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Séminaire MIO 5 X 20121 Mixed Layer Depth, Physics and Biogeochemistry L. Prieur LOV - Exposé orienté sur la détermination de lépaisseur.

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1 séminaire MIO 5 X Mixed Layer Depth, Physics and Biogeochemistry L. Prieur LOV - Exposé orienté sur la détermination de lépaisseur de cette couche (MLD) à partir dobservations, avec le support de lanalyse des forcages, de leur variabilité et de certains aspects théoriques. -- Il sera terminé par un survol du rôle de MLD sur certains régimes trophiques.

2 séminaire MIO 5 X Pourquoi Zm, épaisseur de couche mélangée? Couche de transition de surface sur laquelle sexercent les flux 0A, chaleur, eau, flottabilité, et aussi tension du vent, échanges de gaz; ρCp.ΔT*Zm = Qnet*Δt La réponse de cette couche au forçage par les flux sur une durée Δt est de changer 1/ les contenus correspondants dans la couche mélangée et 2/ les variables de surface SST,SSS, SChla, visibles depuis lespace. Les flux de surface sont très variables à léchelle de la journée, jour- nuit, coups de vent agissant sur tous les flux (Evaporation), stabilité de latmosphère, état de la mer …. Si bien que Zm peut changer localement dune heure à lautre (selon les critères toutefois). Très difficile de comparer Zm modèle et les Zm observées - les critères sont souvent différents. Zm intervient dans la transformation deau et à petite échelle; si les modèles nont pas les bonnes couches mélangées, ils ne fabriquent pas les mêmes eaux que celles de lOcéan quils sont censés représenter. Zm joue un grand rôle sur la production primaire de surface- Zm, Ze, ZN

3 séminaire MIO 5 X x kg/m3 z0 Des inversions locales de densité dans la mixed layer de lordre de 0.01 kg.m3 ne sont pas rares dans locéan réel. Cycle journalier de la mixing layer (turbocline); Pour Zm élevées, il ny a plus vraiment de saut de densité Profil conceptuel Profils plus proches de la réalité si faible p hm

4 séminaire MIO 5 X Les flux de surface: thermodynamiques Chaleur QnetWm-2T°C Eau E-P ou Qems -1 /Wm-2S Flottabilité J b m 2 s -3 b =(ρ r -ρ)/ρ o ms -2 MasseJ m kgm -2 s -1 ρ mécaniques Tension du vent u*ms-1EKE u* 3 /hm ver u* w = ( / w ) 1/2 ; =Cd. a.U 10.|U 10 | = - (1/ s ) s /SST (>0) = (1/ s ) s /SSS J m = - (ρ s /g) J b Qe <0 Actions sur les variables de la couche mélangée ρCp.ΔSST*hm = Qnet*Δt; hm=MLD Δb*hm= J b Δt ; Δρ*hm= J m Δt;

5 séminaire MIO 5 X Cas ou Jb stratifie u* 3 /hm versus Jb : longueur de Monin Obukhov: h MO =2 u* 3 /Jb Cas ou Jb dstratifie Les effets mécaniques et thermodynamiques sajoutent pour accroitre hm Comment agissent les forcages mécaniques et thermodynamiques Mécaniques Changent EKE par unité de masse de la colonne deau par u* 3 Qui par instabilités de cisaillement (Kelvin Helmotz) au bas de la CMO peut augmenter lénergie potentielle et accroitre hm Thermodynamiques les flux de flottabilité eux diminue lénergie potentielle (1/2Jb*hm) sils sont positifs (stratifient) ou augmente lénergie potentielle sils sont négatifs (destratifient). Instabilités de gravité, dinertie ou baroclines Les flux mécaniques peuvent accroitre hm mais seuls ne changent pas la flottabilité de la colonne deau.

6 séminaire MIO 5 X Figure 4aAZUR ODAS Buoy Variabilité des flux de flottabilité ou flux de masse DOrtenzio and Prieur 2012 (Jb*ρ/g) τ=1 N/m2; U 10 =30 m/s; u* =3 cm/s Forcages cycliques dépendant de la latidude (soleil) et Forcages aléatoires liés aux effets mécaniques et thermodynamiques du vent Variations interannuelles

7 séminaire MIO 5 X DSR 1995 Mixed layer, mixing layer, remnant layer, diurnal cycle Retrait rapide ( 0 (pb de convention), approfondissement lent( la nuit) Important impact sur hm de la stratification sous jacente Variabilité de MLD hm

8 séminaire MIO 5 X (m2s-3) isolines T

9 séminaire MIO 5 X SEMAPHORE Deltarau vert. << delta rau horiz. 20 km *20 km TOWYO depth Temperature <25.54>25.58 kg.m-3 Nightime Jb u* 3 /50 time IW

10 séminaire MIO 5 X FIG. 2. The annual cycle of Ts versus H from model output, if the NES is excluded (upper solid lines), and including it (dashed lines). The pairs of lines for each case delineate the diurnal ranges. The lower curve shows the loop, with the NES but when the diurnal cycle is not resolved. FIG. 3. (a) The daily range of mixed layer depth h if the NES is excluded (solid lines) and including it (dashed lines); h is slightly larger on average in the NES case. (b) The daily range of sea surface temperature Ts if the NES is excluded. Its inclusion results in slightly lower average Ts (not shown). Ma Ap Sept with Diurnal Cycle MLD SST Months HC= SST*MLD SST From Zahariev and Garrett, JPO 1997 Influence du cycle diurne du flux de chaleur en surface without

11 séminaire MIO 5 X From the surface to the bottom of the mixed layer under strong forcing : - thin (?) Surface Boundary Layer (few meters to 50 meters) strongly variable in time and depth - Uprigth convection - Rotational convection - Remant layer Was it all ? Haine and Marshall JPO 1998, 3d model constant buoyancy forcing, take into account the horizontal gradient of density (weak but sufficient to induce hor.gradient of U) - Gravitational instability (« upright » convection) - Symmetric instabilty convection with non zero vertical gradient but zero potential vorticity - further: baroclinic instability; cycling times of these processes are given. Result in intermittence of turbulence and trajectories of parcel water! Deep MLD

12 séminaire MIO 5 X Case of symetric instabilty Trajectories are slanting along isopycnals Residual (weak ) stratification appears Time of occurrence of this instability? Dependent of ( /f- 1/Ri)f 2 <0 10/T 2 f- u/ y Ri Richardson number N 2 f 2 /M 4 N =-g / z ; M =| -g y| Yaxis across the channel After instability Dans ce cas la CMO est effectivement mélangée, mais en biais, avec une légère stratification verticale

13 séminaire MIO 5 X Day 3 upright convection Day 6 symetric instability ? Day 9 baroclinic instability Pure gravity convection Slanting convection Forcages: Buoyancy Flux Need front Haine and Marshall JPO1998

14 séminaire MIO 5 X POMME: Programme Océanique Multidisciplinaire à Moyenne-Echelle (L. Mémery, G. Reverdin) POMME: Programme Océanique Multidisciplinaire à Moyenne-Echelle (L. Mémery, G. Reverdin) Objectives: -role of mesoscale structures on the subduction of the 12-13°C mode water off the Iberian peninsula -export of biogenic matter over a seasonal cycle Intergyre Zone with « slow southward circulation »; « MLD discontinuity »; Zero buoyancy flux. 4 hydological surveys P0: September 2000 P1: February 2001 P2: April 2001 P3: September 2001 d après G. Caniaux

15 séminaire MIO 5 X MLD MOYENNE zone POMME R/V ATALANTE domain mean MLD (20.65W-16.66W; 39N-44.5N) Cycle annuel de la MLD de 180 m (150 m dans MERA11) avec maximum atteint début mars (début février dans MERA11) Dissymétrie entre les périodes dapprofondissement (4-5 mois) et de retrait (1,5 mois) Dates des towyos: fin Avril 2001 « Effective subduction period » G. Caniaux et al. JGR 2005 Cycle annuel MLD

16 séminaire MIO 5 X Modèles de Couche mélangée; une longue histoire Niiler and Krauss 1977 Livre, Gaspar 1990 JGR, Large et al (ReV.Geophys) Caniaux et al.2005 JGR; …. modèles 3D … … + pour déterminer h (hm) une autre équation portant sur le bilan dénergie cinétique turbulente ou une paramétrisation des longueurs de mélange Peut –on faire simple pour connaître hm à partir dun profil observé de densité (sans passer par un modèle)? Oui certes …. Mais….

17 séminaire MIO 5 X Quelques Méthodes usuelles de détermination de MLD - Visuelle - À seuil p kg/m3 BoyerMontégut et al. JGR A seuil sur gradient vertical - Split and Merge (Thomson and Fine JAOT 2003) - Holte and Talley JAOT 2009 (un mixed de méthodes) - Toutes ces méthodes reposent sur la forme du profil sans faire référence au contenu de la couche mélangée. Cest le contenu de flottabilité qui est modifié par les flux de surface - Cependant chaque méthode a sa vérité! Donc jen ajoute 2 autres ! Oui certes… Mais…

18 séminaire MIO 5 X Méthode diagnostique générique proposée: Bilan de flottabilité (comme bilan de chaleur) Jb t t1 t2 Jb1Jb2 zhom2 zhom1 C b =ƒ t1 t2 J b.dt CbCb z z ZCM Craures X observé

19 séminaire MIO 5 X Flux de Flottabilité ; >0 si stratifie contenu de Flottabilité g. ( / o ).zhom t- t = Jb. t ; (profil CTD à linstant t) (cumul du flux de surface entre t- t et t) o = -zhom ; = -zhom - critrau utilisé : zhom (zCM) tel que :. zhom = -Jb. t.( o /g) ; (contenu en masse) = (flux de masse de surface)* t 0 avec.zhom = -zhom [ -zhom - (z)].dz (équation implicite en zhom pour chaque profil CTD) Notion de seuil pour effets négligés (-u*3/zhom) (kg.m-2) (m2.s-3) ou (W.kg-1) CMTD2 Flux de masse cumulé (retiré) Defaut de Contenu en masse (Craures) zCM1 pour Craures =1 kgm -2

20 séminaire MIO 5 X Analyse des variations des flux de masse pour une fenêtre circa 1 jour Flux de masse; série CEP (6 heures) bouée BOUS-DYF (kg.m-2 pour 1 jour) Cumul du flux de masse kg.m-2 structure de la série Cumul pour une fenêtre 1 jour Pourquoi 1 kg/m2?

21 séminaire MIO 5 X Flotteurs MED avant 2008 Comparaison zCM1 et zm0.03 zCM1 zm0.03

22 séminaire MIO 5 X Explication exemple sur un flotteur 0.03

23 séminaire MIO 5 X Vers CMTD : (profondeur de couche mélangée à temps décalé, LTMLD) … Néanmoins ZCM1 est encore défini à partir dun seuil fixé sans prendre en compte lhistoire des flux de flottabilité de surface Avantage: non nécessité de connaître les flux de surface mais seulement leur amplitude journalière Inconvénient: cette amplitude varie de 0.2 à 3-4 kg/m2 selon saison, vents (évaporation), nuages… on peut faire mieux (méthode CMTD) en combinant le cumul temporel flux de flottabilité (cumJb) de surface et un profil de flottabilité supposé plus buoyant que celui (non observé) qui aurait été observé aux dates de chaque minima du cumJb Une fois MLD retirée (subduction) la partie homogène du bas de la couche mélangée nest plus modifiée.

24 séminaire MIO 5 X Principe de la méthode CMTD cumJb(t) t t1 t2 Jb1 Jb2 hm(t2) CMTD1(t1) C raures (h)= ƒ -h 0 [ρ -h - ρ(z,t2)]. dz C raures ( CMTD1 )= ( r0/g) [cumJb(t2)- cumJb(t1)] C raures -z hm(t1)? Prendre un profil de densité observé - sa date fixe t2 Calculer le cumul temporel des Jb (Jm) sur plusieurs jours avant cette date Ce cumul généralement passe par un minimum chaque jour Choisir t1 a la date dun minimum (ici le jour davant) Trouver la profondeur h ou Craures égal le cumul de masse. Cest la MLD max du jour davant ici qui doit être plus grande que MLD à t1. Condition sur les dates (la différence des cumJb(ti) avec cumJb(t1)doit être >0 et constituer une série croissante) Ici calcul en rétrograde, mais travaille aussi en prograde. Profil ρ observé

25 séminaire MIO 5 X SCREENING (zmtdDyfBous.m, serie ProsVI Dyf) Profile Apr-1995 (t2) P (dbars) Craures( kg/m2) CumJm m t1 (1 er Avril) 62 m Zm CMTD (t) 1995 t2

26 séminaire MIO 5 X Exemple boum EDDY C retro FIGURE 10 b : Cette figure montre les résultats du calcul de la CMTD Hivernale maximale dans lhiver 2008 à partir du cycle 2 du flotteur dont les profils verticaux entre la surface et 700dbars sont tracés en trait bleu continu pour de droite à gauche en haut (axe des Y inversé) la densité potentielle en excès de 1000 (kg/m3), la salinité et la température potentielle (°C, par rapport à la surface) et en bas à gauche pour la masse déficitaire en axe des X (kg/m2). CMTD a été appliqué en mode rétrograde ( winall= 150 jours ; winlag =5 jours) depuis la date du cycle 2, 28-Jun :03:28. La date de CMTDH a été trouvée être le 29-Feb :00:00, date du maximum en hiver 2008 de cumMFdet.En bas à droite la séquence des profondeurs de couche mélangée décalée est restituée en fonction de la date des maxima intermédiaires de cumMFdet.. On voit que le cœur du tourbillon aurait changé assez rapidement de hm autour du 1er mai 2008 si les hypothèses du calcul CMTD sont réalistes. La valeur trouvée au maximum est m le 22 Février 2008.

27 séminaire MIO 5 X juld

28 séminaire MIO 5 X Turbulence is generated / sustained by Driving forces: Wind effects, shear stress, u* w = ( / w ) 1/2 ; =Cd. a.U 10.|U 10 | Buoyancy flux (losses of buoyancy, ocean cooling) Jb or Bo (m2.s-3) Surface effects (waves, langmuir cells) Internal waves, submesoscale and mesoscale instabilities Hm strong temporal variability La méthode CMTD trouve une profondeur maximale de HM par intervalles de 1 jour en utilisant un profil. Une comparaison des valeurs trouvées par Zm0.03 et CMTD indiquent que Zm0.03 correspond à la profondeur maximale dans un intervalle de deux jours avant ou après le profil, mais surestime généralement fortement hm pour les hm >200 m Hm limité par la stratification sous jacente (effet de circulation des masses deau) Cycling time of water parcel? < ONE DAY! Le point

29 séminaire MIO 5 X Cycling time in mixing layer (depth is strongly variable in time): more than 1 cycle per day wathever the mixing layer depth In the mixing layer each cell of phytoplancton receives the same irradiation for 2, 3, 4 days ( Is an relevant hypothesis ?) What are the influence of the intermittence of ligth on growth cell? We observed in February 1997 inside a 200km diameter anticyclonic eddy at 49°N 45 ° W (Caniaux, et al, GRL 2001) homogoneous concentration of phytoplancton down to 750 m !!! Qe –700 w.m-2 for 15 days ; SST 13 °C Integrated biomass was circa 45 mg.m-2 Chla, in Winter with low Chla concentration. See also Backhaus et al. 2003, MEPS. Production inside thick mixed layer could be significative. Why?

30 séminaire MIO 5 X Steffen and DAsaro JPO 2002 neutral floats W non-rot ~ (B o H) 1/3 W rot =(B o /f) 1/2

31 séminaire MIO 5 X E:\copie_disLP_WD\almofront\almof2\resultat\almofr2_clcopin\shet Mixed Layer Depth and Biogeochemistry * Evolution annuelle des interfaces Régimes trophiques Interfaces Ze, Zn, Zm situations court terme en pseudo equilibre ; temps caractéristiques tPhyto tHerbiv tEchelon.Sup et tExp. (1 d, 20d, 30 d, year) Rôle de Zm Hivernale comme Pilote des R. T. Production primaire: hv + Nutriments + ….phytoplancton ML zone de saturation - en O2 (rapide) en CO2 (lent)- qui fixe selon la température les propriétés des eaux lors de leur subduction (retrait de MLD) Plus:

32 séminaire MIO 5 X temps de production plus grand que le temps de vidange de la couche complète, la vitesse de vidance est K -h /δh et elle est telle quelle limite la vitesse daccroissement de la biomasse pour lensemble de la couche ; cette vitesse de vidange nest cependant pas assez grande pour vider la couche. Si K -h est grand C=C°; grand veut dire >>> μh δh tout en restant <= K m Si lon égalité (K -h diminue par exemple à μ constant) C tend vers linfini. Pour des valeurs plus faibles de K -h on ne peut plus considérer ce modèle (C<0) ; il y a donc un cas critique Kcr (minimum de K -h ) pour lequel la biomasse augmente indéfiniment!!!. Un modèle similaire avec limitation de sels nut peut être construit, mais avec taux de croissance limité par N et consommation de phyto par broutage et mortalité. (Dutkiewicz et al. DSR II 2001); cas production estivale AN. Chla Cas théorique simple: conditions de production de phyto (C alias Chla) dans CMO avec perte par diffusion Au bas de la couche mélangée (z=-h) ; pas de limitation N Pas de production dans couche inférieure 1- Km coeficient de diffusion verticale dans CMO 2000m 2 d -1 ; K -h 50 à 2000 m 2 d -1 ; infini dans couche inférieure 2- Cm constant(en z); µ< K m /h 2 hC°; K -h << K m C>C° si ou t prod >t vidange ! Z <0 C° CKmKm K -h µ h δh

33 séminaire MIO 5 X h=50 m h=150 m m= K -h /µhδhC/C°= 1/(1-m) td=Ln(2)/µ (d); µ en d -1 ; 0.5

34 séminaire MIO 5 X Start (1081 cast): 200 m mixed layer, Fluo Homogeneous Depth of euphotic layer: ca m Rains after 1082 ? + Low Jb losses Stratification Turbulence (convection) limited to 40 m upper layer Doubling Biomass for 2 days Biomass did not change in m layer Production was limited by turbulence for casts Jb Chla – depth profiles lag 0.05 Rau – depth profiles lag 0.02 kg/m m Exemple de subduction instantanée (2 jour): retraits de Zm POMME 1 Leg2 Site 1 (A2 center)

35 séminaire MIO 5 X /04/2001 SLA TOPEX-ERS2 (cm) 02/05/2001 TOWYO3 (black) TW1P2L °4252 N 019°4525 W TW2P2L °4406 N 019°4482 W TW3P2L °5866 N 017°2818 W Cast date hour (Start) position (Start) TOWYO1 TOWYO2 (black) POMME 2 LEG 2 TOWYO Sections dbars 38°N 45°N 21.5°W15.5°W modified from A. Paci thesis (2006) On the end of effective subduction period

36 séminaire MIO 5 X A2 | C4 C4 | S | Fr C5b | | A kg/m3 ZmHiv RD SCV pycnostad

37 séminaire MIO 5 X ml/l O2O2 A2 | C4 C4 | S | Fr C5b | | A1 RD SCV pycnostad Fil. pauvres O2 Fil. Riche O2

38 séminaire MIO 5 X A2 | C4 C4 | S | Fr C5b | | A1 0.1 ml/l bold: 0.1 kg/m3 AOU RD ZmHiv AOU(ZmHiv) ~ ml/l

39 séminaire MIO 5 X Rd TW1 TW2 O2 S X km σ σ A2 S Fr C4

40 séminaire MIO 5 X A1 SCV FIL C5b FIL S A1 SCV FIL C5b FIL S 42.5N43°N TW3 X km σ σ O2 S ml/l

41 séminaire MIO 5 X ALMOFRONT 2 Dec-1997 (cooling period) Eastern Alboran Sea (Med) Energy High 160km-160 km Rd 15 km Above: situation of jet, front and well developped anticyclonic eddy Next: Stationarity of mesoscale field: 1th to 18th on December as shown along radiale (pink)

42 séminaire MIO 5 X TACMED Zn ZmHiv Zm DCM Ze interfaces

43 séminaire MIO 5 X ZmZnZe CHLanut rau Stratif N2: Highvery Lowlow Nut: exhaustednot exh.exh. or not depending ligth and herbiv. Chla : med. (regen.)very low high Summer Winter (meso trophic) Ed highEd low Ed med, low or high LTRHTRFitted Situations short term

44 séminaire MIO 5 X C A B C B

45 séminaire MIO 5 X Fort impact de la WMLD sur la biogéochimie dans les tourbillons anticycloniques mesoscale et pour leur durée de vie (eau ventilée plus récemment) Le minimum du coefficient de turbulente proche du bas de la couche photique peut régler la transition HTR - LTR (Couche mélangée à forte biomasse ou DCM). Cette transition est effectuée pour une valeur relativement forte de Kcr; il peut exister de la biomasse P faible en surface avec taux de croissance faible mais une forte biomasse Z et des sels nutritifs non utilisés. Le temps de cyclage des celllules de phyto dans ML est inférieur à 1 jour, même avec hm de m avec une biomasse P intégrée non négligeable mais Z faible. Lintroduction du cycle diurne des forçages a un fort impact sur hm, durant la période hivernale (effet mésestimé) La stratification de locéan (retrait de MLD) se fait par le dessus (effet rapide), la destratification demande de lénergie potentielle (effet plus lent). Les instabilités symétrique et barocline restratifient la CMO (intrusion de leau légère en surface) et agit contre les forçages destratifiants (effet important pour le production [hivernale] et printanière, dAsaro 2011 Science, Mahadevan 2012 Science, Martin..Perry…dAsaro DSR I 2012 ) Ce qui règle les régimes trophiques (cycles annuels) est sans doute lintensité, la durée et la profondeur du minimum local de Kz (axe de réflexion)

46 séminaire MIO 5 X FIN Pratique: détermination de MLD obs Methode ZCM semble plus réaliste que méthodes usuelles Methode CMTD ouvre des horizons…. Aspects Intéressants en cours détude.

47 séminaire MIO 5 X A2 | C4 C4 | S | Fr C5b | | A psu S RD Fronts S, T isopycnaux

48 séminaire MIO 5 X A2 | C4 C4 | S | Fr C5b | | A1 0.2 °C T RD

49 séminaire MIO 5 X A2 | C4 C4 | S | Fr C5b | | A1 0.1 ml/l bold: 0.5 ml/l AOU RD


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