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MASTER SCIENCES DE LA MER P ARCOURS :P HYSIQUE DU MILIEU POUR L ’É VALUATION DES RISQUES Pierre AGIUS Étude de la circulation océanique dans le détroit de Gibraltar et en mer d’Alboran pendant la campagne PROTEVS-GIB 2020 RAPPORT DE STAGE RÉALISÉ AU SEIN DU LABORATOIRE : I NSTITUT MÉDITERRANÉEN D’OCÉANOLOGIE S OUS LA DIRECTION DE : A NDREA DOGLIOLI, L UCIE BORDOIS E NCADRANT DE LA FORMATION : Y ANN OURMIÈRES Année Universitaire : 2020-2021

Étude de la circulation océanique dans le détroit de

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Page 1: Étude de la circulation océanique dans le détroit de

MASTER SCIENCES DE LA MERPARCOURS : PHYSIQUE DU MILIEU POUR L’ÉVALUATION DES RISQUES

Pierre AGIUS

Étude de la circulation océanique dansle détroit de Gibraltar et en merd’Alboran pendant la campagne

PROTEVS-GIB 2020RAPPORT DE STAGE RÉALISÉ AU SEIN DU LABORATOIRE : INSTITUT

MÉDITERRANÉEN D’OCÉANOLOGIE

SOUS LA DIRECTION DE : ANDREA DOGLIOLI, LUCIE BORDOIS

ENCADRANT DE LA FORMATION : YANN OURMIÈRES

Année Universitaire : 2020-2021

Page 2: Étude de la circulation océanique dans le détroit de

Engagement de non plagiat.

Je soussigné, ……………………………………………………………………………………………

N° carte d’étudiant : ……………………………………………………………………………………

Déclare avoir pris connaissance de la charte des examens et notamment du paragraphe spécifique au plagiat.

Je suis pleinement conscient(e) que la copie intégrale sans citation ni référence de documents ou d’une partie de document publiés sous quelques formes que ce soit (ouvrages, publications, rapports d’étudiant, internet etc…) est un plagiat et constitue une violation des droits d’auteur ainsi qu’une fraude caractérisée.

En conséquence, je m’engage à citer toutes les sources que j’ai utilisées pour produire et écrire ce document.

Fait le ………

Signature(s)

Ce document doit être inséré en première page de tous les rapports, dossiers et/ou mémoires.

Document du chapitre 10 annexe 5, issu de la Charte des examens adoptée en Conseil d’Administration le 11 juillet 2013 après avis du CEVU du 27 juin 2013 - Délibération N°2013-73- Modifié suite CFVU du 12/03/2015

Pierre Agius

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01/06/2021

Page 3: Étude de la circulation océanique dans le détroit de

Remerciements

Page 4: Étude de la circulation océanique dans le détroit de

Table des matières1 Introduction 2

2 Matériel et méthode 62.1 Partie hydrologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.1 Instruments de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.2 Recalibration des données MVP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.3 Choix des valeurs théoriques des masses d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.4 Méthode d’obtention des diagrammes T-S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.5 Méthode d’obtention des profils verticaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Partie hydrodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.1 Instruments de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.2 Traitement des données à l’aide du logiciel Cascade . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.3 Comparaison des données mesurées par les différents ADCP . . . . . . . . . . . . 112.2.4 Interpolation des données par la méthode d’objective mapping . . . . . . . . . . . 112.2.5 Comparaison des différents niveaux de profondeur . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.6 Comparaison avec les données satellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 Résultats 153.1 Partie hydrologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.1.1 Visualisation de l’ensemble des données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.1.2 Caractérisation des masses d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2 Partie hydrodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4 Discussion 19

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1 IntroductionL’évaporation de la mer Méditerranée est plus importante que les apports en eau des précipitations

et en ruissellement. Celle-ci étant une mer semi-fermée, l’équilibre des bilans hydriques s’effectue grâceaux échanges se produisant dans le détroit de Gibraltar. Ce détroit est donc une région de transition entredeux bassins aux caractéristiques océanographiques contrastées (Parrilla, 1990), la mer Méditerranée etl’Océan Atlantique. Le détroit de Gibrlatar régit une circulation de surface à grande échelle très complexe(Parrilla et al., 1986), soumise à d’importantes variations saisonnières (Vargas-Yáñez et al., 2002). Deplus, on observe dans le détroit une forte interaction entre l’hydrodynamique et la topographie particulièrede cette zone (Romero-Cózar et al., 2021). L’échange dans le détroit est habituellement décrit comme unecirculation à deux couches, avec en surface les eaux atlantiques s’écoulant vers la Méditerranée tandis qu’enprofondeur les eaux méditerranéennes plus denses sortent vers l’Atlantiquee (Armi and Farmer, 1988).Un lieu singulier dans ce détroit est le seuil de Camarinal (Camarinal Sill), situé à l’Ouest du détroit.On y observe une profondeur de seulement 300m environ, ce qui est peu comparé aux 900m de la partieEst du détroit (Macías et al., 2006). L’interaction des masses d’eau en mouvement avec cette topographietranchante provoque des processus ondulatoires intenses, tels que des mascarets ou des vagues internes quipeuvent induire un mélange entre les différentes masses d’eau présentes au niveau seuil (Bruno et al., 2002).

En traversant le détroit, l’eau de surface Atlantique (SAW, Surface Atlantic Water) est transformée eneau plus salée et plus froide, et donc plus dense (Millot et al., 2006). Ces masses d’eau formées dans lessous-bassins de la mer Méditerannée sont appelées typical Mediterranean Waters (tMWs), et présententchacunes des caractéristiques hydrologiques différentes. Ces tMWs sont plus ou moins différenciées selonla zone de la mer Méditerranée que l’on étudie, et certaines se mélangent pour former de nouvelles massesd’eau. Ce processus de mélange peut s’avérer si intense à certains endroits spécifiques que les masses d’eaupeuvent devenir complètement non-identifiables (Millot et al., 2006). Les tMWs circulent à l’intérieur dela mer Méditerranée par le canal de Sicile (reliant les bassins Est vers et Ouest), et s’écoulent vers l’océanAtlantique par le détroit de Gibraltar (Millot et al., 2006).

La Levantine Intermediate Water (LIW) est la tMW la plus chaude et la plus salée. Elle est facilementreconnaissable sur les diagrammes T-S en mer d’Alboran où elle est caractérisée par θ~13.1–13.2°C, S~38.5(Millot et al., 2006). C’est la moins dense des tMWs et a été décrite par Millot (1999) comme s’écoulantde la partie nord du détroit de Gibraltar à une profondeur de 100 à 200 m. Le flux méditerranéen sortant dudétroit plonge à l’Ouest du seuil, se mélangeant aux eaux environnantes et créant une "langue" chaude etsalée qui peut être identifiée dans tout l’Atlantique Nord à des profondeurs de 1000 à 1200 m (Millot et al.,2006).

Le cycle de marée et son amplitude apparaissent comme des facteurs de forçage provoquant des évé-nements de mélange périodiques au niveau du seuil de Camarinal. Ces événements de mélange peuventenrichir la couche de surface atlantique en apportant une eau profonde chargée en nutriments (Macías et al.,2006). Par conséquent, ces phénomènes de mélange ont à la fois des implications biologiques et biogéochi-miques importantes au niveau régional et même au niveau du bassin (Macías et al., 2006).

Des tourbillons anticycloniques de subméso-échelle sont induits par la marée, et formés à l’embouchureEst du détroit de Gibraltar. Ils jouent un rôle important dans l’explication des caractéristiques à méso-échelledu système Atlantic Jet – Western Alboran Gyre (AJ-WAG). Ces tourbillons induits par la marée peuventcontribuer à la déstabilisation du système AJ-WAG, lorsque des vents d’Est forts et persistants coïncidentavec des périodes de forte amplitude du courant de marée. Dans ces cas, le forçage météorologique produitun AJ faible et dévié vers le sud, presque déconnecté du WAG déplacé vers l’Est (Romero-Cózar et al.,2021).

La mer d’Alboran est la zone la plus à l’Ouest de la mer Méditerranée. Elle s’étend du détroit deGibraltar jusqu’à la ligne imaginaire entre Almeria (Espagne) et le Cap Figalo (Algérie). Comprendre lacirculation de surface de la mer d’Alboran et sa variabilité importante est fondamental en raison de sesimplications physiques et biologiques. Une des particularités océanographiques de cette zone est le fluxd’eau Atlantique entrant en mer d’Alboran sous forme de jet-stream (courant-jet), l’Atlantic Jet (AJ). Cecourant-jet entoure une accumulation d’eau connue sous le nom de Western Alboran Gyre (WAG) (Renault

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Page 6: Étude de la circulation océanique dans le détroit de

et al., 2012). Ces deux caractéristiques constituent le système AJ-WAG.L’océan interagit avec l’atmosphère sur plusieurs les échelles de temps et les impacts associés sur les

écosystèmes marins sont d’intérêt mondial. Les mers côtières, semi-fermées comme la mer Méditerranéesont une préoccupation majeure depuis que les variations climatiques naturelles sont masquées par cellesintroduites par les activités humaines lourdes. La mer d’Alboran est un système dynamique connu pour pré-senter un ensemble complexe d’interactions découlant des processus locaux, régionaux et hémisphériques,et est donc un bon exemple pour les mers semi-fermées (Criado-Aldeanueva et al., 2012). L’ Atlantic Jetpénètre dans la mer d’Alboran par le détroit de Gibraltar, et est le principal forçage des processus hydro-dynamiques en mer d’Alboran. Il s’écoule avec une estimation de vitesse d’environ 1 m/s et actionne lacirculation dans la mer d’Alborán influençant l’upwelling côtier dans le secteur nord-ouest du bassin (Ma-cias et al., 2016). L’AJ alimente le WAG avec une persistance apparente de l’ordre de l’année, et avec undiamètre typique de 100 à 150 km environ entre le détroit de Gibraltar et 3,5° W de longitude. Un gyreanticyclonique moins intense et récurrent appelé le Eastern Anticyclonic Gyre (EAG) peut parfois existerentre 2,5° et 1,5° W longitude et est également alimenté par l’AJ. Le WAG et l’EAG sont situés sur les bas-sins Ouest et Est de l’Alboran, leurs profondeurs maximales respectives sont de 1200 m et 1800 m (Renaultet al., 2012). Ils sont séparés par la crête d’Alboran (Alboran Ridge). Le régime de circulation des deuxgyres (WAG + EAG) prévalent dans les mois d’été, et on a en revanche pendant les mois d’hiver seul legyre anticyclonique (WAG) et/ou le régime de jet côtier (Renault et al., 2012).

Le bassin méditerranéen simplifié est schématisé par un bassin oriental et un bassin occidental reliés parle Détroit de Sicile (Strait of Sicily). Dans le bassin Est, les eaux intermédiaires levantines (LIW/LevantineIntermediate Water) se forment par convection en mer ouverte (open-sea) tandis que dans le bassin Ouest,la WMDW est formée par convection profonde. La LIW est une masse d’eau contribuant en permanenceau flux sortant de détroit de Gibraltar. Cependant, la possibilité que la WMDW participe de manière signi-ficative au flux sortant, a été présentée pour la première fois par Stommel et al. (1973), qui ont attribué saprésence à l’aspiration de Bernoulli (=Effet Venturi ?) de cette eau depuis une grande profondeur au-dessusdu seuil principal de Camarinal dans le SoG dans la MedS. Il est désormais admis que cette eau profondefait partie en permanence du flux sortant du détroit (Naranjo et al., 2015). Les études portant sur les fluxsortants, à l’intérieur et à proximité du SoG se concentraient donc initialement sur les deux principales eauxméditerranéennes, la LIW et la WMDW, qui sont facilement identifiables par leurs caractéristiques hydrolo-giques (Naranjo et al., 2015). Les récents efforts déployés pour clarifier ces caractéristiques hydrologiquesdes masses d’eau quittant la MedS par l’intermédiaire du SoG ont suggéré la présence d’autres masses d’eauméditerranéennes, plus précisément l’eau dense tyrrhénienne (TDW/Thyrrenian Dense Water) et l’eau in-termédiaire d’hiver (WIW/Winter Intermediate Water) (Millot et al. (2006), Millot (2009)). La première(TDW) est formée par le mélange d’une ancienne WMDW avec la LIW nouvellement entrée dans l’ouestde la MedS par le détroit de Sicile (Millot et al., 2006). La WIW est formée de façon saisonnière par convec-tion de l’eau de l’Atlantique modifiée et refroidie en conditions hivernales le long du plateau continental dubassin liguro-provençal et de la mer de Catalogne (Vargas-Yáñez et al., 2012). À sa source, il s’agit de l’eaula plus froide de l’Ouest de la MedS (Millot, 1999). Ces MWs (Mediterranean Waters) sont assez bien dif-férenciées (lorsqu’elles sont présentes) du côté Est du détroit de Gibraltar (Millot, 2009), mais la questionreste de savoir si elles sont encore distinguables à l’Ouest du SoG une fois que les eaux méditerranéennesont traversé le seuil Camarinal. On observe une distribution spatiale sensiblement différente des massesd’eau dans chacune des deux parties du SoG (Est-Ouest) à cause de la dynamique exceptionnelle causéepar la marée dans la région, qui est augmentée fortement aux alentours du seuil de Camarinal et à l’Ouestde celui-ci (Naranjo et al., 2015). Les courants de marée barotropes interagissent avec la topographie duSoG, principalement avec le seuil de Camarinal, afin de produire une marée interne remarquable (Candelaet al., 1990). Les transitions de l’écoulement écoulement torrentiel (super-critique) à fluvial (sous-critique)dans les différentes sections critiques du détroit se produisent à des moments précis du cycle des marées, cequi améliore le mélange (García Lafuente et al., 2013), et qui est responsable de la disparition des identitésdes masses d’eau dans la moitié Ouest du détroit . Millot (2014), a proposé que quatre des MWs peuventencore être détectées jusqu’à 6º15’ W à l’Ouest du seuil principal, et même, repérées le long du golfe deCadix dans l’Océan Atlantique. Cette idée diffère de la vue largement répandue d’une eau méditerranéenne

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qui sort du SoG comme un panache mélangé avec des propriétés typiques de θ~13°C et S~38.4 (Baringerand Price, 1997) dans lequel les masses d’eau ne sont pas discernables (Naranjo et al., 2015).

Les effet des vents le long de la côte combinés avec la rotation de la Terre induisent deux phénomènesprincipaux : une remontée d’eau côtière causée par la divergence de l’eau en surface (upwelling) ou alorsune élévation du niveau de la mer le long de la côte conduisant à une plongée des eaux (downwelling),dépendant du sens dans lequel le vent souffle et de l’hémisphère dans lequel on se trouve. Ainsi, lors d’unépisode de vent vers l’Ouest par exemple, les eaux à l’intérieur du détroit seront soumises aux forçages descourants associés à l’upwelling généré le long de la côte Sud (Maroc) et à une élévation du niveau de lamer (downwelling) le long de la côte Nord (Espagne). L’upwelling côtier se développe rapidement aprèsl’apparition de vents favorables, et affecte fortement les mouvements verticaux et horizontaux de l’eauet la redistribution des composantes physique, biologique et chimique de la mer (Stanichny et al., 2005).Les interactions des courants induits par l’upwelling avec les mouvements de marée et l’Atlantic Jet sontdestinés à moduler la structure de la circulation typique dans le détroit de Gibraltar, et pourraient jouerun rôle important dans régulation des processus d’échange d’eau dans le détroit (Stanichny et al., 2005).L’upwelling côtier le long de la côte africaine du détroit de Gibraltar semble être un phénomène fréquent quiaffecte fortement le transport de l’eau. Les vents d’Est (direction Ouest) induisent un système complexe demouvements verticaux et horizontaux le long du détroit ainsi que le traversant (Stanichny et al., 2005). Lacôte nord, plus ou moins située à distance correspondant au rayon de Rossby, provoque quelques différencesdans les courants générés par l’upwelling en comparaison avec un système classique d’upwelling en merouverte. L’augmentation du gradient (transversalement au détroit) de l’élévation de la surface induit par levent, conduit à l’apparition d’un courant géostrophique additionnel dirigé vers l’Atlantique. Une relationclaire est obtenue entre la composante zonale du vent (vers l’Ouest) et la différence de niveau de mer àtravers le détroit. Il est démontré que le vent (en direction de l’Ouest) génère des courants marins dans lacouche supérieure et vont dans la direction opposée à la moyenne des flux typiques entrants de l’Atlantique,de sorte que le rythme et l’intensité de tels événements de vent modulent fortement les échanges dans ledétroit de Gibraltar. L’absence de régimes d’eau froide le long de la côte Nord pendant les vents Est-Ouests’explique par la superposition de courants Atlantic Jet et du courant d’upwellings qui réduisent le tempsde passage de l’eau à moins de la période inertielle (Stanichny et al., 2005). L’interaction entre les courantsinduits par les upwellings, les mouvements dus à la marée et ceux dus à l’Atlantic Jet modulent fortementla structure de la circulation autour du détroit de Gibraltar, et pourrait jouer un rôle significatif dans larégulation des processus d’échanges dans le détroit (Candela et al., 1989).

La campagne PROTEVS-GIB 2020 (PRévision Océanique Turbidité Écoulement Vagues et Sédimen-tologie – GIBraltar) s’est déroulée du 3 au 23 octobre 2020 à bord du RV (Research Vessel) L’Atalante.Cette campagne menée par le SHOM en association avec les laboratoires d’Aérologie, LEGOS-IRD, MIO,LOPS ainsi que la DHOC marocaine, avait pour objectif l’étude de la circulation océanique dans le détroitde Gibralatar, et plus particulièrement l’étude des phénomènes influençant les flux entrants et sortants. Celacomprend les processus de fine et méso-échelles, les upwellings et downwellings, la marée (impliquantun ressaut hydraulique et des ondes internes organisées en train d’onde), et le vent. De nombreux moyensd’observation ont été déployés au cours de cette campagne tels que des engins remorqués oscillants (MVPet Seasoar), des sondeurs acoustiques (VMADCP, V50, échosondeur ER60) permettant la visualisation destructures dynamiques, des mouillages permettant l’acquisition de profils de divers paramètres, ainsi quedes bouées dérivantes. En complément de cela, des données satellites ainsi que des données de modélisationont été utilisées(Bordois, 2020).

Le stage s’est déroulé en deux parties, une première portant sur sur l’étude des données hydrologiquesde la campagne (température,salinité...) fournies principalement par les engins oscillants déployés, et uneseconde partie sur l’étude des données hydrodynamiques apportées par les trois modèles d’ADCP.

La problématique de la partie hydrologique consiste en la comparaison de deux théories différentesconcernant la disposition des masses d’eau méditerranéennes et atlantiques traversant le détroit de Gibraltar.La première théorie, tirée de l’étude de Naranjo et al. (2015) soutient l’idée que les différentes masses d’eau

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sont empilées verticalement (les unes sur les autres) peu importe la longitude.

FIGURE 1 – Schématisation de la structure des flux atlantiques (SAW, NACW) et méditerranéens (WIW,LIW, TDW, WMDW) entrants et sortants du détroit de Gibraltar (Millot, 2014)

La seconde, tirée de l’article de Millot et al. (2006) indique que l’empilement des masses d’eau va varierselon la longtiude. On aurait ainsi en mer d’Alboran les masses d’eau empilées les unes au dessus des autrescomme le suppose l’étude de Naranjo, cependant au fur et à mesure que l’on traverse le détroit il est faitl’hypothèse que les masses d’eau méditerranéennes s’écoulent plutôt côtes à côtes.

FIGURE 2 – Distribution schématique des masses d’eau méditerranéennes et atlantiques déterminéees paranalyse de cluster (Naranjo et al., 2015)

Notre objectif sera donc de voir si notre jeu de données se rapproche plutôt de l’une ou de l’autre de cesthéories.

Pour la partie hydrodynamique, on se concentrera sur l’étude des courants horizontaux en mer d’Al-boran, où notre objectif sera tout d’abord de comparer les données mesurées par les différents modèlesd’ADCP utilisés pendant la campagne, pour ensuite reconstruire les champs de courant horizontaux parinterpolation dans cette zone afin de les comparer aux données satellites.

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2 Matériel et méthode

2.1 Partie hydrologique2.1.1 Instruments de mesure

L’objectif du stage était dans un premier temps de s’intéresser au caractère hydrologique des donnéesde la campagne. Les données qui ont été traitées dans cette partie sont issues principalement de l’instru-mentation de deux engins remoqués oscillants : le MVP et le Seasoar. Le MVP (Moving Vessel Profiler)fonctionne selon une phase de chute libre de la sonde suivie d’une phase de remontée à l’aide d’un treuil, cequi donne des profils "en dent de scie" en répétant ces deux phases. Il est equipé de capteurs CTD (Conduc-tivity Temperature and Depth) et a été déployé pendant la campagne PROTEVS-GIBRALTAR 2020 jusqu’àune profondeur de 350m.

FIGURE 3 – Schémas de fonctionnement des deux engins remorqués oscillants utilisés pendant la cam-pagne : le MVP (à gauche) et du Seasoar (à droite)

Le Seasoar quant à lui est équipé d’ailettes pivotantes permettant de moduler sa profondeur, ce qui donnedes profils de type sinusoïdaux. Il est équipé comme le MVP de capteurs CTD mais il permet égalementd’obtenir des données biologiques et chimiques complémentaires telle que la concentration en oxygènedissous. Il a procuré des données jusqu’à 350m de profondeur pendant la campagne.

L’interpolation des données brutes du MVP et du Seasoar nous permet d’obtenir des profils verticaux lelong de la route du bateau.

Afin de compléter ces données, on utilisera également les données bathysonde (aussi couramment appelésonde CTD) et les données des flotteurs profileurs dérivants ARGO, qui nous permettront d’obtenir desdonnées plus profondes que le MVP et le Seasoar, limités à 350m pendant la campagne.

Cet ensemble de données de la campagne PROTEVS-GIB représente ainsi une grande quantité de fi-chiers à traiter, avec notamment 50 radiales effectuées et plus de 1200 fichiers pour le MVP, qui a étél’instrument le plus déployé. Les trois autres instruments apportent une quantité de données plus faiblemais néanmoins très intéressante permettant de compléter celles du MVP, avec une vingtaine de profilsCTD réalisés ainsi que 8 transects Seaosar.

2.1.2 Recalibration des données MVP

Afin de comparer les deux théories sur la répartition des masses d’eau, abordées par Millot (2014) etNaranjo et al. (2015), on étudiera une série de radiales MVP et bathysonde transverses au détroit. Celanous permettra de visualiser l’évolution de la disposition des différentes masses d’eau en fonction de lalongitude. On tracera donc pour chaque radiale un diagramme T-S ainsi que des profils de température etsalinité.

Il est cependant nécessaire d’effectuer au préalable une étape de recalibration des données MVP parrapport aux données bathysonde. Les deux instruments peuvent en effet avoir un certain décalage de sur

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FIGURE 4 – Carte du détroit de Gibraltar montrant les radiales MVP et bathysonde utilisées pour la carac-térisation des masses d’eau atlantiques et méditerranéennes.

les capteurs CTD, ce qui pourrait impacter assez fortement nos résultats. On va donc effectuer deux com-paraisons de profils MVP et bathysonde qui ont été réalisés quasiment à la même localisation et au mêmemoment. La première étape est de comparer la température in-situ de chaque instrument. Si on repère unécart significatif du MVP par rapport à la bathysonde, on corrige les données de température in-situ puis oncalcule la salinité à partir de la conductivité, la température recalibrée ainsi que la pression (package GSWsur Matlab). Dans notre cas, on ne détecte pas de différence significante entre les températures in-situ desdeux instruments, on n’effectue donc pas de correction sur cette variable

FIGURE 5 – Carte des données bathysonde (CTD) et MVP utilisées pour la calibration (a), comparaison desprofils de température in-situ (b) et zoom sur la partie basse (c). Données CTD en rouge et MVP en bleu.

On peut alors passer à la comparaison de la salinité pratique du MVP et de la bathysonde. On visualiseici facilement un décalage de 0.06 en salinité entre les deux profils, que l’on va donc pouvoir corriger.On peut par la suite calculer d’autres variables telles que la salinité absolue, les températures potentielleet conservatives, la densité à partir de ces données corrigées, en utilisant comme expliqué auparavant lesscripts Matlab des packages GSW. On a ainsi recalibré nos données MVP à l’aide des données bathysonde.Ces données MVP recalibrées représenteront les données de niveau L3 qui est le niveau de traitement le plusélevé. Les niveaux inférieurs de traitement sont les niveaux L0 représentant les données brutes, L1 où lesdonnées passent par un contrôle qualité puis sont sauvegardées en format .mat, et enfin L2 où les phases deremontée du MVP sont supprimées et où sont déterminés les autres paramètres telles que la salinité absolueet la température conservative comme expliqué précédemment. On utilisera pour notre étude uniquementles données de niveau L3.

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FIGURE 6 – Comparaison des profils de salinité pratique (a) et zoom sur la partie basse (b). Données CTDen rouge, MVP en bleu, et MVP recalibrée de -0.06 en noir.

2.1.3 Choix des valeurs théoriques des masses d’eau

Afin de pouvoir caractériser les différentes masses d’eau sur nos graphiques, que ce soit sur le dia-gramme T-S ou sur les profils verticaux, on va s’appuyer sur les valeurs théoriques de température et sali-nité répertiorées dans l’article de Naranjo et al. (2015). Ils ont pour leur étude utilisé les valeurs théoriquesGIC et INGRES déterminées en utilisant plusieurs jeux de données de février 2005 à décembre 2014. Onutilisera pour notre part les valeurs extrêmes de température et de salinité du tableau ci-dessous. Les massesd’eau auxquelles on s’intéressera sont d’une part les eaux atlantiques SAW et NACW et d’autre part leseaux méditerranéennes LIW, WIW, TDW et WMDW . Les valeurs théoriques de ces six masses d’eaunous permettront de déterminer la présence ou non de celles-ci sur les digarammes T-S et sur les profils detempérature et salinité.

FIGURE 7 – Tableau des valeurs historiques des caractéristiques hydrologiques des six masses d’eau im-pliquées dans l’échange du détroit de Gibraltar (Naranjo et al., 2015). Les valeurs extrêmes pour chaquemasse d’eau sont encadrées en orange, et les valeurs GIC et INGRES utilisées dans l’article de Naranjoet al. (2015) en violet.

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2.1.4 Méthode d’obtention des diagrammes T-S

La première étape consiste à mettre nos données de température et salinité sous forme de températurepotentielle et salinité pratique. Ce choix de variable s’explique par le fait que les valeurs théoriques desmasses d’eau de l’article de Naranjo et al. (2015) sont elles mêmes exprimées en température potentielleet salinité pratique, et il faut donc avoir nos données sous cette forme si l’on veut pouvoir effectuer descomparaisons pertinentes. En ne faisant pas attention à cela on pourrait obtenir des écarts allant jusqu’à0.2°C entre la température potentielle et la température conservative et de 0.2 entre la salinité pratique et lasalinité absolue, créant des écarts significatifs et empêchant ainsi une intéprétation correcte des données. Onpeut maintenant tracer la base de notre diagramme T-S. On affiche en arrière plan de notre diagramme lesisolignes de l’anomalie de densité exprimée en kg/m3 et calculée avec la formule σt = ρ−1000, ρ désignantla densité de l’eau de mer. On peut également choisir d’ajouter une troisième variable pour chaque point enutilisant une plage de couleur pour cette variable, en plus de la température et de la salinité qui déterminentla position de chaque point. Cela permet d’indiquer par exemple de quel instrument provient tel ou tel point,ou encore d’afficher les valeurs de pression, longitude, latitude ou de concentration en oxygène dissous.On peut enfin rajouter les valeurs théoriques de température et salinité permettant la caractérisation desdifférentes masses d’eau sur notre jeu de données. Comme expliqué précédemment, on choisit les valeursextrêmes depuis 1986 répertioriées dans l’article de Naranjo et al. (2015), ce qui nous permettra d’obtenirune large plage de température et de salinité correspondant à chaque masse d’eau. Cette plage sera doncreprésentée par un rectangle sur le diagramme T-S où les quatres coins représentent donc le minimum etle maximum de température et salinité. On fera également apparaître les valeurs GIC et INGRES (qu’ontchoisi Naranjo et al. pour leur étude) par une croix sur notre diagramme.

2.1.5 Méthode d’obtention des profils verticaux

On va désormais détailler la méthode utilisée pour tracer nos transects de température et salinité. Lesdonnées CTD et MVP ne comportent que les phases de descente, les phases de remontée de ces deux ins-truments ayant été reitrées au préalable lors des premiers traitements. En traçant les données telles qu’elles,on visualise une série de profils verticaux séparés par une zone blanche sans donnée, notre premier objectifsera donc de combler ce manque de donnée afin d’obtenir une coupe verticale complète.

FIGURE 8 – Profils verticaux bathysonde de température et salinité non-interpolés.

La solution la plus simple pour effectuer cela serait de procéder à une interpolation lors du tracé desfigures à l’aide de la fonction pcolor, cependant il nous est nécessaire d’avoir accès à la matrice de donnéesinterpolées obtenue pour la suite de la caractérisation de masse d’eau, ce qui n’est pas possible avec cettefonction. On va donc en premier lieu définir un grille de résolution plus importante que les données brutesen latitude/longitude et en profondeur, puis effectuer une interpolation en se basant sur les dimensionsde cette nouvelle grille. Il est possible de paramétrer la méthode d’interpolation utilisée, on choisit ici laméthode linéaire qui semble être la plus pertinente, d’après divers tests de sensibilité effectués. On veutmaintenant retrouver les points de nos matrices interpolées de température et salinité qui correspondent àchacune des masses d’eau. On utilise donc a nouveau les valeurs théoriques de l’article de Naranjo et al.

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(2015). On regarde alors si chaque valeur de température et salinité est comprise dans la plage de donnéethéorique d’une certaine masse d’eau. Une fois que l’on aura les deux matrices contenant les indices desvaleurs rentrant dans la plage de température et dans celle de salinité, il nous suffira de comparer ces deuxmatrices l’une à l’autre afin de ne garder que les valeurs qu’elles ont en commun. On a ainsi récupéré lesindices des données qui rentrent à la fois dans la gamme théorique de température mais aussi dans cellede salinité, et cela pour chaque masse d’eau. Afin de différencier ces 6 masses d’eau, on associera chacuned’elle à une symbole que l’on affichera sur les profils verticaux au dessus des données interpolées. Pour nepas trop surcharger les graphiques avec trop de symboles, on effectue un sous-échantillonnage des indicesdes données comprises dans l’intervalle des valeurs théoriques afin de n’afficher qu’un certain pourcentagede ces symboles. Il ne reste alors plus qu’à ajouter la bathymétrie correspondante sur ces profils verticaux.On utilise la bathymétrie du SHOM, qui a une résolution de 100 mètres.

FIGURE 9 – Profils verticaux de température et salinité interpolés de la radiale bathysonde effectuée en merd’Alboran. Chaque masse d’eau est représentée par un symbole : SAW (+), NACW (o), WIW (·), LIW(4),TDW (∗), WMDW (X).

2.2 Partie hydrodynamique2.2.1 Instruments de mesure

Les données de courants horizontaux ont été obtenues à l’aide de trois ADCP (Acoustic Doppler CurrentProfiler), le Sentinel V50 , l’OceanSurveyor 38 et l’OceanSurveyor 150, effectuant respectivement desmesures à des fréquences de 500kHz, 38 kHz et 150 kHz. Les vitesses des courants peuvent ainsi êtreestimées entre 0 et 800m selon le modèle d’ADCP utilisé. Le traitement des données ADCP de la campagnereprésente plus de 100 radiales pour chaque modèle, et chacune d’elle étant déclinée en deux versions defichiers, .STA et .LTA (short-term average et long-term average). On se concentre pour notre part sur l’étudedes courants en mer d’Alboran, où notre objectif est tout d’abord de comparer les données mesurées par ces3 modèles d’ADCP, puis de reconstruire les champs de courant par interpolation dans cette zone afin de lecomparer aux données satellites.

2.2.2 Traitement des données à l’aide du logiciel Cascade

On traite au préalable les données brutes avec Cascade Exploitation. Ce logiciel développé par le LOPSa pour but d’analyser et traiter les données ADCP. Les fichiers bruts moyennés seront convertis en fichiersNetCDF à l’aide de Cascade, puis nettoyés des données incohérentes ou erronnées à partir de nombreuxparamètres définis lors du traitement. On obtient alors en sortie des données validées après être passées parles différentes phases de nettoyage, filtrage et correction.

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FIGURE 10 – Interface du logiciel Cascade Exploitation V7.2. Onglet de configuration des données utilisées(à gauche) et onglet de validations et corrections (à droite).

Deux configurations différentes ont eté utilisées pour les ADCP OceanSurveyor pendant la campagneafin de s’adapter à la bathymétrie très changeante du détroit de Gibraltar, la configuration rapide grand fondet lente petit fond. Le traitement Cascade ne peut s’effectuer que pour un ensemble de fichiers concaténésde même configuration, on s’intéresse donc aux radiales faites avec la première configuration qui représentela très grande majorité des données ADCP acquises en Alboran. On utilise ainsi un jeu de données d’unegrosse trentaine de fichiers bruts .STA et .LTA pour chaque modèle d’ADCP. On se concentre pour notreétude sur les fichiers short-term average.

2.2.3 Comparaison des données mesurées par les différents ADCP

On souhaite maintenant comparer les données fournies par les différents types d’ADCP, afin d’évaluersi on retrouve bien les mêmes valeur de courants horizontaux. On choisit un niveau de profondeur d’environ53m puisqu’il n’y a pas de mesures au dessus de ce niveau pour l’OS38. Les deux OceanSurveyor (OS38 etOS150) fournissent des données quasi identiques pour l’intégralité des radiales choisies, cependant ce n’estpas le cas pour le Sentinel V50. En effet, seuls quelques données se situant au Nord de la carte ou au Sud-Estsont en accord avec les deux autres instruments. De plus, certaines données sont entièrement incohérentesavec des vitesses trop importantes et des directions illogiques. Cela s’explique en partie par un problèmede communication entre l’ADCP et les systèmes de naviguation du bateau fournissant la position, le capainsi que la vitesse du navire, qui sont des données essentielles au bon fonctionnement de l’ADCP. Certainsfichiers bruts acquis pendant cette période de mauvaise communication entre les différents instruments nesont même pas lisibles par Cascade. Les quelques radiales restantes en Alboran semblent cependant enaccord avec les données de courant des deux autres ADCP. On souhaitera plus tard comparer nos donnéesavec les données satellites de surface, on se focalisera donc pour la suite de ce rapport sur le traitement del’OceanSurveyor à 150kHz dont les premières données mesurées se situent à une vingtaine de mètres de lasurface.

2.2.4 Interpolation des données par la méthode d’objective mapping

On souhaite maintenant obtenir un champ de courant dans la partie Ouest de la mer d’Alboran, ondoit donc interpoler nos données nettoyées par Cascade. On effectue ici une interpolation en utilisant laméthode d’objective mapping (ou analyse objective) au lieu d’une interpolation simple, afin d’obtenir unereconstruction des champs de vitesses horizontales de courant. On suit la méthode de Roxane Tzortzis(2020) qui se base sur l’algorithme de Rudnick (1996) et la méthode présentée par Le Traon (1990). L’intérêtde cette méthode est qu’elle nous permet d’obtenir une grille d’erreur des données interpolées à chaqueniveau de profondeur, ce qui est utile pour se limiter à des données au dessus d’un certain seuil de confiance.Ces matrices d’erreur sont calculées comme le ratio entre l’erreur et la variance du signal (Tzortzis, 2019).On choisit une taille de grille de 70 par 70 points pour ce processus d’interpolation, ce qui induit unerésolution suffisante pour nos données en mer d’Alboran variant en longitude et latitude d’environ un degré.

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FIGURE 11 – Comparaison des données récoltées en mer d’Alboran par les 3 modèles d’ADCP à uneprofondeur de 53m environ. ADCP OceanSurveyor 38kHZ (a), OceanSurveyor 150kHZ (b), Sentinel V50500kHz (c).

On peut désormais afficher les champs de vitesses horizontales avec l’intensité des courants associés.Comme on peut l’observer sur la figure (n°?) du milieu, la méthode d’objective mapping ne tient pas encompte des conditions aux frontières et on peut ainsi avoir des données interpolées au delà des côtes ce quine fait pas de sens. De plus, les données très proches de la côte sont de ce fait aussi incohérentes. C’est là quel’on voit l’intérêt d’obtenir une grille d’erreur grâce à l’objective mapping, car on peut enlever les donnéesinterpolées ayant une erreur trop importante, et ainsi retirer une majeure partie des données sur la côte.Comme on le voit sur la figure de gauche représentant la carte de la matrice d’erreur, au plus on s’éloignede la trajectoire du bateau au plus les valeurs d’erreur augmentent ce qui est logique. Un seuil d’erreurmaximal de 0.2 semble être une bonne option de façon à enlever un maximum de données incohérentestout en n’en éliminant pas trop. Il est également possible d’affiner manuellement la sélection de données"correctes" en définissant certains points comme NaN (Not a Number), ce qui est utile notamment pour lesdonnées proches de la trajectoire du bateau et donc avec une erreur faible, mais qui sont trop à proximitédes côtes et doivent être enlevées pour plus de pertinence dans nos cartes. On a donc sur la figure de droiteles données de l’objective mapping affichées avec un seuil d’erreur de 0.2, ce qui est bien plus cohérent quela carte du milieu sans seuil défini. On garde pour la suite de l’étude ce choix de seuil.

FIGURE 12 – Cartes montrant la matrice d’erreur des données issues de l’objective mapping (a), les donnéesde courants horizontaux sans seuil d’erreur appliqué (b) et avec un seuil de 0.2 (c).

2.2.5 Comparaison des différents niveaux de profondeur

Le traitement Cascade pour l’ OS 150kHZ produit des données sur 26 niveaux de profondeur, allant de21.81 à 221.81m. On s’intéresse ici à comparer les données de l’objective mapping sur les deux premièrescouches, afin de déterminer laquelle utiliser pour la comparaison avec les données satellites de surface. Onremarque sur la figure ci-dessous des différences conséquentes entre les deux cartes, malgré les 8 mètres

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d’écart seulement. On observe notamment. Il est fréquent que la première couche soit impactée par desartefacts, ce qui semble se confirmer ici. De plus, les 24 autres couches sont semblables au deuxièmeniveau de profondeur, seul le premier niveau est assez différent, ce qui confirmerait plutôt l’hypothèse desdonnées imprécises qui n’ont pas été filtrées par le logiciel Cascade. Les normes de vitesse ne sont pasfondamentalement différentes entre les deux premières couches, contrairement à la direction des champsde vitesses. En effet, la structure anticyclonique de ces derniers est facilement identifiable sur la deuxièmefigure, ce qui correspond bien au gyre d’Alboran que l’on devrait visualiser dans cette zone. Le deuxièmeniveau de profondeur semble ainsi le meilleur choix pour la suite de notre étude.

FIGURE 13 – Comparaison entre les champs de vitesses horizontales issues de l’objective mapping aupremier (à gauche) et au deuxième niveau de profondeur (à droite).

2.2.6 Comparaison avec les données satellites

On souhaite désormais confronter nos données interpolées à des données d’obeservations. On com-pare ainsi nos données de l’analyse objective aux données satellites de SST (Sea Surface Temperature), dechlorophylle a et de vitesses horizontales des courants, tirées du catalogue en libre accès du CMEMS (Co-pernicus Marine Environment Monitoring Service). On utilise des données de niveau L3 et/ou L4, qui sontdonc déjà passées par un contrôle qualité et par certains traitements permettant d’assembler les donnéesissues de différents satellites (dans le cas où le produit choisi utilise bien plusieurs jeux de données satel-lites différents). Les données de niveau L3 contiennent certaines zones blanches, causées par exemple parla présence de nuages gênant l’observation, tandis que les données L4 ont été re-traitées et interpolées afinde combler ces zones vides de données. Les fichiers récupérés de toutes ces données satellites contiennentles moyennes journalières. Les données de SST sont issues de capteurs infrarouges de plusieurs satellitessur la zone méditerranéenne,et ont une résolution de 0.01° x 0.01°. Les données de CHLA ont quant à ellesune résolution de 1km x 1km et proviennent également des observations combinées de plusieurs satellites.C’est aussi le cas pour les données d’altimétrie, qui nous fournissent les composantes géostrophiques ducourant à une résolution de 0.125° x 0.125°, obtenues à partir des données satellites de SLA (Sea LevelAnomaly), elles-même estimées par interpolation optimale.

Afin de valider les données obtenues par l’objective mapping, on superpose les champs de vitesseshorizontales mesurées par l’ADCP et ceux issus de l’interpolation avec les champs des données satellitesde SST et CHLA, qui sont les produits les plus résolus et donc qui nous permettront de mieux vérifier lacohérence des données de l’analyse objective. On remarque sur ces deux cartes, d’une part que les champsde vitesses sont cohérents entre eux et donc que l’analyse objective n’a pas trop dénaturée les donnéesbrutes par le processus d’interpolation, et d’autre part qu’on a une bonne correspondance entre les frontsdes données satellites et les champs de vitesses.

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FIGURE 14 – Cartes de comparaison des champs de vitesses horizontales issues de l’objective mappingavec les données satellites de température de surface (à gauche) et de chlorophylle (à droite). Le fond decarte est affiché avec les données satellites, les champs de vitesses horizontales de l’analyse objective enviolet et ceux initiaux déterminés par l’ADCP en noir.

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3 Résultats

3.1 Partie hydrologique3.1.1 Visualisation de l’ensemble des données

Le diagramme T-S des données MVP, Seasoar, Bathysonde et Argo de la campagne nous permet d’ob-tenir une vision globale de notre jeu de données. On note que seulement 10% des données sont affichéessur ce diagramme, en effectuant un sous-échantillonage afin de ne pas surcharger la figure par la grossequantité de points que constitue l’ensemble de notre jeu de données.

FIGURE 15 – Diagramme T-S des données MVP, Seasoar, Bathysonde et Argo de la campagne, avec chaquecouleur correspondant à un instrument. Les valeurs caractéristiques des masses d’eau tirées de l’article deNaranjo et al. (2015) sont représentées par des rectangles. Seulement 10% des données sont affichées eneffectuant un sous-échantillonage aléatoire afin de ne pas surcharger le diagramme.

La première chose que l’on remarque est que la NACW est peu représentée dans nos données. La SAWen revanche semble fortement repérée, ce qui semble logique car cette eau est présente à la surface dela colonne d’eau, dans toute la région où s’est déroulée la campagne. De plus, les instruments apportantla très grande majorité des données, le MVP et le Seasoar, ont été limités à 350m de profondeur pourcette campagne. Il est donc logique de retrouver une forte signature de SAW dans les données, qui estune eau présente jusqu’à 50-200m selon la longitude à laquelle on se trouve. Les différentes masses d’eauméditerranéennes sont quant à elles toutes représentées, avec cela dit la LIW qui semble en proportionplus importante. Cela semble encore une fois logique, car c’est une masse d’eau située à une profondeurintermédiaire alors que la TDW et à la WMDW sont plus en profondeur, là où on a peu de données MVPet Seasoar. La WIW en revanche est aussi censée être visible à une profondeur intermédiaire, mais sa faibleabondance peut s’expliquer par la saisonnalité. En effet, c’est une eau formée en conditions hivernales (àdévelopper?) or la campagne s’étant déroulée en octobre il semble normal que sa signature soit faible.

3.1.2 Caractérisation des masses d’eau

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FIGURE 16 – Diagramme T-S de la radiale bathysonde effectuée en mer d’Alboran (-4.97° de longitude)avec les valeurs théoriques de température et salinité de chaque masse d’eau représentées par un rectangle(a), profils verticaux de température et salinité avec des symboles indiquant chaque masse d’eau (b), sché-matisation de la structure des flux méditerranéens et atlantiques issue de l’article de Millot (2014) (c).

FIGURE 17 – Diagramme T-S de la radiale MVP PL163 effectuée au milieu du détroit de Gibraltar (-5.55°de longitude) avec les valeurs théoriques de température et salinité de chaque masse d’eau représentéespar un rectangle (a), profils verticaux de température et salinité avec des symboles indiquant chaque massed’eau (b), schématisation de la structure des flux méditerranéens et atlantiques issue de l’article de Millot(2014) (c), distribution schématique des différentes masses d’eau déterminées par Naranjo et al. (2015) (d).

FIGURE 18 – Diagramme T-S de la radiale MVP PL150 effectuée au niveau du seuil de Camarinal (-5.76°de longitude) avec les valeurs théoriques de température et salinité de chaque masse d’eau représentéespar un rectangle (a), profils verticaux de température et salinité avec des symboles indiquant chaque massed’eau (b), schématisation de la structure des flux méditerranéens et atlantiques issue de l’article de Millot(2014) (c), distribution schématique des différentes masses d’eau déterminées par Naranjo et al. (2015) (d).

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FIGURE 19 – Diagramme T-S de la radiale MVP PL151 effectuée juste après le seuil de Camarinal (-5.83°de longitude) avec les valeurs théoriques de température et salinité de chaque masse d’eau représentéespar un rectangle (a), profils verticaux de température et salinité avec des symboles indiquant chaque massed’eau (b), schématisation de la structure des flux méditerranéens et atlantiques issue de l’article de Millot(2014) (c), distribution schématique des différentes masses d’eau déterminées par Naranjo et al. (2015) (d).

FIGURE 20 – Diagramme T-S de la radiale MVP PL152 effectuée au niveau du seuil d’Espartel (-5.97° delongitude) avec les valeurs théoriques de température et salinité de chaque masse d’eau représentées par unrectangle (a), profils verticaux de température et salinité avec des symboles indiquant chaque masse d’eau(b), schématisation de la structure des flux méditerranéens et atlantiques issue de l’article de Millot (2014)(c), distribution schématique des différentes masses d’eau déterminées par Naranjo et al. (2015) (d).

FIGURE 21 – Diagramme T-S de la radiale MVP PL153 effectuée dans le golfe de Cadix (-6.22° de lon-gitude) avec les valeurs théoriques de température et salinité de chaque masse d’eau représentées par unrectangle (a), profils verticaux de température et salinité avec des symboles indiquant chaque masse d’eau(b), schématisation de la structure des flux méditerranéens et atlantiques issue de l’article de Millot (2014)(c).

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3.2 Partie hydrodynamique

FIGURE 22 – Carte des données satellites d’intensité des vitesses horizontales du courant (à gauche), etcarte des données d’intensité du courant issues de l’objective mapping et champs de vitesses horizontalesassociées (à droite). L’échelle de l’intensité des courants est forcée pour correspondre à celle des donnéessatellites.

On retrouve bien le gyre d’Alboran avec un centre un peu décalé au Sud-Ouest comparé aux donnéessatellites. On a également de grosses différences en terme d’intensité des courants. En effet, les donnéessatellites ne dépassent pas les 1 m/s tandis que l’objective mapping des données ADCP donne un maximumproche des 2 m/s. Cela s’explique tout dabord par le fait que les données d’altimétrie satellites ne prennenten compte que la composante géostrophique des vitesses horizontales. De plus ces données satellites ont unerésolution assez faible de 1/8° en latitude et longitude, ce qui ne doit pas aider à déterminer avec précisionles vitesses horizontales sur des zones restreintes. Ces deux facteurs contribuent donc au fait que l’intensitédes vitesses apparaisse plus faible sur les données satellites. La résolution limitée de celles-ci rend difficiled’effectuer des comparaisons plus poussées que cela entre les deux cartes.

comparaison avec les données de la littérature citées en intro sur le WAG

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4 DiscussionOn est entre les deux théories avec nos données Différence dans les données utilisées pour chaque

article (Naranjo,Millot) Figures de Millot sont très schématiques Question de la saisonnalité Schémas deMillot-Naranjo non-disponibles pour toutes les longitudes, ou a des longitudes éloignées de nos radiales

Camarinal effet de mélange au niveau du seuil, signature des masses d’eau modifiéelien entre partie hydrologique et hydrodynamique : voir si on a le signal de ciruclation la LIW en

profondeur dans la partie Nord de la mer d’Alboran sur l’OS 38khz -> identification compliquée car bcpd’artefacts dans les données ADCP sur les couches les plus profondes, et donc compliqué d’y voir clair

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Résumé

Abstract

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