Improving the capability of a coastal circulation model to forecast the dispersion by merging the model outputs with the Lagrangian drifter data
Amélioration de la prévisibilité de la dispersion du matériel en dérive en zone côtière par fusion d'informations numériques et observationnelles
Résumé
Transport and dispersion processes in the ocean are crucial, as they determine the fate of biological and chemical quantities drifting with ocean currents. Coastal zones, located between the continent and the open ocean, are subject to numerous anthropogenic pressures causing pollution, toxic algal blooms and invasive species. Undersatnding the transport and dispersion processes of particulate matter in these areas is essential to preserve these environments and enable their sustainable management. Numerical circulation models and observation systems have a significant potential to study dispersion processes. However, they are limited by the complexity of the coastal ocean environment and by the lack of spatio-temporal resolution. This thesis aims to contribute to the improvement of the realistic representation and characterization of coastal current convergence structures using fusion of heterogeneous data. This method consists to optimallu interpolate in space and time surface current velocities derived from Lagrangian drifter deployments to constrain different regular surface current fields (modeled, observed by high-frequency radar). In order to test the capabilities of this techniquen it is applied in two very different study regions - the Eastern English Channel and the southeastern Bay of Biscay. The proposed optimization significantly improves the reconstruction of surface current fields, reducing by 50% the Lagrangian error, thus enhancing our understanding of particulate matter transport and dispersion processes. By calculating various Lagrangian quantities such as dispersion, Lyapunov exponents and Lagrangian divergence, it is possible to identify areas of high turbulence and map the spatial distribution of coastal current convergence structures. Hence, thanks to optimization, the identification of coastal current convergence structures is more precise, enabling a better understanding of the transport of particulate matter at the surface of coastal zones.
Les processus de transport et de dispersion dans l'océan sont cruciaux car ils déterminent le devenir des quantités biologiques et chimiques dérivant avec les courants océaniques. Les zones côtières, situées entre le continent et l'océan ouvert, subissent de nombreuses pressions anthropiques causant pollution, prolifération d'algues toxiques et d'espèces invasives. Comprendre les processus de transport et de dispersion de matière particulaire dans ces zones est essentiel pour préserver ces environnements et permettre leur gestion durable. Les modèles numériques de circulation et les systèmes d'observations sont capables de quantifier avec précision l'écoulement turbulent et étudier les processus de dispersion. Mais ils sont limités en raison de la complexité de l'environnement océanique côtier et le manque de résolution spatio-temporelle. Cette thèse vise à améliorer la représentation et la caractérisation réaliste des structures de convergence des courants de surface en recourant à une méthode innovante de fusion de données hétérogènes. Cette méthode consiste à interpoler de manière optimale dans le temps et l'espace les vitesses de courants de surface issues du déploiement de bouées dérivantes afin de contraindre différents champs de courants de surface réguliers (modélisés, observés par radar haute-fréquence). Dans l'objectif de tester la performance de cette technique, elle est appliquée dans deux régions d'étude bien différentes - la Manche orientale et le sud-est du golfe de Gascogne. L'optimisation proposée améliore significativement la reconstruction des champs de courants de surface, réduisant de 50% environ l'erreur lagrangienne, renforçant ainsi la compréhension des processus de transport et de dispersion de matière particulaire. Le calcul de différentes quantités lagrangiennes telles que la dispersion, les exposants de Lyapunov et la divergence lagrangienne permet d'identifier les zones de forte turbulence et de cartographier la distribution spatiale des structures de convergence des courants marins. Aussi, grâce à l'optimisation, l'identification des structures de convergence des courants marins est plus précise, ce qui permet de mieux comprendre le transport de matière particulaire à la surface des zones côtières.
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