Potential vorticity conserving flows and vortex-wave interaction : the role of vertical velocity and isopycnal diffusion on plankton heterogeneity

Abstract

This thesis investigates physical-ecological and vortex-wave interactions through potential vorticity (PV) considering a stratified and oligotrophic ocean. To this end, a NPZ (Nutrients-Phytoplankton-Zooplankton) model is coupled to a physical one that conserves PV explicitly on isopycnals. The physical-ecological coupled model is initialized using stationary NPZ solutions numerically stable with the fluid at rest. These solutions are implemented homogeneous both on horizontal and isopycnals levels to quantify the effect of horizontal and vertical advection caused by mesoscale and submesoscale vortex structures, and isopycnal mixing. At the interior of the vortex separatrix, plankton and PV distributions translate in phase at vortex propagation speed. Within cyclones, isopycnal doming enhances plankton biomass at the vortex center in different trophic conditions. Furthermore, isopycnal mixing associated to small-scale motions maximizes the phytoplankton (P) biomass in cyclones through a resonant response between P and diffusive timescales. This P increase is significant in mesotrophic conditions and occurs where the vertical displacement of isopycnals is maximum, and hence where vertical gradients of PV are large. At the separatrix outer, horizontal and vertical advection are of the same order of magnitude than the ecological forcing and enhance P through different mechanisms. Firstly, vertical velocity w uplifts nutrients and P to better lit levels. P responds with some time lag to this perturbation and the associated increase in biomass occurs far from the upwelling location due to the action of horizontal advection. As a result, P correlates with w, and thus with horizontal gradients of PV, only at initial times. In the particular case of translating cyclones, this mechanism explains the development of a P trail at their wake. And secondly, the horizontal advection of a surface ecosystem patch by subsurface vortices decreases P self-shading at the patch front in benefit of P growth. Finally, interactions between vortex structures and pure inertial and gravity large amplitude waves are investigated. The advection of PV by waves causes vortices to be unsteady and modifies the upper and lower bounds of the wave frequency band. The advection of waves by vortices Doppler shifts the local wave frequency. When inertial waves are involved, a near-inertial right-handed helical wave is developed due to a non-linear interaction. As a result, total w increases one order of magnitude and correlates with horizontal gradients of PV. These results aim to shed further light on the ecological impact of long-lived coherent vortices in the open ocean.

Esta tesis investiga interacciones físico-biológicas y onda-vórtice a través de la vorticidad potencial (VP) considerando un océano estratificado y oligotrófico. Un modelo NPZ (Nutrientes-Fitoplancton-Zooplancton) ha sido acoplado a uno físico que conserva la VP explícitamente en isopicnas. El modelo acoplado se inicializa utilizando soluciones NPZ estacionarias y numéricamente estables con el fluido en reposo. Estas soluciones se implementan como distribuciones homogéneas en niveles horizontales y en isopicnos para cuantificar el efecto de la advección horizontal y vertical debidas a estructuras submesoescalares y mezcla isopicna. En el interior de la separatriz del vórtice, las distribuciones de plancton y VP se trasladan en fase a la velocidad de propagación del vórtice. En ciclones, el abombamiento de las isopicnas incrementa la biomasa de fitoplancton (P) en el centro del vórtice en diferentes condiciones tróficas. Además, la mezcla isopicna asociada al movimiento de pequeña escala maximiza la biomasa de P en ciclones mediante una respuesta resonántica entre la escala temporal de P y la difusiva. Este incremento de P es significante en condiciones mesotróficas y ocurre donde el desplazamiento vertical de las isopicnas es máximo, y por tanto donde los gradientes verticales de VP son grandes. Fuera de la separatriz, la advección horizontal y vertical son del mismo orden de magnitud que el forzamiento ecológico, e incrementan el P mediante diferentes mecanismos. En primer lugar, la velocidad vertical w eleva nutrientes y P a niveles más iluminados. En consecuencia, el P se correlaciona con la w, y por tanto con gradientes horizontales de VP, sólo inicialmente. En el caso particular de vórtices en traslación, este mecanismo genera una cola de P en la estela de éstos. En segundo lugar, la advección horizontal de un ecosistema superficial por vórtices subsuperficiales disminuye el apantallamiento del P en el frente del ecosistema aumentando el crecimiento del P. Finalmente, se investigan interacciones entre estructuras vorticales y ondas inerciales y gravitatorias de gran amplitud. La advección de la VP por las ondas fuerza los vórtices a un estado inestable y modifica los límites del rango frecuencial de la onda. La advección de ondas por los vórtices, modifica la frecuencia de onda local por efecto Doppler. Si se consideran ondas inerciales, se genera una onda en hélice dextrógira de frecuencia casi-inercial debido a una interacción no lineal. Como resultado, la w total se incrementa un orden de magnitud y se correlaciona con gradientes horizontales de VP. Estos resultados contribuyen a una mayor comprensión del impacto ecológico ejercido por vórtices coherentes de larga duración.