2005

Thèse

PERRET Gaëlle

L'étude de l'asymétrie cyclone-anticyclone dans les sillages de grande échelle.

Directeurs.rices de thèses : Farge M. & A. Stegner

Date 2005-12-01
Diplôme U. Paris VI

Fiche

Composition du jury

Marie Farge directeur de thèse
Alexandre Stegner co-directeur de thèse
Xavier Carton rapporteur
Joël Sommeria rapporteur
Jérôme Brossard examinateur
Jean-Marc Chomaz examinateur
Herman Clercx examinateur
Vladimir Zeitlin examinateur

Résumé

Les écoulements géophysiques de grande échelle sont définis par une taille caractéristique plus grande que le rayon de déformation. L’observation de ces écoulements a mis en évidence une prédominance des anticyclones. Cette prédominance est également observée dans les modèles. Les anticyclones sont plus gros et plus nombreux que les cyclones dans la turbulence en déclin, ils sont également plus stables lorsque la taille des tourbillons devient plus grande que le rayon de déformation.
Pour étudier le cas des sillages de grande échelle, nous avons utilisé une approche numérique, expérimentale et théorique. L’ensemble de l’étude a été menée dans le modèle de Saint-Venant qui décrit la dynamique d’une couche mince en rotation.
Les simulations numériques, comme les expériences de laboratoire, ont mis en évidence une structure de sillage encore jamais observée : en régime frontal, l’allée tourbillonnaire n’est formée que d’anticyclones. De plus, deux couches de cisaillement se forment et s’étendent jusqu’à deux diamètres derrière l’obstacle, distance à laquelle les tourbillons sont crées.
L’étude de stabilité locale de sillages expérimentaux parallèles permet de déterminer les mécanismes responsables de l’asymétrie. D’une part, l’asymétrie de l’écoulement autour de l’obstacle conduit à une asymétrie dans l’allée tourbillonnaire mais n’explique pas à elle seule la forte déformation des cyclones. D’autre part, le régime frontal stabilise la partie cyclonique de l’écoulement et l’évolution non-linaire de la perturbation produit une structure similaire aux sillages de grande échelle observés dans l’expérience. De plus, dans le cas frontal, le sillage devient instable convectif, contrairement aux allées classiques de von Karman.
Pour déterminer si l’instabilité barotrope tend à favoriser la formation d’anticyclones dans les écoulements de grande échelle, nous avons étendu l’étude de stabilité précédente à des jets, cisaillements et sillages parallèles. L’étude de stabilité de jets montre que le régime frontal tend à stabiliser très fortement les écoulements. Pourtant lorsque les parties cycloniques et anticycloniques des écoulements sont distinctes, i.e. cisaillements ou sillages, seule la partie cyclonique est fortement stabilisée en régime frontal. Dans le cas de cisaillements simples, l’évolution non-linaire de la perturbation donne lieu à la formation de tourbillons cycloniques et anticycloniques axisymétriques. Par contre, lorsque les deux cisaillements sont couplés, comme c’est le cas des sillages, l’apparition des anticyclones en premier déforme la couche de cisaillement cyclonique et inhibe la formation des cyclones.
Ceci peut être un des mécanismes responsables de la prédominance des anticyclones dans les écoulements et structures océaniques de grande
échelle.

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