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Regional circulation

by ECOLA last modified Aug 29, 2014 03:19 PM

 

Systèmes d’upwelling et productivité

Chercheurs impliqués: P. Marchesiello, B. Dewitte, S. Illig, G. Cambon et nos partenaires au Sud et au Nord

Les systèmes d’upwelling constituent un laboratoire d’étude idéal pour les écosystèmes marins car on y observe des rapports assez simples entre l’écosystème et son environnement physique. En même temps, tout le spectre dynamique s’y exprime et les transferts d’échelle (non-linéaires) contrôlent la régionalisation des variabilités climatiques. Or, les modèles globaux, même à haute résolution, sont loin de reproduire le fonctionnement de la zone de transition côtière, une zone turbulente régissant les échanges côtes-larges. L’approche régionale s’avère bien mieux adaptée et associée à une approche comparative des grands systèmes d’upwelling, permet des avancées considérables. Parallèlement aux modèles numériques, nous développons des modèles analytiques de l’upwelling qui devrait permettre de construire des indices plus fiables de son intensité. L'ensemble de ces travaux tend à montrer que l'upwelling côtier est influencé par une multitude de facteurs: vent côtier et sa structuration spatiale et temporelle; courants moyens; tourbillons de mésoéchelle; dynamique frontale; stratification. Ceci contraste fortement avec l'habitude de ne tenir compte que du vent côtier (indice de Bakun), d'ailleurs souvent estimé de manière grossière.

 

Impact de la mésoéchelle sur la production primaire

L’indice d’upwelling classique de Bakun est dérivé simplement de la tension du vent côtier. Sur cette base, et en observant une légère tendance à l’augmentation du vent côtier, Bakun (Science, 1990) a suggéré que l’intensité de l’upwelling et sa productivité est en augmentation en réponse au changement climatique. Mais ce résultat est en désaccord avec le résultat de Lorenzo et al. (2005) pour la Californie méridionale. Ils montrent en effet grâce à une réanalyse ROMS des données régionales CalCOFI que le réchauffement dans cette région s’accompagne d’un approfondissement de la thermocline. Cela a un effet défavorable sur l’upwelling qui compense largement l’effet favorable du vent noté par Bakun. Par contre, leur étude numérique révèle une augmentation de la turbulence de mésoéchelle océanique (liée au renforcement de la stratification). Or dans Gruber et al., (2011), nous montrons que cette activité turbulente a un impact considérable sur la répartition des masses d’eau et sur la production primaire dans les régions d’upwelling (Figure 1). Cela illustre la nécessité d’intégrer tous les aspects dynamiques de l’océan pour aborder le problème liant la ressources marines à son environnement.

gruber_lin_vs_nlin

Figure 1 (d'aprés Gruber et al., 2011) : Cartes de production primaire (a-c) et d’export de carbone organique (d-f) à partir du modèle ROMS dans le système d’upwelling de Californie. (a) et (d) résultent d’une simulation du modèle où la turbulence de mésoéchelle n’est pas permise (les équations du moment sont linéarisées) ; (b) et (e) résultent d’une simulation avec physique complète ; (c) et (f) représentent la différence entre les cas turbulent et laminaire. Les statistiques sont établies sur 5 années de simulation, unité : [C m-2 yr-1].

 

Ainsi, l’effet net de la dynamique de mésoéchelle dans les régions d’upwelling côtier n’est pas d’augmenter mais de réduire la production biologique et l’export de la matière organique. Ce résultat est contre intuitif car les tourbillons pris individuellement semblent contenir une productivité supérieure à celle des eaux environnantes. Cette contradiction apparente peut être résolue en considérant l’impact résiduel (à long terme) de la mésoéchelle sur le transport dans la zone de transition côtière. La dynamique tourbillonnaire induit un transport latéral qui amène des eaux pauvres vers la côte, et équilibre le transport d’eaux côtières riches vers le large par la dérive d’Ekman. La conséquence générale de la turbulence de mésoéchelle est donc de réorganiser la distribution des nutriments, avec une perte en surface dans la région côtière et un gain en profondeur dans la zone hauturière. Ce processus de fuite (« nutrient leakage ») est d'ailleurs augmenté par la réduction de l’export de matière organique qui produit une diminution de nutriments organiques re-minéralisés dans la colonne d’eau et les sédiments. Cela induit une diminution du réservoir de nutriments utilisés dans le processus d’upwelling.

gruber_schematic

Figure 2: Schéma de circulation dans le cas linéaire (haut) et non linéaire (bas). Dans le cas linéaire, seul la circulation d'Ekman est en place; dns le cas nonlinéaire, la circulation résiduel es tourbillons s'ajoute à la circulation totale (en bleu).

Approche comparative

Le processus turbulent de réduction de la production primaire pourrait expliquer pourquoi le système de Californie a une production bien moins forte que dans les autres systèmes, en particulier le système des Canaries (Afrique de l’ouest). En effet, au cœur des différents systèmes, les vents favorables à l’upwelling ont en moyenne des intensités sensiblement égales, mais des niveaux d’énergie de mésoéchelle, dévoilés par l’altimétrie, très variables. En particulier, le système de Californie présente un niveau d’énergie bien supérieur aux autres. Sur cette base, une comparaison systématique des quatre systèmes d’upwelling et l’étude des différents paramètres conditionnant la production de mésoéchelle océanique ont été réalisé (Marchesiello et Estrade, 2009 ; Estrade et al., 2008 ; Capet et al., 2008 ; Freon et al., 2006).

 

La variabilité de mésoéchelle dans les systèmes d’upwelling est produite principalement par instabilité barocline du jet d’upwelling côtier (Marchesiello et al.,2003). En terme énergétique, le vent produit de l’énergie potentielle disponible dans la zone côtière qui est transformée en énergie cinétique turbulente par le processus d’instabilité. Le taux de conversion d’énergie varie en fonction de la quantité d’énergie potentielle disponible dans le système, donc de la stratification. Il sera intéressant d’aller plus loin dans cette hypothèse et démontrer numériquement (dans des cas idéalisés, donc contrôlés) le lien entre les paramètre de stratification et la production d’énergie turbulente. On s’intéressera alors aux variations interannuelles et à long terme de la stratification, en étudiant comment le renforcement de la stratification et l’approfondissement de la thermocline dans le cas du réchauffement climatique (di Lorenzo, 2005) peut affecter cette production d’énergie, et par suite la distribution des nutritifs et la production primaire, ou encore les conditions de rétention/dispersion larvaire près des côtes.

 

Mécanismes de l'upwelling

Echelle réelle de la zone de divergence côtière. Un indice important pour déterminer à la fois l'activité de mésoéchelle et l'enrichissement directe des eaux de surface est l’intensité de l’upwelling; il détermine la quantité de nutriments apportée dans la zone euphotique et aussi la quantité d’énergie potentiel générée pour une stratification donnée. Nous avons développé un modèle analytique originale basé sur une extension bidimensionnel de la solution d’Ekman (Estrade et al., 2008) pour approcher ce problème. Notre modèle montre qu’un indice d’upwelling réaliste doit tenir compte de la dimension réelle sur laquelle s'effectue la divergence des courants côtiers et donc l'upwelling. Celle-ci est à tort confondue avec le rayon de déformation interne (comme dans l'indice de Bakun). En réalité elle correspond à la zone frictionnelle de l'innershelf où les couches d'Ekman de surface et de fond se rencontrent; elle dépend donc de la pente du plateau continental (~D/S où D est la profondeur d'Ekman et S la pente moyenne). Lorsque le plateau présente des zones ou la pente s’annule comme au Sahara occidental, une séparation peut même se produire, créant une double cellule qui est bien observée dans cette région.

 

Limitation par les courants géostrophiques. Mais la topographie n’est pas le seul paramètre affectant la cellule d’upwelling. Le gradient de pression le long de la côte a notamment un impact sur la fermeture de la cellule d’upwelling. Celle-ci ne s’effectue pas forcément dans la couche d’Ekman de fond mais à l’intérieur de la colonne d’eau par un écoulement géostrophique associé au gradient de pression. Nous avons montré récemment (Marchesiello et Estrade., 2010) qu'un courant géostrophique vers la côte ne fournit pas seulement une fermeture de la cellule d’upwelling mais aussi une limitation de son intensité, car une partie de l’écoulement compense directement la dérive de surface. Notre modèle analytique étendue pour inclure ces effets présente donc un nouveau pas vers un indice dynamique de l’upwelling plus réaliste que celui de Bakun.

 

Profil de vent à la côte. Cet indice tient également compte du profil de vent à la côte et de ce que nous avons appelé la chute du vent cotier ("wind drop-off") dans l'article de Capet et al. (2004). Cette chute de vent est clairement présente dans les modèles régionaux et semble liée à la température océanique (Renault et al., accepté dans JGR). L'eau côtière froide tend à diminuer la couche limite atmosphérique et son mélange turbulent, ce qui réduit les échanges de la surface avec les vents forts de l'atmosphère libre. Dans certains modèles par contre la chute de vent est artificielle et liée aux erreurs numériques du modèle, ce que l'on peut juger par le fait qu'un changement de résolution modifie la solution du modèle. Seules des mesures répétées et à haute résolution pourront apporter une validation certaine du profil de vent côtier. D'autant plus que le couplage air-mer modifiera sans-doute le résultat des modèles. C'est vers cela que nos travaux se dirigent actuellement.

 

 

Références :


- Gruber N., Lachkar Z., Frenzel H., Marchesiello Patrick, Munnich M., McWilliams J. C., Nagai T., Plattner G. K. Eddy-induced reduction of biological production in eastern boundary upwelling systems. Nature Geoscience, 2011, 4 (11), p. 787-792. ISSN 1752-0894, DOI:10.1038/ngeo1273.

 

- Marchesiello P., and P. Estrade, 2010: Upwelling limitation by geostrophic onshore flow. Journal of Marine Research, 68, 37-62. DOI:10.1357/002224010793079004.

 

 

- Capet, X.,F. Colas,J. C. McWilliam, P. Penven, and P. Marchesiello (2008), Eddies in eastern boundary subtropical upwelling systems, in Ocean Modeling in an Eddying Regime, Geophys. Monogr. Ser., vol. 177, edited by M. W. Hecht and H. Hasumi, pp. 131–147, AGU, Washington, D. C., DOI:10.1029/177GM10.

 

- Marchesiello P. and P. Estrade, 2009: Eddy activity and mixing in upwelling systems: a comparative study of Northwest Africa and California regions. International Journal of Earth Sciences, 98 (2), 299-308. DOI:10.1007/s00531-007-0235-6.

 

- Estrade P., P. Marchesiello, A. Colin de Verdiere, C. Roy, 2008: Cross-shelf structure of coastal upwelling : a two-dimensional expansion of Ekman's theory and a mechanism for inner shelf upwelling shut down. Journal of Marine Research, 66, 589-616. DOI: 10.1357/002224008787536790.

 

- Freon P., J. Alheit, E.D. Barton, S. Kifani, and P. Marchesiello, 2006: Modelling, forecasting and scenarios in comparable upwelling ecosystems: Californie, Canary and Humboldt. Large Marine Ecosystems, Vol 14, V. Shannon, G. Hempel, P. Malanotte-Rizzoli, C. Moloney and J. Woods (Ed.), Elsevier.DOI: 10.1016/S1570-0461(06)80014-5.

 

- Capet X.J. ,P. Marchesiello, and J.C. McWilliams, 2004: Upwelling response to coastal wind profiles. Geophysical Research Letters, 31 (13), L13311. DOI: 10.1029/2004GL020123.

 

- Marchesiello P., J.C. McWilliams, and A. Shchepetkin, 2003: Equilibrium structure and dynamics of the California Current System. Journal of Physical Oceanography, 33, 753-783. DOI:10.1175/1520-0485(2003)33<753:ESADOT>2.0.CO;2.

 

 

 

 


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