Submesoscale dynamics in the western Mediterranean sea

Abstract

[eng] The transition from mesoscale to submesoscale dynamics is investigated in the western Mediterranean Sea (WMed) using a set of ROMS model simulations. The research is structured in a series of sequential stages covering the mesoscale-tosubmesoscale range, starting from a regional overview of the WMed ocean circulation and zooming in towards local processes. The mesoscale exploration is assessed in terms of the Lorenz energy cycle (LEC), which provides a quanti cation of the kinetic-potential energy exchanges through eddymean

ow interactions. The sources of eddy kinetic energy are analyzed by applying a regional formulation of the LEC to 18 years of the ROMSWMED32 numerical simulation at eddy-resolving resolution (3.5 km), which allows identi cation of whether the energy exchange between the mean and eddy ow is local or nonlocal. The patterns of energy conversion between the mean and eddy kinetic and potential energy are estimated in three subregions of the domain: the Alboran Sea, the Algerian Basin, and the Northern Basin. Results from the LEC analysis reveal that the Alboran Sea is the most energetic region in the WMed. The spatial characterization of the energy conversion routes, together with the physical and dynamical characteristics of the area, hints at two principal submesoscale mechanisms involved in maintaining balance: topographic vorticity generation (TVG) and frontogenesis (FG). The transition toward the submesoscale is explored in the Alboran Sea by means of two nested, realistic simulations covering this region with increasing horizontal resolutions ranging from 1:5 km (WMed1500) to 0:5 km (Alb500). Unbalanced submesoscale dynamics emerge in the ner solution as the model resolution is increased. The occurrence of TVG and FG in Alb500 does not display a clear spatial nor temporal variability which facilitates an overall statistical approach. Instead, our analysis is focused on particular events of FG and TVG which are considered to be representative of the Alboran Sea dynamics. TVG is explored and quanti ed using the barotropic vorticity balance equation, in which the generation of vorticity through ow-topography interaction relies on contributions from bottom stress and form drag, the latter being the principal source. FG is analyzed in a recurrent, intense density front located at the eastern edge of the permanent western anticyclonic gyre (WAG) which has a similar structure to that of the climatological Almeria-Oran front. Alb500 accurately reproduces the process of FG in this front, instigated by the straining of the mesoscale velocity eld, and the generation of ageostrophic secondary circulation, exhibiting transient downwelling events reaching peak vertical velocities of O(1) km day􀀀���1. The vertical velocity background revealed throughout the analysis of the Alb500 solution suggests that vertical motions in the Alboran Sea might stem from additional sources of perturbations in the submesoscale range, such as mixed layer instabilities, tidal e ects or topographic internal waves. Exploring these mechanisms and the possible interactions among them is beyond the scope of this Thesis; planned further analysis of the Alb500 simulation using Lagrangian techniques is likely to shed light on such processes.

[spa] La transici on de la mesoescala a la submesoescala se investiga en el Mar Mediterr aneo occidental mediante una serie de simulaciones con el modelo ROMS. El estudio se compone de varias etapas que cubren este rango de escalas, partiendo de una descripci on regional de la circulaci on en el Mediterr aneo occidental hacia los procesos que tienen lugar a escalas locales. El an alisis de mesoescala se lleva a cabo en t erminos del ciclo de energ a de Lorenz (LEC, de sus siglas en ingl es), que permite cuanti car los intercambios de energ a cin etica y potencial que tienen lugar en el uido mediante interacciones entre el ujo medio y el ujo turbulento. Las fuentes de energ a cin etica turbulenta se investigan a partir de ROMSWMED32, una simulaci on de mesoescala (3.5 km) que abarca un periodo de 18 a~nos. Una formulaci on regional del LEC permite discernir si dichos intercambios de energ a tienen un origen local o remoto. Los patrones de conversi on de energ a se investigan en tres subregiones: Mar de Albor an, Cuenca de Argelia y Cuenca de Norte. Los resultados del LEC revelan que el Mar de Albor an es la zona m as energ etica del Mediterr aneo occidental. La distribuci on espacial de las rutas de conversi on de energ a, junto con las caracter sticas geogr a cas y din amicas de esta regi on, sugieren dos mecanismos de submesoescala como principales responsables del mantenimiento del balance de energ a: generaci on topogr a ca de vorticidad (TVG, de sus siglas en ingl es) y frontog enesis (FG). La transici on hacia la submesoescala en el Mar de Albor an se investiga mediante dos simulaciones realistas anidadas que cubren esta regi on, con resoluciones que aumentan desde 1:5 km (WMed1500) hasta 0:5 km (Alb500). La din amica de submesoescala se aprecia en Alb500 seg un aumenta la resoluci on. Los procesos de TVG y FG en Alb500 no presentan una clara variabilidad espacial ni temporal que permita una descripci on estad stica de los mismos. Por tanto, el an alisis de estos mecanismos se lleva a cabo sobre eventos aislados que pueden considererse representativos de la din amica del Mar de Albor an. La cuanti caci on y el an alisis de la TVG se realiza a partir de la ecuaci on del balance de vorticidad barotr opica. La generaci on de vorticidad debido a la interacci on de la corriente con la topograf a se eval ua en t erminos del esfuerzo cortante de fondo (en ingl es, bottom stress) y del arrastre (en ingl es, form drag), siendo este ultimo la fuente principal. La FG se analiza en un intenso y recurrente frente de densidad localizado en el extremo oriental de giro anticicl onico del oeste (WAG, de sus siglas en ingl es) cuya estructura es muy similar a la del habitual frente de Almer a-Oran. Alb500 reproduce de forma precisa el proceso de FG de este frente, inducido por el aumento de tensi on del campo de velocidad geostr o ca super cial, as como el desarrollo de la circulaci on secundaria ageostr o ca asociada al frente, con episodios de intenso movimiento vertical descendente (en ingl es, downwelling) alcanzando velocidades del orden de 1 km al d a. El campo de velocidad vertical que revela el an alisis de la simulaci on Alb500 sugiere que los movimientos verticales en el Mar de Albor an pueden ser originados por otros tipos de perturbaciones de submesoescala, tales como inestabilidades en la capa de mezcla, las mareas, o bien ondas internas de origen topogr a co. La exploraci on de estos mecanismos y de las posibles interacciones que tiene lugar entre ellos va m as all a de los objetivos de esta Tesis, si bien se pretende profundizar en el estudio de dichos procesos con un futuro y exhaustivo an alisis de la simulaci on Alb500 utilizando t ecnicas lagrangianas

[cat] La transici o de la mesoescala a la submesoescala s'investiga a la Mar Mediterr ania occidental a partir d'una s erie de simulacions amb el model ROMS. L'estudi est a format per v aries etapes que abasten aquest rang d'escales, des d'una descripci o regional de la circulaci o a la Mediterr ania occidental, ns als processos que tenen lloc a escales locals. L'an alisi de mesoescala es realitza en termes del cicle d'energia de Lorenz (LEC, de les seves sigles en angl es), que permet quanti car els intercanvis d'energia cin etica i potencial que tenen lloc en un uid degut a les interaccions entre el uxe mitj a i el uxe turbulent. Les fonts d'energia cin etica turbulenta s'investiguen amb ROMSWMED32, una simulaci o de mesoescala (3.5 km) que abarca un periode de 18 anys. Una formulaci o regional del LEC permet diferenciar si aquests intercanvis d'energia s on d'origen local o remot. Els patrons de conversi o d'energia s'investiguen a tres sub-regions: Mar d'Alboran, Conca d'Alg eria i Conca del Nord. Els resultats del LEC mostren que la Mar d'Alboran es la zona m es energ etica de la Mediterr ania occidental. La distribuci o espacial de les rutes de conversi o d'energia, juntament amb les caracter stiques geogr a ques i din amiques d'aquesta regi o, suggereixen dos mecanismes de submesoescala com a principals responsables del manteniment del balan c d'energia: generaci o topogr a ca de vorticitat (TVG, de les seves sigles en angl es) i frontog enesi (FG). La transici o cap a la submesoescala a la Mar d'Alboran s'investiga a partir de dues simulacions realistes niuades que cobreixen aquesta regi o, amb resolucions que augmenten des de 1:5 km (WMed1500) ns a 0:5 km (Alb500). La din amica de submesoescala s'aprecia en Alb500 segons augmenta la resoluci o. Els processos de TVG i FG simulats amb Alb500 no presenten una clara variabilitat espacial ni temporal que faciliti la seva descripci o estad stica. Per tant, l'an alisi d'aquests mecanismes es realitza a partir d'esdeveniments a llats que es poden considerar representatius de la din amica de la Mar d'Albor an. La quanti caci o i l'an alisi de la TVG es realitza mitjan cant l'equaci o de balan c de la vorticitat barotr opica. La generaci o de vorticitat per interacci o del corrent amb la topogra a s'avalua en termes de l'esfor c de tall (en angl es, bottom stress) i de l'arrossegament (en angl es, form drag), que n' es la principal font. La FG s'analitza en un intens i recurrent front de densitat localitzat a l'extrem oriental del gir anticil onic de l'Oest (WAG, de les seves sigles en angl es) d'estructura molt similar a l'habitual front d'Almeria-Or a. Alb500 simula de forma precisa el proc es de FG d'aquest front, provocat per l'augment de tensi o del camp de velocitat geostr o ca super cial, aix com la generaci o de la circulaci o secund aria ageostr o ca associada al front, amb episodis d'intens moviment vertical descendent (en angl es, downwelling) assolint velocitats de l'ordre d'1 km per dia. El camp de velocitat vertical que mostra l'an alisi de la simulaci o Alb500 suggereix que els moviments verticals a la Mar d'Alboran podrien ser causats per altres tipus de perturbacions de submesoescala, tals com inestabilitats dins la capa de mescla, efectes de la marea, o b e ones internes d'origen topogr a c. L'exploraci o d'aquests mecanismes i de les seves posibles interaccions no es l'objectiu d'aquesta Tesi, si b e la futura i exhaustiva an alisi de la simulaci o Alb500 mitjan cant t ecniques Lagrangianes preten profunditzar en el coneixement d'aquests processos.