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SelonMcWilliams[1985] etMcWilliams[1988], les SCVs pourraient être créés par un mélange diapycnal suivi d’un ajustement (cyclo-)géostrophique. L’hypothèse est séduisante puisque ces structures ont souvent été observées dans des zones présentant des phénomènes de convection profonde, comme en Méditerranée Nord-Occidentale. Pour étudier la formation de SCVs dans la simulation, on se focalisera sur l’épisode de convection de l’hiver 2008-2009. Des sorties horaires ont été réalisées pendant cette période afin de limiter le phénomène de lissage causé par le moyennage des variables dans les sorties du modèle. Les évènements menant à la formation des tourbillons d’eaux formées durant la phase de convection sont retracés chronologiquement à des intants clés par la figure5.7.

FIGURE 5.7 – Evolution temporelle à des instants importants de la formation des SCVs post-convection (1,2,3,4) de (D) le champ de température potentielle à 1800m de profondeur et de (E) le champ de vorticité relative sur l’isopycne 1029.1 kg.m−3. Sur la ligne D, le contour (ligne noire) de MLD supérieure à 2000m est superposé (critère : M LD = P rofρ=ρ(10m+0.01)). Sur la ligne E, les vecteurs gris représentent le champ

de vitesse sur l’isopycne 1029.1 kg.m−3. Les cercles (en rouge pour les cyclones et en bleu pour les anti- cyclones) représentent deux paires de tourbillons fomés simultanément. L’anticyclone noté A et le cyclone noté C seront décrits en détail par la suite. La zone grise est une zone où la hauteur de la colonne d’eau est inférieure à 1800m (bathymétrie). Les segments blancs montrent la position des coupes réalisées. Elles représentent (A) la température potentielle, (B) la salinité et (C) la vitesse orthogonale à l’axe de la coupe.

Après s’être approfondie progressivement sous l’effet des flux atmosphériques, la couche de mélange atteint la profondeur de 2000m le 11 février 2009 (fig. 5.7-1). La stratification de la colonne d’eau est alors très faible. Durant la phase de mélange vertical actif, des fronts de densité très intenses séparent la zone mélangée de la zone stratifiée qui l’entoure (fig. 5.7-2,3). Les isopycnes sont presque verticales autour de la zone de convection et sont maintenues dans cette position par les forçages atmosphériques. Lorsque ces derniers diminuent en intensité ou que le

front s’étend sur une hauteur trop importante, il commence à subir des instabilités baroclines. La colonne d’eau homogène tend alors à s’effondrer. La figure5.7-2, correspondant à la date du 16 février 2009, montre que le front développe des méandres de longueur d’onde approximativement égale à 10km alternant une vorticité relative intensément positive et intensément négative (|f | > 0.4f, f étant la vorticité planétaire). L’agrandissement de deux zones frontales représentées sur la figure5.7-2 permet de mieux observer le développement des méandres (fig.5.8).

FIGURE 5.8 – Champs de vorticité relative sur l’isopycne 1029.1 kg.m−3 le 16 février 2009 à 19h30. Il s’agit de deux agrandissements de zones frontales représentées sur la figure5.7(2) permettant de mieux apprécier le développement des méandres suite aux instabilités baroclines développées par le front.

FIGURE5.9 – Evolution de l’énergie potentielle disponible (APE en vert) et de l’énergie cinétique horizontale (KE en bleu) dans le domaine de calcul. Les dates 1,2,3 et 4 correspondent aux dates de la figure5.7.

La perturbation croît en intensité au fur et à mesure que l’énergie potentielle fournie au sys- tème par les forçages atmosphériques se convertit en énergie cinétique horizontale. Cette conver- tion est intrinsèque à l’instabilité barocline. La figure 5.9représente l’évolution de l’énergie po- tentielle disponible (APE pour available potential energy) dans le domaine de calcul. C’est la différence entre l’énergie potentielle totale contenue dans le système à un instant t et l’énergie potentielle minimale que pourrait contenir le système s’il se trouvait dans une configuration parfai- tement stratifiée horizontalement suite à une redistribution parfaitement adiabatique de sa masse (Lorenz[1954]). L’APE augmente régulièrement pendant l’hiver au fur et à mesure que la couche de surface se densifie et que la couche de mélange s’approfondit. Lorsqu’elle atteint un maxi- mum et que les forçages atmosphériques ne sont plus assez intenses pour la maintenir, elle se convertit rapidement en énergie cinétique via les instabilités baroclines.

Les figures 5.7-3 et 5.7-4 montrent que ce scénario conduit à la génération de tourbillons cycloniques et anticycloniques autour de la zone de convection. Il s’agit du début de la phase de restratification et d’export des eaux nouvellement formées.

Avant que la couche de mélange n’atteigne le fond de l’océan, une partie des eaux mélangées traverse la zone frontale par un phénomène de subduction et s’introduit dans un environnement stratifié. Elle développe alors une circulation anticyclonique par ajustement (cyclo)géostrophique qui l’isole du fluide environnant. En effet, au cours de cet ajustement, la colonne d’eau transfe- rée d’une couche de surface à un océan intérieur stratifié est aplatie et étirée latéralement. Par conservation de sa vorticité potentielle, elle développe alors une vorticité relative négative :

f hmix

= f + ζ hvortex

,

hmix étant la hauteur de la couche de mélange avant le phénomène de subduction et hvortex la

hauteur de la structure tourbillonnaire. Ce phénomène est cohérent avec celui décrit parSpall

[1995] et l’anticyclone A (fig.5.7-3) le représente bien. Le 19 février 2009 à 15 :30, il a commencé sa subduction sous le front et son centre se situe dans la zone stratifiée. Il se caractérise par une anomalie chaude et salée à 1800m dans une colonne d’eau qui présente une couche de mélange superficielle. Il correspond à un SCV anticyclonique avec un coeur de nWMDW. A la même date, on peut observer sur les coupes la présence d’une lentille froide (<12.7°C) à 300m de profondeur et au kilomètre 80 associée à une circulation anticyclonique. Il s’agit d’un SCV anticyclonique avec un coeur de WIW qui a été formé suivant le même phénomène appliqué à une couche de mélange moins profonde. Comme le représente une coupe du front au nord de la zone de convection (fig.5.10), une parcelle de WIW subit une subduction sous le front et développe une circulation anticyclonique.

Quant aux cyclones, il semble que leur formation soit liée à une couche de mélange qui atteint le fond. En effet, les deux cyclones détectés sur la figure5.7indiquent que leur coeur est situé au niveau d’une colonne d’eau dont la couche de mélange est supérieure à 2000m et présente une anomalie de température froide à 1800m. Dans un premier temps, et sous l’action des pertes de flottabilité en surface, la couche de mélange s’approfondit et atteint le fond de l’océan dans une colonne dense étroite et homogène (~plume). Dans un deuxième temps, le forçage tend principalement à refroidir la colonne d’eau qui développe une circulation cyclonique. Enfin, lorsque la colonne d’eau s’éffondre sous son poids et s’isole de la surface, le tourbillon devient cohérent et un SCV cyclonique présentant un coeur de nWMDW reposant au fond est formé.

FIGURE5.10 – Formation d’un tourbillon de submésoéchelle de WIW au nord de la zone de convection par subduction d’une parcelle d’eau sous le front. Une coupe de température potentielle (A) et de la vitesse orthogonale à la coupe (B) sont représentées.

Les SCVs ainsi formés se déplacent et transportent dans leur coeur des eaux aux caractéri- sitques similaires à celles de leur lieu de formation. En effet, une barrière dynamique induite par le champ de vitesse que génère ces tourbillons isole efficacement le coeur des eaux environ- nantes. Le schéma5.11résume la formation des trois types de SCVs contenant des eaux issues

du mélange vertical hivernal en Méditerranée Nord-Occidentale. Il est en accord avec les mo- dèles de structures tourbillonnaires décrites parFlierl[1979],Ikeda[1982] etMcWilliams[1985]. Il concorde également avec la formation des telles structures dans les simuations des cas idéalisés deAkitomo[2010]. Dans la suite de l’étude, on s’attardera sur les caractéristiques de chacun de ces SCVs.

FIGURE5.11 – Schéma de formation des SCVs suite à la convection en Méditerranée Nord-Occidentale.