The interaction of two surface vortices near a topographic slope in a stratified ocean

We study the influence of bottom topography on the interaction of two identical vortices in a two-layer, quasi-geostrophic model. The two vortices have piecewise-uniform potential vorticity, and are lying in the upper layer of the model. The topography is a smooth bottom slope. For two cyclones, topography modifies the merger critical distance and the merger efficiency: the topographic wave and vortices can advect the two cyclones along the shelf when they are initially far from it, or towards the shelf when they are initially closer to it. They can also advect the two cyclones towards each other, and thus favour merger. The topographic wave and vortices exert a deformation on these cyclones, which filament. Regimes of partial vortex merger or of vortex splitting are then observed. The interaction of the vorticity poles in the two layers are analysed to explain the evolution of the two upper layer cyclones. For taller topography, two new regimes appear: vortex drift and splitting, and filamentation and asymmetric merger. They are due to the hetonic coupling of lower layer vorticity with the upper vortices, or to the strong shear that the former exert on the latter. The interaction of two anticyclones shows regimes of co-rotation or merger, but specifically, it leads to the drift of the two vortices away from the slope, via a hetonic coupling with opposite signed vorticity in the lower layer. This vorticity originates in the breaking of the topographic wave. The analysis of passive tracer evolution confirms the inshore or offshore drift of the fluid, the formation of tracer fronts along filaments and its mixing in regions of vortex merger. The trajectories of particles indicates how the fluid initially in the vortices is finally partitioned.Publisher PDFPeer reviewe

A 3D minimum enstrophy vortex in stratified quasi-geostrophic flows

Applying a variational analysis, a minimum-enstrophy vortex in three-dimensional (3-D) fluids with continuous stratification is found, under the quasi-geostrophic hypothesis. The buoyancy frequency is held constant. This vortex is an ideal limiting state in a flow with an enstrophy decay while energy and generalized angular momentum remain fixed. The variational method used to obtain two-dimensional (2-D) minimum-enstrophy vortices is applied here to 3-D integral quantities. The solution from the first-order variation is expanded on a basis of orthogonal spherical Bessel functions. By computing second-order variations, the solution is found to be a true minimum in enstrophy. This solution is weakly unstable when inserted in a numerical code of the quasi-geostrophic equations. After a stage of linear instability, nonlinear wave interaction leads to the reorganization of this vortex into a tripolar vortex. Further work will relate our solution with maximal entropy 3-D vortices.Peer reviewe

Dynamique des structures cohérentes de méso et sousméso-échelle en mer d'Arabie

In the Arabian Sea, eddies have a greater impact on the circulation than the large-scale circulation.In this manuscript, we present the three-dimensional structure of mesoscale eddies in the Arabian Sea, through the joint use of altimetry and in situ measurements. We then describe the lifecycle of these eddies using numerical simulations, under the assumption that they are isolated from the rest of the dynamics. For these simulations, a composite vortex extracted from in situ data is used as an initial condition. We discuss the impact of vortex stability on the vortex lifetime and the generation of submesoscale structures at the surface.We also discuss the interaction between eddies and the western boundaries of ocean basins, and relate these results to the measurement of a cyclonic submesoscale vortex performed during the PHYSINDIEN 2019 experiment.Because mesoscale eddies are actually not isolated from the ambient eddy field, we finally discuss one part of the eddy interactions that occur in the Arabian Sea: mergers. One of the main results of this study is that the comparison between the distance for which two eddies in the ocean merge, and the critical merging distance obtained from idealized studies of two eddies isolated on an f-plane omits the main parameters involved in merging: the ambient turbulent field and the β-effect.Dans des régions particulières du globe, les tourbillons ont un impact sur la circulation plus grand que la circulation grande échelle elle-même. C'est le cas en mer d'Arabie ou le transport des propriétés de la colonne d'eau est dominé par le transport induit par les tourbillons. Dans ce manuscrit de thèse, nous présentons tout d’abord la structure tridimensionnelle des tourbillons de méso-échelle en mer d'Arabie, grâce à l'utilisation conjointe de mesures altimétriques et de mesures in situ. Nous décrivons ensuite le cycle de vie de ces tourbillons à l’aide de simulations numériques, sous l'hypothèse qu’ils sont isolés du reste de la dynamique. Pour ces simulations, un tourbillon composite extrait des données in situ est utilisé comme condition initiale. Cela permet de réaliser des simulations très idéalisées, mais pour la première fois pertinentes et représentatives de la dynamique tourbillonnaire d'une région particulière. Nous discutons de l’impact de la stabilité des tourbillons sur leur durée de vie et sur la génération de structures de sousméso-échelle à la surface. Nous discutons également l’interaction entre les tourbillons et les frontières ouest des bassins océaniques, et mettons en relation ces résultats avec la mesure d'un tourbillon cyclonique de sousméso-échelle effectuée durant la campagne PHYSINDIEN 2019. Comme les tourbillons de méso-échelle ne sont en réalité pas isolés du champ tourbillonnaire ambiant, nous discutons finalement d'une partie des interactions entre tourbillons qui se produisent en mer d’Arabie : les fusions. Un des résultats principaux de cette étude est que la comparaison entre la distance pour laquelle deux tourbillons dans l'océan fusionnent, et la distance critique de fusion obtenue à partir d'études idéalisées de fusion de deux tourbillons isolés sur un plan f omet les paramètres principaux impliqués dans la fusion : le champ turbulent ambiant et l'effet β

Dynamique des structures cohérentes de méso et sousméso-échelle en mer d'Arabie

In the Arabian Sea, eddies have a greater impact on the circulation than the large-scale circulation.In this manuscript, we present the three-dimensional structure of mesoscale eddies in the Arabian Sea, through the joint use of altimetry and in situ measurements. We then describe the lifecycle of these eddies using numerical simulations, under the assumption that they are isolated from the rest of the dynamics. For these simulations, a composite vortex extracted from in situ data is used as an initial condition. We discuss the impact of vortex stability on the vortex lifetime and the generation of submesoscale structures at the surface.We also discuss the interaction between eddies and the western boundaries of ocean basins, and relate these results to the measurement of a cyclonic submesoscale vortex performed during the PHYSINDIEN 2019 experiment.Because mesoscale eddies are actually not isolated from the ambient eddy field, we finally discuss one part of the eddy interactions that occur in the Arabian Sea: mergers. One of the main results of this study is that the comparison between the distance for which two eddies in the ocean merge, and the critical merging distance obtained from idealized studies of two eddies isolated on an f-plane omits the main parameters involved in merging: the ambient turbulent field and the β-effect.Dans des régions particulières du globe, les tourbillons ont un impact sur la circulation plus grand que la circulation grande échelle elle-même. C'est le cas en mer d'Arabie ou le transport des propriétés de la colonne d'eau est dominé par le transport induit par les tourbillons. Dans ce manuscrit de thèse, nous présentons tout d’abord la structure tridimensionnelle des tourbillons de méso-échelle en mer d'Arabie, grâce à l'utilisation conjointe de mesures altimétriques et de mesures in situ. Nous décrivons ensuite le cycle de vie de ces tourbillons à l’aide de simulations numériques, sous l'hypothèse qu’ils sont isolés du reste de la dynamique. Pour ces simulations, un tourbillon composite extrait des données in situ est utilisé comme condition initiale. Cela permet de réaliser des simulations très idéalisées, mais pour la première fois pertinentes et représentatives de la dynamique tourbillonnaire d'une région particulière. Nous discutons de l’impact de la stabilité des tourbillons sur leur durée de vie et sur la génération de structures de sousméso-échelle à la surface. Nous discutons également l’interaction entre les tourbillons et les frontières ouest des bassins océaniques, et mettons en relation ces résultats avec la mesure d'un tourbillon cyclonique de sousméso-échelle effectuée durant la campagne PHYSINDIEN 2019. Comme les tourbillons de méso-échelle ne sont en réalité pas isolés du champ tourbillonnaire ambiant, nous discutons finalement d'une partie des interactions entre tourbillons qui se produisent en mer d’Arabie : les fusions. Un des résultats principaux de cette étude est que la comparaison entre la distance pour laquelle deux tourbillons dans l'océan fusionnent, et la distance critique de fusion obtenue à partir d'études idéalisées de fusion de deux tourbillons isolés sur un plan f omet les paramètres principaux impliqués dans la fusion : le champ turbulent ambiant et l'effet β

Dynamique des structures cohérentes de méso et sousméso-échelle en mer d'Arabie

In the Arabian Sea, eddies have a greater impact on the circulation than the large-scale circulation.In this manuscript, we present the three-dimensional structure of mesoscale eddies in the Arabian Sea, through the joint use of altimetry and in situ measurements. We then describe the lifecycle of these eddies using numerical simulations, under the assumption that they are isolated from the rest of the dynamics. For these simulations, a composite vortex extracted from in situ data is used as an initial condition. We discuss the impact of vortex stability on the vortex lifetime and the generation of submesoscale structures at the surface.We also discuss the interaction between eddies and the western boundaries of ocean basins, and relate these results to the measurement of a cyclonic submesoscale vortex performed during the PHYSINDIEN 2019 experiment.Because mesoscale eddies are actually not isolated from the ambient eddy field, we finally discuss one part of the eddy interactions that occur in the Arabian Sea: mergers. One of the main results of this study is that the comparison between the distance for which two eddies in the ocean merge, and the critical merging distance obtained from idealized studies of two eddies isolated on an f-plane omits the main parameters involved in merging: the ambient turbulent field and the β-effect.Dans des régions particulières du globe, les tourbillons ont un impact sur la circulation plus grand que la circulation grande échelle elle-même. C'est le cas en mer d'Arabie ou le transport des propriétés de la colonne d'eau est dominé par le transport induit par les tourbillons. Dans ce manuscrit de thèse, nous présentons tout d’abord la structure tridimensionnelle des tourbillons de méso-échelle en mer d'Arabie, grâce à l'utilisation conjointe de mesures altimétriques et de mesures in situ. Nous décrivons ensuite le cycle de vie de ces tourbillons à l’aide de simulations numériques, sous l'hypothèse qu’ils sont isolés du reste de la dynamique. Pour ces simulations, un tourbillon composite extrait des données in situ est utilisé comme condition initiale. Cela permet de réaliser des simulations très idéalisées, mais pour la première fois pertinentes et représentatives de la dynamique tourbillonnaire d'une région particulière. Nous discutons de l’impact de la stabilité des tourbillons sur leur durée de vie et sur la génération de structures de sousméso-échelle à la surface. Nous discutons également l’interaction entre les tourbillons et les frontières ouest des bassins océaniques, et mettons en relation ces résultats avec la mesure d'un tourbillon cyclonique de sousméso-échelle effectuée durant la campagne PHYSINDIEN 2019. Comme les tourbillons de méso-échelle ne sont en réalité pas isolés du champ tourbillonnaire ambiant, nous discutons finalement d'une partie des interactions entre tourbillons qui se produisent en mer d’Arabie : les fusions. Un des résultats principaux de cette étude est que la comparaison entre la distance pour laquelle deux tourbillons dans l'océan fusionnent, et la distance critique de fusion obtenue à partir d'études idéalisées de fusion de deux tourbillons isolés sur un plan f omet les paramètres principaux impliqués dans la fusion : le champ turbulent ambiant et l'effet β

Dynamics of meso and submesoscale structures in the Arabian Sea

Dans des régions particulières du globe, les tourbillons ont un impact sur la circulation plus grand que la circulation grande échelle elle-même. C'est le cas en mer d'Arabie ou le transport des propriétés de la colonne d'eau est dominé par le transport induit par les tourbillons. Dans ce manuscrit de thèse, nous présentons tout d’abord la structure tridimensionnelle des tourbillons de méso-échelle en mer d'Arabie, grâce à l'utilisation conjointe de mesures altimétriques et de mesures in situ. Nous décrivons ensuite le cycle de vie de ces tourbillons à l’aide de simulations numériques, sous l'hypothèse qu’ils sont isolés du reste de la dynamique. Pour ces simulations, un tourbillon composite extrait des données in situ est utilisé comme condition initiale. Cela permet de réaliser des simulations très idéalisées, mais pour la première fois pertinentes et représentatives de la dynamique tourbillonnaire d'une région particulière. Nous discutons de l’impact de la stabilité des tourbillons sur leur durée de vie et sur la génération de structures de sousméso-échelle à la surface. Nous discutons également l’interaction entre les tourbillons et les frontières ouest des bassins océaniques, et mettons en relation ces résultats avec la mesure d'un tourbillon cyclonique de sousméso-échelle effectuée durant la campagne PHYSINDIEN 2019. Comme les tourbillons de méso-échelle ne sont en réalité pas isolés du champ tourbillonnaire ambiant, nous discutons finalement d'une partie des interactions entre tourbillons qui se produisent en mer d’Arabie : les fusions. Un des résultats principaux de cette étude est que la comparaison entre la distance pour laquelle deux tourbillons dans l'océan fusionnent, et la distance critique de fusion obtenue à partir d'études idéalisées de fusion de deux tourbillons isolés sur un plan f omet les paramètres principaux impliqués dans la fusion : le champ turbulent ambiant et l'effet β.In the Arabian Sea, eddies have a greater impact on the circulation than the large-scale circulation.In this manuscript, we present the three-dimensional structure of mesoscale eddies in the Arabian Sea, through the joint use of altimetry and in situ measurements. We then describe the lifecycle of these eddies using numerical simulations, under the assumption that they are isolated from the rest of the dynamics. For these simulations, a composite vortex extracted from in situ data is used as an initial condition. We discuss the impact of vortex stability on the vortex lifetime and the generation of submesoscale structures at the surface.We also discuss the interaction between eddies and the western boundaries of ocean basins, and relate these results to the measurement of a cyclonic submesoscale vortex performed during the PHYSINDIEN 2019 experiment.Because mesoscale eddies are actually not isolated from the ambient eddy field, we finally discuss one part of the eddy interactions that occur in the Arabian Sea: mergers. One of the main results of this study is that the comparison between the distance for which two eddies in the ocean merge, and the critical merging distance obtained from idealized studies of two eddies isolated on an f-plane omits the main parameters involved in merging: the ambient turbulent field and the β-effect

Dynamique des structures cohérentes de méso et sousméso-échelle en mer d'Arabie

In the Arabian Sea, eddies have a greater impact on the circulation than the large-scale circulation.In this manuscript, we present the three-dimensional structure of mesoscale eddies in the Arabian Sea, through the joint use of altimetry and in situ measurements. We then describe the lifecycle of these eddies using numerical simulations, under the assumption that they are isolated from the rest of the dynamics. For these simulations, a composite vortex extracted from in situ data is used as an initial condition. We discuss the impact of vortex stability on the vortex lifetime and the generation of submesoscale structures at the surface.We also discuss the interaction between eddies and the western boundaries of ocean basins, and relate these results to the measurement of a cyclonic submesoscale vortex performed during the PHYSINDIEN 2019 experiment.Because mesoscale eddies are actually not isolated from the ambient eddy field, we finally discuss one part of the eddy interactions that occur in the Arabian Sea: mergers. One of the main results of this study is that the comparison between the distance for which two eddies in the ocean merge, and the critical merging distance obtained from idealized studies of two eddies isolated on an f-plane omits the main parameters involved in merging: the ambient turbulent field and the β-effect.Dans des régions particulières du globe, les tourbillons ont un impact sur la circulation plus grand que la circulation grande échelle elle-même. C'est le cas en mer d'Arabie ou le transport des propriétés de la colonne d'eau est dominé par le transport induit par les tourbillons. Dans ce manuscrit de thèse, nous présentons tout d’abord la structure tridimensionnelle des tourbillons de méso-échelle en mer d'Arabie, grâce à l'utilisation conjointe de mesures altimétriques et de mesures in situ. Nous décrivons ensuite le cycle de vie de ces tourbillons à l’aide de simulations numériques, sous l'hypothèse qu’ils sont isolés du reste de la dynamique. Pour ces simulations, un tourbillon composite extrait des données in situ est utilisé comme condition initiale. Cela permet de réaliser des simulations très idéalisées, mais pour la première fois pertinentes et représentatives de la dynamique tourbillonnaire d'une région particulière. Nous discutons de l’impact de la stabilité des tourbillons sur leur durée de vie et sur la génération de structures de sousméso-échelle à la surface. Nous discutons également l’interaction entre les tourbillons et les frontières ouest des bassins océaniques, et mettons en relation ces résultats avec la mesure d'un tourbillon cyclonique de sousméso-échelle effectuée durant la campagne PHYSINDIEN 2019. Comme les tourbillons de méso-échelle ne sont en réalité pas isolés du champ tourbillonnaire ambiant, nous discutons finalement d'une partie des interactions entre tourbillons qui se produisent en mer d’Arabie : les fusions. Un des résultats principaux de cette étude est que la comparaison entre la distance pour laquelle deux tourbillons dans l'océan fusionnent, et la distance critique de fusion obtenue à partir d'études idéalisées de fusion de deux tourbillons isolés sur un plan f omet les paramètres principaux impliqués dans la fusion : le champ turbulent ambiant et l'effet β