Prsentation PowerPoint

1
Modélisation de la circulation et des ondes de
gravité dans le Golfe de Gascogne
Patrick Marsaleix Muriel Lux Ivane Pairaud
Pôle dOcéanographie Côtière de lObservatoire
Midi Pyrénées
Florent Lyard Thierry Letellier
LA LEGOS Obs. Midi Pyrénées 14 Avenue E.
Belin 31400 Toulouse
Thèmes détude du POC sur le G. de
Gascogne Modélisation Ondes de gravité (resp.
F. Lyard) marée, tempêtes MOG2D Modélisation
Circulations 3D Etudes académiques (ondes
internes) Modélisation réaliste Assimilation
de données (resp. P. De Mey F.
Auclair) Exploration du sous-espace derreur
des modèles régionaux et côtiers par méthodes
densemble, assimilation multivariée par
méthodes séquentielles variationnelles Financé
s par GMMC PEA/DGA
http//www.aero.obs-mip.fr/activite_scientifique/o
ceano/index2.htm
2
Bathymétrie et grille de Calcul
La grille horizontale
La grille verticale
3
Bathymétrie et grille de Calcul
La grille horizontale
La grille verticale
24
40
Nombre de niveaux verticaux de calcul
4
Description du modèle 3D
Symphonie (version V-2003-1) Equations
primitives Hypothèses Boussinesq et équilibre
hydrostatique Méthodes Différences finies
Grille C Coordonnée verticale hybride Sigma /
 Marches descaliers  Surface
libre Séparation mode interne / mode externe
explicite Fermeture turbulente 1 éq.
Pronostique (Ect) 1 éq. Diagnostique
(longueurs turbulentes)
http//www.aero.obs-mip.fr/activite_scientifique/o
ceano/index2.htm
5
Conditions aux limites à la surface
Forçages atmosphérique radiatif Modèle Aladin
(METEOFRANCE) Rés. hor 1/10 Sorties
trihoraires Paramètres Flux solaire IR
descendant Vent à 10m Humidité Température
air à 2m
Modèle océanique Température de surface Flux
IR montant
http//www.aero.obs-mip.fr/activite_scientifique/o
ceano/index2.htm
6
Forçage par la circulation thermohaline de
grande échelle
Champs MERCATOR Solution PSY2 Résolution
1/15 Modèle AtlantiqueMéditerranée Période
janvier-février 2003 Variables T, S, u, v,
elev Champs instantanés journaliers Routines
dextraction netcdf (M. Lux)
http//www.aero.obs-mip.fr/activite_scientifique/o
ceano/index2.htm
7
Initialisation et conditions aux limites ouvertes
du modèle Côtier calculées à partir des sorties
dun OGCM
Interpolation géométrique Schéma
interpolation linéaire, gaussienne, spline,
etc... Avantages robustesse et ressemblance
aux  observations  Inconvénients champs non
ajustés aux contraintes bathymétriques, spin-up
long, risque dinstabilités numériques
Grille du modèle côtier
http//www.aero.obs-mip.fr/activite_scientifique/o
ceano/index2.htm
8
Apport de lanalyse par rapport à une
interpolation simple
Bathymétrie
Exemple ajustement à la contrainte bathymétrique
au dessus du Canyon de  Capbreton  Influence
sensible de la bathymétrie sur la
solution analysée qui apparaît moins lisse que le
champ interpolé
Elévation de la surface MERCATOR (m)
Analyse
Interpolation bilinéaire
9
 Spin up  du modèle apport de lanalyse par
rapport à linterpolation
Réponse barotrope
La simulation initialisée avec une interpolation
est bruitée. Lanalyse permet déviter un
spin-up barotrope denviron 2 jours
Elévation de la surface calculée par Symphonie
après 1 jour de simulation
Modèle initialisé avec une analyse
Modèle initialisé avec une interpolation
10
Courant à 50m calculé par Symphonie (sorties
moyennées sur une période inertielle) La
simulation initialisée avec linterpolation
développe plus dactivité de méso-échelle au
dessus de la tête du canyon
Temps (en nombre de périodes inertielles) écoulé
depuis le départ du run
Départ avec analyse
Départ avec interpolation
11
Échéance de la prévision côtière opérationnelle
dans MFSTEP 5 jours !!!
Au bout de 7 périodes inertielles Le courant de
pente (départ analyse) est toujours le même quà
t0 Une activité méso-échelle (départ
interpolation) est déjà bien développée autour
dun courant de pente qui ondule.
Départ avec analyse
Départ avec interpolation
12
Analyse (suite) Différences de bathymétrie entre
OGCM modèle côtier MERCATOR une
bathymétrie imprécise

• Les caractéristiques des erreurs
• de bathymétrie sur le plateau
• continental
• Taille quelques dizaines de km
• Amplitude du même ordre de
• grandeur que la bathymétrie du
• plateau (quelques dizaines de
• mètres)

http//www.aero.obs-mip.fr/activite_scientifique/o
ceano/index2.htm
13
Apport de Mercator La circulation générale au
large du plateau
Run Symphonie Période janvier-février
2003 Forçages Mercator, ALADIN, Fleuves
Initialisent Symphonie forcent aux frontières
ouvertes (CL couche éponge périphérique)
Circulation à 50m (moyennée sur une période
inertielle) calculée par Symphonie
Analyses des sorties Mercator
n de PI
n de PI
http//www.aero.obs-mip.fr/activite_scientifique/o
ceano/index2.htm
14
Etude de sensibilité aux forçages
Bilan dénergie cinétique sur le domaine
numérique pour la période janvier-février 2003
EC Symphonie gde Ech. lt Mercator EC Symphonie pte
Ech. gt Mercator
Avec marée Sans fleuves Sans Circ. générale Sans
Flux Chaleur MERCATOR Run standard
Mercator Pics hebdo dEC (réinitialisation
OGCM?) suivis par spin-up (gt7jours) caractérisés
par leffondrement du niveau dEC.
Échelles gt 25km
Fin de spin-up EC aux gdes éch. de Mercator
rejoint le niveau de Symphonie.

• Spin-up Symphonie
• Pas de spin-up aux gdes éch. (apport méthode
• dinitialisation)
• Quelques jours aux ptes éch. (sous représentées
• dans OGCM)
• Les spin-up hebdo de Mercator contaminent
• Symphonie via le forçage aux limites. A lavenir
• sélection des sorties Mercator  stabilisées ?

Avec marée Sans fleuves Sans Circ. générale Sans
Flux Chaleur MERCATOR Run standard
Échelles lt 25km
EC peu sensibles aux fleuves aux flux de
chaleur La marée augmente lEC gdes éch. (rayon
déformation barotrope) Sans Mercator il y a
beaucoup moins de variabilité. Les spin-up hebdo
sont ils la cause de cette variabilité?
(encours) EC ptes éch. est stable EC gde éch.
croît très lentement (en réponse à la
densification des eaux du plateau)
Run standart MercatorAladinFleuves Sans Circ.
Générale état initial stratification TS
climato hiver uv0
http//www.aero.obs-mip.fr/activite_scientifique/o
ceano/index2.htm
15
Anomalie de densité moyenne sur le plateau
continental pour la période janvier-février 2003
La densité croît dans tous les cas de figures
sauf sur le plateau quand on enlève les flux
de chaleur (la densification des eaux du
plateau peut donc leur être attribuée).
Lévolution de la densité est similaire dans
les 2 modèles, surtout quand on ne met pas les
fleuves dans Symphonie (attendu puisquil ny a
pas les fleuves dans Mercator). Sans Mercator,
les variations sont plus faibles (même sur le
plateau) ce qui tend à montrer limportance des
obc sur la variabilité de circulation y compris
sur le plateau continental.
Run standart MercatorAladinFleuves Sans Circ.
Générale état initial stratification TS
climato hiver uv0
16
Modélisation de la marée dans le Golfe de Gascogne
http//www.aero.obs-mip.fr/activite_scientifique/o
ceano/index2.htm
17
Modélisation de la marée inter-comparaison
Symphonie/MOG2D

• M2 calculée par SYMPHONIE

• M2 calculée par MOG2D()

Retards de phases (deg)

• Amplitudes et retards de phase de londe M2
• Simulation SYMPHONIE barotrope sur 30 jours
• Forçage (?,u,v) par les 9 ondes
  M2,N2,S2,K2,K1,O1,P1,Q1,M4
  

Thèses Ivane Pairaud Thierry Letellier
() interpolé sur grille C 6km x 6km
18
Comparaison aux marégraphes
Calcul de différence RMS
() après interpolation sur grille Symphonie 6km
x 6km
Thèses Ivane Pairaud Thierry Letellier
19
Influence du potentiel de marée
POTENTIEL potentiel astronomique potentiel de
charge
Influence du potentiel de marée sur les
amplitudes de lordre de 10cm
RMS amplitudes (m) Symphonie/cmo 3.87 /
154.2 Symphonie pot 5.9 / 158.1 Symphonie
pot astro 4.48 /155.72
Faible influence du potentiel de marée sur les
retards de phase
http//www.aero.obs-mip.fr/activite_scientifique/o
ceano/index2.htm
Thèses Ivane Pairaud Thierry Letellier
20
Génération dharmoniques supérieures
ONDE M4
SYMPHONIE
(m)
SYMPHONIE
(m)
0.5
0.5
M2 (T12,4 h)
Interaction M2-M2 ? transfert dénergie
max 11 cm
max 35 cm
M4 (T6,2 h)
0.
0.

• Onde M4 générée sur le domaine modélisé
• Interaction avec une onde M4 générée à
  lextérieur du domaine

• Amplitude de M4 (30 jours)
• Simulation forcée par les 8 ondes
• Pas de forçage par M4 aux frontières

• Amplitude de M4 (30 jours)
• Simulation forcée par les 9 ondes
• Forçage par M4 aux frontières

Thèses Ivane Pairaud Thierry Letellier
http//www.aero.obs-mip.fr/activite_scientifique/o
ceano/index2.htm
21
Comparaison avec MOG2D et les marégraphes pour M4
MOG2D ()
SYMPHONIE
(m)
(m)
0.5
0.5
0.
0.
Comparaison MOG2D pour M4 Forte dépendance aux
conditions aux limites sur la façade atlantique
() interpolé sur grille C 6km x 6km
Thèses Ivane Pairaud Thierry Letellier
http//www.aero.obs-mip.fr/activite_scientifique/o
ceano/index2.htm
22
Effets de la marée sur la circulation
3D Processus de mélange front dOuessant
Front dOuessant . Courant de marées gt
Frottement sur le fond gt Turbulence
gt Couche limite de fond gt Mélange sur toute la
colonne d eau en zones peu profondes
Evolution temporelle dans une coupe Verticale O/E
de la Température calculée par Symphonie().
() simulation académique. Etat initial T,S
homogène sur lhorizontale, stratification
verticale estivale climatologique, courant
initial nul, forçage unique par M2
Thèse Ivane Pairaud
http//www.aero.obs-mip.fr/activite_scientifique/o
ceano/index2.htm
23
Effets de la marée sur la circulation
3D Processus de mélange marge continentale
24
Effets de la marée sur la circulation
3D Dilution du panache de la Gironde
Sans la marée
Avec la marée
Coupe horizontale de surface
Temps écoulé depuis le début du run en nombre de
PI
Temps écoulé depuis le début du run en nombre de
PI x 3
Coupe verticale dans laxe de lestuaire
http//www.aero.obs-mip.fr/activite_scientifique/o
ceano/index2.htm
25
Effets de la marée sur la circulation 3D les
ondes internes
Mise en évidence de la propagation horizontale
des ondes internes générées par M2 au niveau du
talus. Cas académique (Pairaud 2002). Etat
initial TS horizontalement homogène,
stratification climatologie estivale. Forçage M2
Densité à 40m calculée par Symphonie
http//www.aero.obs-mip.fr/activite_scientifique/o
ceano/index2.htm
Thèse Ivane Pairaud
26
Effets de la marée sur la circulation 3D les
ondes internes
Mise en évidence de la propagation verticale des
ondes internes générées par M2 au niveau du
talus. Forçages M2, ALADIN, MERCATOR, Fleuves.
Analyse harmonique de la composante barocline
du courant perpendiculaire à la pente
continentale sur la première semaine de janvier
2003. La distribution de la phase (calcul
Symphonie) dans un plan vertical perpendiculaire
à la pente continentale (figure à gauche) montre
une propagation avec un angle denviron 88 avec
la direction horizontale conforme à la
prédiction de la théorie de la propagation des
ondes internes dans un fluide tournant (figure à
droite).
a
Angle de propagation daprès
Atmosphere-Ocean Dynamics A. E. Gill Eq. 8.4.16 p
258
Phase () calculée par Symphonie
() La fréquence de Brunt-Väisälä, N, est
déduite de la stratification du modèle à létat
initial
http//www.aero.obs-mip.fr/activite_scientifique/o
ceano/index2.htm
27
Conclusion et perspectives

• Mercator
• -Une bathymétrie imprécise sur le plateau
  continental
• -Des spin-up hebdomadaires qui amènent à
  réfléchir sur la stratégie du forçage du modèle
  côtier.
• La marée
• Symphonie reproduit correctement la marée des
  études de linteraction de celle ci avec la
  circulation 3D sont maintenant possibles Projet
  dinter-comparaisons HYCOM /SYMPHONIE avec R.
  Baraille
• Projet modélisation POC
• De MOG2D à MOG3D un modèle 3D aux volumes finis

• Symphonie version  Sigma/Step  disponible
• Contraintes de lOcéanographie Côtière
  Opérationnelle
• Prévisions à quelques jours (au delà la prévision
  météorologique nest plus fiable). Ex MFSTEP
• Le modèle côtier doit être re-initialisé par
  lOGCM à chaque nouveau run pour bénéficier de
  lassimilation de données dans lOGCM
• Amélioration de la prévision lanalyse permet de
  mélanger des sorties des OGCM des
  observations.
• Le modèle côtier doit être immédiatement
•  opérationnel  (spin up le plus court
  possible)

Plus dinfos sur http//www.aero.obs-mip.fr/activ
ite_scientifique/oceano/index2.htm
28
Plus dinfos sur http//www.aero.obs-mip.fr/activ
ite_scientifique/oceano/index2.htm