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sminaire MIO 5 X 20121 Mixed Layer Depth, Physics and Biogeochemistry L. Prieur LOV [email protected] - Expos orient sur la dtermination de lpaisseur de cette couche (MLD) partir dobservations, avec le support de lanalyse des forcages, de leur variabilit et de certains aspects thoriques. -- Il sera termin par un survol du rle de MLD sur certains rgimes trophiques.

sminaire MIO 5 X 20122 Pourquoi Zm, paisseur de couche mlange? Couche de transition de surface sur laquelle sexercent les flux 0A, chaleur, eau, flottabilit, et aussi tension du vent, changes de gaz; Cp.T*Zm = Qnet*t La rponse de cette couche au forage par les flux sur une dure t est de changer 1/ les contenus correspondants dans la couche mlange et 2/ les variables de surface SST,SSS, SChla, visibles depuis lespace. Les flux de surface sont trs variables lchelle de la journe, jour- nuit, coups de vent agissant sur tous les flux (Evaporation), stabilit de latmosphre, tat de la mer . Si bien que Zm peut changer localement dune heure lautre (selon les critres toutefois). Trs difficile de comparer Zm modle et les Zm observes - les critres sont souvent diffrents. Zm intervient dans la transformation deau et petite chelle; si les modles nont pas les bonnes couches mlanges, ils ne fabriquent pas les mmes eaux que celles de lOcan quils sont censs reprsenter. Zm joue un grand rle sur la production primaire de surface- Zm, Ze, ZN

sminaire MIO 5 X 20123 x kg/m3 z0 Des inversions locales de densit dans la mixed layer de lordre de 0.01 kg.m3 ne sont pas rares dans locan rel. Cycle journalier de la mixing layer (turbocline); Pour Zm leves, il ny a plus vraiment de saut de densit Profil conceptuel Profils plus proches de la ralit si faible p hm

sminaire MIO 5 X 20124 Les flux de surface: thermodynamiques Chaleur QnetWm-2TC Eau E-P ou Qems -1 /Wm-2S Flottabilit J b m 2 s -3 b =( r -)/ o ms -2 MasseJ m kgm -2 s -1 mcaniques 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 = - ( s /g) J b Qe

sminaire MIO 5 X 20129 SEMAPHORE Deltarau vert.

sminaire MIO 5 X 201219 Flux de Flottabilit ; >0 si stratifie contenu de Flottabilit g. ( / o ).zhom t- t = Jb. t ; (profil CTD linstant t) (cumul du flux de surface entre t- t et t) o = -zhom ; = -zhom - critrau utilis : 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 (quation implicite en zhom pour chaque profil CTD) Notion de seuil pour effets ngligs (-u*3/zhom) (kg.m-2) (m2.s-3) ou (W.kg-1) CMTD2 Flux de masse cumul (retir) Defaut de Contenu en masse (Craures) zCM1 pour Craures =1 kgm -2

sminaire MIO 5 X 201220 Analyse des variations des flux de masse pour une fentre circa 1 jour Flux de masse; srie CEP (6 heures) boue BOUS-DYF (kg.m-2 pour 1 jour) Cumul du flux de masse kg.m-2 structure de la srie Cumul pour une fentre 1 jour Pourquoi 1 kg/m2?

sminaire MIO 5 X 201221 Flotteurs MED avant 2008 Comparaison zCM1 et zm0.03 zCM1 zm0.03

sminaire MIO 5 X 201222 Explication exemple sur un flotteur 0.03

sminaire MIO 5 X 201223 Vers CMTD : (profondeur de couche mlange temps dcal, LTMLD) Nanmoins ZCM1 est encore dfini partir dun seuil fix sans prendre en compte lhistoire des flux de flottabilit de surface Avantage: non ncessit de connatre les flux de surface mais seulement leur amplitude journalire Inconvnient: cette amplitude varie de 0.2 3-4 kg/m2 selon saison, vents (vaporation), nuages on peut faire mieux (mthode CMTD) en combinant le cumul temporel flux de flottabilit (cumJb) de surface et un profil de flottabilit suppos plus buoyant que celui (non observ) qui aurait t observ aux dates de chaque minima du cumJb Une fois MLD retire (subduction) la partie homogne du bas de la couche mlange nest plus modifie.

sminaire MIO 5 X 201224 Principe de la mthode CMTD cumJb(t) t t1 t2 Jb1 Jb2 hm(t2) CMTD1(t1) C raures (h)= -h 0 [ -h - (z,t2)]. dz C raures ( CMTD1 )= ( r0/g) [cumJb(t2)- cumJb(t1)] C raures -z hm(t1)? Prendre un profil de densit observ - sa date fixe t2 Calculer le cumul temporel des Jb (Jm) sur plusieurs jours avant cette date Ce cumul gnralement passe par un minimum chaque jour Choisir t1 a la date dun minimum (ici le jour davant) Trouver la profondeur h ou Craures gal le cumul de masse. Cest la MLD max du jour davant ici qui doit tre plus grande que MLD t1. Condition sur les dates (la diffrence des cumJb(ti) avec cumJb(t1)doit tre >0 et constituer une srie croissante) Ici calcul en rtrograde, mais travaille aussi en prograde. Profil observ

sminaire MIO 5 X 201225 SCREENING (zmtdDyfBous.m, serie ProsVI Dyf) Profile 485 12 -Apr-1995 (t2) P (dbars) Craures( kg/m2) 400 0 250 CumJm 63 70 1995 5.5 62 m t1 (1 er Avril) 62 m Zm CMTD (t) 1995 t2

sminaire MIO 5 X 201226 Exemple boum EDDY C retro FIGURE 10 b : Cette figure montre les rsultats du calcul de la CMTD Hivernale maximale dans lhiver 2008 partir du cycle 2 du flotteur 6900679 dont les profils verticaux entre la surface et 700dbars sont tracs en trait bleu continu pour de droite gauche en haut (axe des Y invers) la densit potentielle en excs de 1000 (kg/m3), la salinit et la temprature potentielle (C, par rapport la surface) et en bas gauche pour la masse dficitaire en axe des X (kg/m2). CMTD a t appliqu en mode rtrograde ( winall= 150 jours ; winlag =5 jours) depuis la date du cycle 2, 28-Jun-2008 02:03:28. La date de CMTDH a t trouve tre le 29-Feb-2008 06:00:00, date du maximum en hiver 2008 de cumMFdet.En bas droite la squence des profondeurs de couche mlange dcale est restitue en fonction de la date des maxima intermdiaires de cumMFdet.. On voit que le cur du tourbillon aurait chang assez rapidement de hm autour du 1er mai 2008 si les hypothses du calcul CMTD sont ralistes. La valeur trouve au maximum est 402.5 m le 22 Fvrier 2008.

sminaire MIO 5 X 201227 52 200700 juld2008 52 32 52 32 52 32 52

sminaire MIO 5 X 201228 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 mthode CMTD trouve une profondeur maximale de HM par intervalles de 1 jour en utilisant un profil. Une comparaison des valeurs trouves par Zm0.03 et CMTD indiquent que Zm0.03 correspond la profondeur maximale dans un intervalle de deux jours avant ou aprs le profil, mais surestime gnralement fortement hm pour les hm >200 m Hm limit par la stratification sous jacente (effet de circulation des masses deau) Cycling time of water parcel? < ONE DAY! Le point

sminaire MIO 5 X 201229 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 49N 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?

sminaire MIO 5 X 201230 Steffen and DAsaro JPO 2002 neutral floats W non-rot ~ (B o H) 1/3 W rot =(B o /f) 1/2

sminaire MIO 5 X 201231 E:\copie_disLP_WD\almofront\almof2\resultat\almofr2_clcopin\shet Mixed Layer Depth and Biogeochemistry * Evolution annuelle des interfaces Rgimes trophiques Interfaces Ze, Zn, Zm situations court terme en pseudo equilibre ; temps caractristiques tPhyto tHerbiv tEchelon.Sup et tExp. (1 d, 20d, 30 d, year) Rle 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 temprature les proprits des eaux lors de leur subduction (retrait de MLD) Plus:

sminaire MIO 5 X 201232 0 temps de production plus grand que le temps de vidange de la couche complte, la vitesse de vidance est K -h /h 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 >>> h h tout en restant

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