Littérature scientifique sur le sujet « Ecoulement topographique »

Les fonds marins exercent un contrôle majeur sur la circulation océanique. La représentation discrète de la topographie dans les modèles de circulation générale océanique (OGCM) géopotentiels crée des marches artificielles qui produisent des effets néfastes pour la simulation des courants. Cette thèse vise à établir des solutions adaptées pour résoudre les effets adverses des marches dans les OGCM. A partir de configurations idéalisées et en explorant le potentiel de la méthode de Pénalisation des Volumes de Brinkman (BVP), nous étudions la sensibilité des courants simulé aux frontières en marche d'escalier. Il est montré comment résoudre le 'spurious form drag' latéral (ou le 'staircase problem') mis en évidence par Adcroft et Marshall (1998). Les côtes (ainsi que les isobathes) représentées par des séries de marche deviennent lisses lorsqu'une condition miroir (glissement) est exactement appliquée sur l'écoulement à la côte. La formulation de la condition de glissement dans l'advection exprimé en 'flux-form' ou dans le tenseur visqueux symétrique produit dans le modèle du 'non-glissement' sur une topographie en marche d'escalier. Il est montré que la condition limite visqueuse doit changer le long des contours afin de simuler la rétroflexion du courants à un cape. Afin devenir insensible à la topographie en marche d'escalier, les modèles numériques devraient idéalement être physiquement convergés (c'est-à-dire que les caractéristiques principales de l'écoulement ne sont pas affectées par l'augmentation de la résolution spatiale en conservant les paramètres de viscosité et de friction constants). Il est montré que cette convergence peut être atteinte à une résolution plus faible en résolvant l'advection discrète des moments à l'aide de schémas utilisant un stencil élargi. On montre dans un overflow idéalisée l'impact de la résolution discrète de la quantité de mouvement sur la précision des écoulements le long des pentes en marche d'escalier. La méthode de BVP permet d'étaler l'interface terre-océan en définissant des cellules poreuses qui sont à moitié terre et à moitié océan. Étaler ainsi l'interface lisse les courants et réduit considérablement la diffusion numérique pendant la descente. Il est montré que la stabilité numérique de la méthode BVP peut être assurée en étalant suffisamment la frontière poreuse, et en ajustant de manière cohérente la perméabilité (friction dans les cellules poreuses). Les résultats soulignent le potentiel de la méthode BVP pour la meilleure représentation des courants le long des topographies dans les OGCM
The seafloor exerts a major control on ocean circulation. The discrete representation of marine topography in geopotential Ocean General Circulation Models (OGCMs) creates artificial steps that have adverse effects on the simulated circulation. This thesis aims at finding suitable ways to address the adverse effects of stepped topography in z-coordinate OGCMs. Using idealized configurations and exploring the potential of the Brinkman Volume Penalisation (BVP) method, we investigate the sensitivity of modelled currents to the presence of artificial steps along model boundaries. We first address the spurious lateral form drag (or textit{staircase problem}) highlighted by Adcroft and Marshall (1998). We show that staircase-like coastlines (and isobaths) behave as smooth boundaries when applying a textit{true} mirror condition on the boundary flow. The discrete implementation of free-slip using flux-form advection and a symmetric viscous stress tensor actually corresponds to no-slip along stepped topography. The choice of viscous boundary condition should vary with location to capture the retroflection of boundary currents at capes. To become insensitive to stepped topography, numerical models should ideally achieve physical convergence (i.e. the main characteristics of the flow are not affected by increasing spatial resolution while keeping viscous and frictional parameters constant). This convergence can be attained at lower resolution with a careful treatment of discrete momentum advection involving a large stencil. We highlight the impact of momentum advection schemes on the fidelity of simulated downslope currents within an idealised overflow configuration. The BVP method allows to spread the land-ocean interface, by introducing porous cells that are half-land half-ocean. We find that this spreading allows to smooth bottom currents and to reduce spurious mixing during downslope flow. The numerical stability of the BVP can be guaranteed by sufficient spreading of the boundary and by defining permeability (friction within porous cells) in a consistent way. The results underscore the potential of the BVP method to better represent flows along topography in OGCMs

La condition superieure absorbante et la condition superieure radiative ont ete examinees dans la simulation numerique des ondes orographiques. Nous constatons que la premiere condition, bien que permettant de simuler les ecoulements perturbes, n'est pas tres satisfaisante du fait de la sensibilite de la couche absorbant aux facteurs qui la definissent et egalement du fait de la resonance du modele. Quant a la seconde, elle permet d'exclure les insuffisances constatees avec la premiere, et fournit des resultats satisfaisants. L'influence de la complexite du terrain sur les ecoulements perturbes est liee etroitement a la valeur et a la variation verticale du parametre de scorer. Les conditions dynamiques de formation des precipitations orographiques liees aux fronts froids a ete egalement etudiee. Ce sont les zones statiquement instables formees par advection differentielle qui declenchent les precipitations en amont du relief, et non pas en raison de l'ascendance foree par la montagne. En l'absence de precipitations, l'humidite a pour effet de reduire l'interaction constatee entre le mouvement moyen et les perturbations forcees par relief

Cette these examine les dependances existant entre les caracteristiques de debit et le reseau hydrographique et montre comment en tenir compte dans l'etablissement de cartographies hydrologiques. Deux algorithmes ont ete developpes. Le premier vise la cartographie des debits interannuels par desagregation du volume genere par un bassin versant sur une partition de ce dernier. L'hypothese est faite que le debit interannuel en un point du reseau hydrographique est l'integrale sur le bassin versant d'un champ ponctuel spatialement homogene. La redistribution spatiale de l'ecoulement peut des lors etre effectuee par une operation analogue a un krigeage de blocs, sous contrainte globale de conservation de l'ecoulement. On en deduit une estimation des debits interannuels par re-agregation des valeurs le long du reseau hydrographique. Le deuxieme algorithme realise une repartition temporelle des volumes annuels ecoules. Il est base sur la decomposition des chroniques mensuelles interannuelles centrees reduites en une combinaison lineaire de fonctions orthogonales empiriques. Les ponderations locales sont reliees par des formules empiriques a des descripteurs du bassin versant, et les residus de ces formules interpoles par krigeage. Une derniere operation consiste a interpoler l'ecart-type intra-annuel des douze debits mensuels moyens et a exploiter l'estimation de debits interannuels pour denormer le signal centre reduit. Ainsi, on obtient douze cartes des debits mensuels moyens illustrant le cycle annuel des ecoulements. Ces algorithmes ont ete developpes en lien avec des procedures d'exploitation d'information geographique en mode raster qui offrent un support graphique et logistique (extraction des caracteristiques du bassin versant, explicitation des liens entre les bassins hierarchises par le reseau hydrographique). Le bassin de gestion rhone-mediterranee-corse (france) et le bassin de la glomma (norvege) ont servi de cas d'application.

Les tourbillons et les écoulements méso-échelles océaniques contribuent de façon importante au transport de masses d’eau et de chaleur dans l’océan. La compréhension de leurs dynamiques, et de leurs interactions avec la topographie, est primordiale, pour caractériser les échanges thermohalins, le déplacements d’espèces biologiques ou de polluants. En particulier, les courants et tourbillons de surface, situés dans les cent ou deux cents premiers mètres de profondeur, jouent un rôle capital dans les échanges entre la zone côtière et la zone hauturière. Cette thèse porte sur la modélisation expérimentale idéalisée de deux phénomènes pouvant participer activement aux échanges horizontaux et verticaux dans la couche supérieure océanique. Les sillages d’îles peuvent être le lieu d’instabilités fortes dans les zones anticycloniques de l’écoulement. Des expériences ont été réalisées sur la Plateforme Coriolis (LEGI) à Grenoble, pour identifier les régimes dynamiques de ces instabilités. Ce dispositif (13 mètres de diamètre) a permis d’atteindre de faibles rapports d’aspects géométriques, tout en travaillant avec un dispositif couche-mince. Des visualisations avec colorants et des mesures du champ de vitesse horizontal par intercorrélation de particules ont été réalisées, afin d’étudier la sensibilité des instabilités dans les anticyclones pour différentes gammes de nombres de Reynolds et de Rossby. Nous montrons que ces instabilités sont présentes dès la couche limite anticyclonique, autour de l’île. L’autre partie de ce travail concerne la dynamique d’un tourbillon de surface, en interaction avec la côte ou le talus océanique. Des mesures récentes (campagne EGYPT-1) nous ont permis de mesurer la dérive particulière d’un anticyclone de surface le long de la côte libyenne. Cette dérive vers l’est ne peut s’expliquer par la simple prise en compte de l’effet beta ou de l’effet miroir le long de la côte. Des expériences idéalisées sont menées sur la table tournante de l’ENSTA, afin de modéliser de façon simple l’interaction d’une côte ou d’un talus sur la dynamique d’un anticyclone, à la surface d’un dispositif bi-couche. La vitesse de ce tourbillon de surface voit notamment sa dérive doubler lorsqu’il se trouve initialement à la base de la pente, montrant ainsi l’existence d’une rétroaction possible de la couche du fond sur la dynamique de la couche de surface.

On considere l'evolution temporelle de perturbations spatialement periodiques, appliquees a un ecoulement zonal cisaille dont le profil de vitesse est en tangente hyperbolique. Un schema aux differences finies utilise a haute resolution permet d'etudier l'evolution de l'ecoulement perturbe a haut nombre de reynolds. On fait varier la rotation differentielle depuis zero jusqu'a des valeurs ou elle inhibe totalement l'instabilite lineaire. On montre que la rotation differentielle supprime le phenomene d'appariement de tourbillons, qui suit l'instabilite dans le cas non-tournant. Ensuite, on etudie les ecoulements tri-dimensionnels d'un fluide stratifie en densite de facon stable, autour d'un obstacle. L'etude est basee sur la simulation numerique directe des equations de boussinesq, realisee en volumes finis au moyen du code trio du cea. Le sillage de l'obstacle est tridimensionnel dans le cas neutre ou peu stratifie (grand nombre de froude). On montre que pour des stratifications assez fortes (nombre de froude de l'ordre de l'unite), les perturbations dues a l'obstacle se propagent sous la forme d'ondes de gravite internes, dont l'amplitude peut etre importante. Dans les cas tres stratifies (nombre de froude tres inferieur a l'unite), le mouvement du fluide se trouve confine dans des plans horizontaux, avec formation eventuelle d'une allee tourbillonnaire. On met ainsi en evidence des regimes distincts suivant le nombre de froude, en bon accord avec les experiences de laboratoire. Les resultats ont principalement ete obtenus par analyse fine du champ de vorticite et par visualisation graphique tri-dimensionnelle de l'energie ondulatoire propagee

L'étude de la série jurassique de la couverture du massif cristallin externe (Rochail-Lauvitel) a permis de préciser les différentes étapes de l'évolution d'un bloc basculé de ce secteur de la paléo-marge de la Téthys jurassique. L'étude sédimentologique a permis de distinguer 12 faciès caractérisant des milieux de dépôts compris entre les étages supralittoral et bathyal. L'analyse séquentielle met en évidence les différentes étapes d'approfondissement de ces milieux de dépôt au cours du rifting téthysien en fonction des variations biologiques et de la microfaune typique. Du point de vue séquentiel, l'Hettangien est représenté par une méga-séquence d'approfondissement découpée en 5 séquences limitées par des horizons de discontinuité. Les corrélations des différentes coupes ont permis de montrer que les variations d'épaisseur de l'Hettangien sont d'origine tectonique, mais résultent également de l'existence d'une paléo-topographie qui n'était pas plane. L'étude stratigraphique a permis, au point de vue paléontologique, de situer avec précision l'activité tectonique et l'approfondissement qui se sont produits au cours de l'Hettangien supérieur, de confirmer l'hétérochronie de la formation des Calcaires du Petit Renaud, et de mettre en évidence l'existence d'une série normale du Jurassique supérieur au sein de la formation des Calcaires du Paletas. La confrontation de l'étude sédimentologique et de l'étude stratigraphique permet d'affiner les corrélations entre les différentes coupes. L'étude paléo-structurale a permis la mise en évidence d'une activité qui a été perçue différemment par la sédimentation : • Au cours de l'Hettangien : apparition de failles normales synsédimentaires limitant de petits demi-grabens qui se sont arrêtés de fonctionner au début du Sinémurien. • L'érosion qui se manifeste sur les zones hautes entre le Domérien et l'Oxfordien moyen, est responsable du développement d'une formation biodétritique particulière sur les pentes du demi-graben : les Calcaires du Petit Renaud. • De l'Oxfordien moyen au Néocomien, la poursuite de l'instabilité des dépôts sur les pentes est responsable de la mise en place de 2 paquets glissés.