèse, est un modèle régional de la Méditerranée entièrement couplé, avec une capacité de raffinement au DdG et des marées explicites ou paramétrisées. Il nous permet de construire une hiérarchie de simulations numériques visant à isoler les influences respectives et combinées des processus de marée et de fine échelle au détroit sur la mer Méditerranée et l'atmosphère environnante. Nous nous concentrons d'abord sur la compréhension des mécanismes contrôlant la transformation des masses d'eau traversant le détroit (appelé mélange de marée ci-après). Nous montrons que le mélange de marée repose sur de fines structures dynamiques, forcées par l'interaction des courants de marée avec la topographie abrupte du détroit. Plus précisément, le mélange est causé par une intensification périodique du cisaillement vertical près du plancher océanique et un affaiblissement de la stratification verticale à proximité des obstacles topographiques, où des zones de convergence et de divergence induites par la marée alimentent des cellules de recirculation. Ensuite, nous montrons que les processus de marée et de fine échelle à l'intérieur du détroit influencent significativement l'hydrographie de la Méditerranée, en particulier sa salinité, modulant à terme la convection profonde en mer Méditerranée. Ainsi, les processus locaux au DdG affectent indirectement l'hydrographie des masses d'eau Méditerranéennes intermédiaires et profondes ainsi que les tendances hydrographiques à long terme sur les couches profondes. Pour la première fois à notre connaissance, nous révélons que ces processus ont également un impact sur l'atmosphère. Plus précisément, en été, le mélange des marées au niveau du SoG refroidit et assèche modérément l'atmosphère proche de la surface. A terme, cela entraîne une diminution modérée de la nébulosité sur la mer et les zones côtières et une diminution des précipitations sur la région de la Méditerranée occidentale. Enfin, nous étudions une paramétrisation du mélange de marée pour les modèles de la mer Méditerranée à basse résolution et sans marée. Nous montrons que la paramétrisation reproduit remarquablement bien les principales caractéristiques des transformations de la masse d'eau au travers du détroit. Cependant, des développements supplémentaires sont nécessaires pour paramétrer les mécanismes advectifs de marée. Dans l'ensemble, ces résultats soulignent que les modèles numériques de la mer Méditerranée utilisés sur des périodes décennales devraient inclure à la fois des marées explicites et une résolution kilométrique au DdG. Lorsque cela n'est pas possible, des paramétrisations devraient être utilisées. Ce travail fait un premier pas dans cette direction