Submesoscale fronts and vertical velocities at the sea surface from a Lagrangian perspective in the Western Mediterranean

Abstract

[cat] Les estructures oceàniques meso i submesoescala tenen un paper important en la distribució de les propietats de l'aigua arreu del món i a través de la columna d'aigua. A causa del seu impacte en l'estratificació i el transport vertical, els corrents submesoescala són especialment importants per a l'estructura vertical de l'oceà superficial. Tot i ser processos localitzats, els fronts submesoescala, els remolins i els moviments ageostròfics poden generar velocitats verticals molt més grans que les associades als remolins de mesoescala. Aquests moviments verticals tenen una importància global ja que regulen el transport de propietats físiques (temperatura i salinitat) i biogeoquímiques (nutrients, carboni orgànic, gasos dissolts com O2 i CO2 i, finalment, contaminants) a les capes superiors de l'oceà i, per tant, , afectant les interaccions oceà-atmosfera.

Amb una extensió horitzontal de menys d'O (10 km) i una vida útil d'unes quantes hores a dies, els fluxos submesoescala són difícils d'observar amb la tecnologia contemporània. Els vaixells i els planadors solen ser massa lents per proporcionar mesures tridimensionals i les observacions per satèl·lit sovint tenen una resolució temporal limitada. Així, els senyals submesoescala sovint es poden ocultar quan es mesuren des de plataformes eulerianas estacionàries. D'altra banda, les observacions lagrangianes poden proporcionar observacions a escales sub-quilòmetres amb una resolució temporal de 5-10 minuts, però tendeixen a fer mostreig de biaix. A més, els models climàtics no reprodueixen adequadament aquest transport, ja que no tenen la precisió necessària per resoldre els processos submesoescala en dominis extensos i períodes de temps llargs. Per tant, es requereix una combinació de totes les plataformes disponibles (satèl·lits, vaixells oceanogràfics, plataformes lagrangianes, planadors i instruments amarrats) per resoldre la complexa dinàmica submesoescala i les seves interaccions a mesoescala.

Aquesta tesi es desenvolupa dins del marc de la Iniciativa de Recerca Departamental ONR CALYPSO, amb un enfocament principal en el diagnòstic i la caracterització de la convergència i les velocitats verticals a la superfície del mar. L'estudi es basa en mesures in situ obtingudes durant tres creuers de recerca realitzats al Mar Mediterrani Occidental, amb dos al Mar d'Alboran i un a la Mar Balear. El conjunt de dades principal utilitzat comprèn trajectòries Lagrangianes derivades d'observacions de boies a la deriva, que permeten el càlcul de propietats clau del flux, com ara la divergència, la vorticitat o l'estirament. La divergència a dos nivells diferents s'utilitza per estimar la velocitat vertical a una profunditat de 15 metres, particularment en regions amb una forta convergència a la superfície. Aquest anàlisi revela la presència de moviments descendents intensos en aquestes àrees. A més, la tesi inclou un examen de les ocasions frontereres a les dues sub-conques, basat en dades de concentració de clorofil·la superficial derivades de satèl·lits i dades de temperatura de la superfície del mar. La integració de la teledetecció i les dades in situ proporciona una comprensió holística de la dinàmica i la variabilitat dels processos de mesoescla i submesoescla a l'escala de la sub-conca.

[spa] Las estructuras oceánicas de meso y submesoescala desempeñan un papel importante en la distribución de las propiedades del agua en todo el mundo y a lo largo de la columna de agua. Debido a su impacto en la estratificación y el transporte vertical, las corrientes de submesoescala son particularmente importantes para la estructura vertical del océano en superfície. A pesar de ser procesos localizados, las fronteras de submesoescala, los remolinos y las corrientes ageostróficas pueden generar velocidades verticales mucho mayores que las asociadas con los remolinos de mesoescala. Estos movimientos verticales son de importancia global, ya que regulan el transporte de propiedades físicas (temperatura y salinidad) y biogeoquímicas (nutrientes, carbono orgánico, gases disueltos como el O2 y el CO2, y, finalmente, contaminantes) en las capas superiores del océano y, por lo tanto, afectan las interacciones océano-atmósfera.

La observación de los procesos de submesoescala presenta varios desafíos. Ocurren a escalas de aproximadamente 1-10 km horizontalmente y duran horas o días, lo que dificulta su captura con instrumentos tradicionales a bordo de barcos y planeadores, y las observaciones por satélite a menudo están limitadas en cuanto a la resolución temporal. Por otro lado, las observaciones Lagrangianas pueden proporcionar observaciones a escalas subkilométricas con resolución temporal de 5-10 minutos, pero tienden a sesgar el muestreo. Además, los modelos climáticos no reproducen adecuadamente este transporte, ya que no tienen la precisión necesaria para resolver los procesos de submesoescala en dominios extendidos y a lo largo de períodos largos. Por lo tanto, se requiere una combinación de todas las plataformas disponibles (satélites, buques oceanográficos, plataformas Lagrangianas, planeadores e instrumentos anclados) para resolver la compleja dinámica de submesoescala y sus interacciones a mesoescala.

Esta tesis se lleva a cabo en el marco de la Iniciativa de Investigación Departamental ONR CALYPSO, con un enfoque principal en el diagnóstico y caracterización de la convergencia y las velocidades verticales en la superficie del mar. El estudio se basa en mediciones in situ obtenidas durante tres cruceros de investigación realizados en el Mar Mediterráneo Occidental, dos en el Mar de Alborán y uno en el Mar Balear. El conjunto de datos principal utilizado comprende trayectorias Lagrangianas derivadas de observaciones de boyas, lo que permite el cálculo de propiedades clave del flujo, como la divergencia, la vorticidad o la deformación. La divergencia en dos niveles distintos se utiliza para estimar la velocidad vertical a una profundidad de 15 metros, especialmente en regiones con fuerte convergencia en la superficie. Este análisis revela la presencia de movimientos descendentes intensos en estas áreas. Además, la tesis incluye un examen de las ocurrencias de frentes en las dos subcuencas, basado en datos de concentración de clorofila en la superficie y temperatura de la superficie del mar derivados de satélites. La integración de datos de teledetección y datos in situ proporciona una comprensión holística de la dinámica y variabilidad de los procesos de meso y submesoescala a escala de subcuenca.

[eng] Meso and submesoscale oceanic structures have an important role in distributing water properties around the globe and through the water column. Due to their impact on stratification and vertical transport, submesoscale currents are particularly important for the vertical structure of the upper ocean. Despite being localized processes, submesoscale fronts, eddies, and ageostrophic motions can generate vertical velocities that are much larger than those associated with mesoscale eddies. These vertical motions are of global importance since they regulate the transport of physical (temperature and salinity) and biogeochemical (nutrients, organic carbon, dissolved gasses like O2 and CO2, and, finally, pollutants) properties in the upper layers of the ocean and thus, affecting the ocean-atmosphere interactions.

Observing submesoscale processes presents several challenges. They occur on scales of approximately 1-10 km horizontally and last for hours to days making them difficult to capture with traditional shipboard instruments and gliders and satellite observations often are limited in time resolution. On the other hand, Lagrangian observations can provide observations at sub-kilometer scales with 5-10 minute temporal resolution but tend to do bias sampling. Moreover, climate models do not reproduce adequately this transport, as they do not have the accuracy needed to resolve the submesoscale processes over extended domains and long time periods. Therefore, a combination of all the available platforms (satellites, oceanographic vessels, Lagrangian platforms, gliders, and moored instruments) is required to resolve the complex submesoscale dynamics and their interactions at the mesoscale.

This thesis is conducted within the framework of the ONR Departmental Research Initiative CALYPSO, with a primary focus on diagnosing and characterizing convergence and vertical velocities at the sea surface. The study relies on in-situ measurements obtained during three research cruises conducted in the Western Mediterranean Sea, with two in the Alboran Sea and one in the Balearic Sea. The primary dataset utilized comprises Lagrangian trajectories derived from drifter observations, enabling the computation of key flow properties such as divergence, vorticity or strain. Divergence at two distinct levels is employed to estimate vertical velocity at a depth of 15 meters, particularly in regions exhibiting strong surface convergence. This analysis reveals the presence of intense downward motions in these areas. Additionally, the thesis encompasses an examination of frontal occurrences in the two sub-basins, drawing on satellite-derived surface chlorophyll concentration and sea surface temperature data. The integration of remote sensing and in-situ data provides a holistic understanding of the dynamics and variability of mesoscale and submesoscale processes at the sub-basin scale.