Role of air-sea-land interactions on the marine boundary layer dynamics in the upwelling region off Central Chile
Rôle des interactions océan-atmosphère-continent sur la dynamique de la couche limite marine dans la région d'upwelling du Chili central
Résumé
Eastern Boundary Upwelling Systems (EBUS) are the tropical to mid-latitudes oceanic regions along the west coast of the continents. They host very productive marine ecosystems owing to the mean equatorward low-level atmospheric circulation that uplifts cool subsurface nutrient-enriched waters that trigger marine life along the coast. While the fundamental oceanic processes behind such process are well known (i.e. Ekman transport and pumping), the oceanic modeling of the EBUS has remained problematic owing to difficulties in accounting realistically for phenomena at fine spatial scales in the transition zone between the littoral and the off-shore ocean. In this thesis we have focused on the Peru-Chile Upwelling System (so-called Humboldt system) and on the influence of the cross-shore mesoscale features of the winds near the coast, particularly the shoreward wind drop-off, which determinate the relative importance of the Ekman processes, and thus, the spatial and temporal structure of the upwelling. A combined approach based on satellite data analysis and regional modeling, both oceanic and atmospheric, is used to investigate the sensitivity of the oceanic circulation along the coast of central Chile to the characteristics of the wind drop-off. As a first step, the mean to seasonal near-shore surface atmospheric circulation along the coast of Peru and Chile is documented for the first time based on the altimeter data from four satellite missions (ENVISAT, JASON1, JASON2 and SARAL). The analysis reveals the existence of a marked shoreward reduction in the wind speed all along the coast, although the reduction rate is latitudinally dependent. Despite the relatively weak repetitivity of the satellites, it is shown that the altimetric data are able to sample the seasonal cycle of the wind drop-off at some locations. The estimate of coastal upwelling from these data suggests that Ekman pumping tends on average to dominate with respect to Ekman transport over the Peruvian coast, whereas over the central-Chilean coast, the Ekman transport is the dominant process. In a second step, a regional atmospheric model (WRF) at different horizontal resolutions (36km, 12km and 4km) in a nested configuration zoomed over the central-Chile region was developed in order to produce atmospheric fields with different characteristics of the wind-stress curl (drop-off) along the coast. The atmospheric model solutions are first evaluated against the satellite observations, showing a much larger realism than atmospheric Reanalyses near the coast. In particular, the simulated cyclonic wind curl along the coast related to the wind drop-off exhibit length scales between 8 and 45 km with a significant latitudinal variability, which is in agreement with the altimetric winds. The higher model resolution, the more confined to the coast the wind drop-off, with the latter evidencing a marked seasonality with a maximum intensity in spring-fall and minimum in winter. The relative contribution of the coastal divergence and Ekman pumping exhibits a latitudinal modulation linked to details in the orography and coastlines.
Les systèmes de courant de bords est (EBUS) sont les régions océaniques des latitudes tropicales à moyennes le long des côtes ouest des continents. Ils abritent des écosystèmes marins très productifs en raison de la circulation atmosphérique de surface dirigée vers l'équateur qui font remonter des eaux profondes froides (upwelling) enrichies en éléments nutritifs à l'origine de la vie marine le longde la côte. Si les processus océaniques fondamentaux de l'upwelling côtier sont bien connus (transport et pompage d'Ekman), la modélisation océanique des EBUS reste problématique en raison des difficultés pour prendre en compte de manière réaliste des phénomènes à fine échelle spatiale dans la zone de transition entre le littoral et l'océan du large. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur le système d'upwelling dit de Humboldt (côtes du Pérou et du Chili) et sur l'influence des caractéristiques méso-échelles des vents près de la côte, en particulier la décroissance vers la cotes du vent (appelé "drop-off") qui détermine l'importance relative des processus d'Ekman, et donc, la structure spatiale de la zone d'upwelling. Une approche combinée basée sur l'analyse de données satellitaires et sur la modélisation régionale, océanique et atmosphérique, est utilisée pour étudier la sensibilité de la circulation océanique le long de la côte Chili central aux caractéristiques du drop-off. Dans un premier temps, la circulation atmosphérique de surface moyenne à saisonnière le long du littoral du Pérou et du Chili est documentée pour la première fois à partir des données altimétriques de quatre missions satellites (ENVISAT, JASON1, JASON2 et SARAL). L'analyse révèle l'existence d'une réduction marquée de la vitesse du vent le long de la côte, bien que le taux de réduction varie en fonction de la latitude. Malgré la répétitivité relativement faible des satellites, nous montrons que les données altimétriques permettent néanmoins d'échantillonner le cycle saisonnier du drop-off. L'estimation de l'upwelling côtier à partir de ces données suggère que le pompage d'Ekman tend en moyenne à dominer par rapport au transport d'Ekman le long de la côte péruvienne, alors que le long de la côte chilienne, le transport d'Ekman est le processus dominant. Dans un second temps, un modèle atmosphérique régional (WRF) à différentes résolutions horizontales (36 km, 12 km et 4 km) dans une configuration imbriquée zoomée sur la région centrale du Chili a été développé afin de produire des champs atmosphériques présentant des caractéristiques différentes du drop-off. Les solutions du modèle atmosphérique sont d'abord évaluées par rapport aux observations, indiquant un plus grand réalisme près de la côte que les réanalyses atmosphériques. Le rotationnel du vent cyclonique simulé le long de la côte associé au drop-off présente des échelles transversales comprises entre 8 et 45 km avec une variabilité latitudinale significative, en accord avec les vents altimétriques. Lorsque la résolution du modèle est augmentée, le drop-off est généralement d'autant plus confiné à la côte et le modèle indique une saisonnalité marquée avec un maximum d'intensité au printemps-automne. La contribution relative de la divergence côtière et du pompage d'Ekman présente une modulation latitudinale liée aux détails de l'orographie et de la ligne de côte.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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