Rapport de stage de Master2

Apport de l’océanographie
opérationnelle aux systèmes de dérive
Etude du forçage océanique du système de dérive Mothy par les systèmes
d’océanographie opérationnelle Mercator en Méditerranée
Rapport de stage de M2
2008
Stage réalisé à Mercator-Océan, sous la responsabilité de M. Yann Drillet
M2 Océan Atmosphère et Surfaces Continentales
Université Paul Sabatier, TOULOUSE
Stéphane LAW-CHUNE
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APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
Remerciements
Mes premiers remerciement vont sincèrement mon encadrant, Yann Drillet, pour sa
gentillesse, sa disponibilité, la compréhension de l’océan et de sa modélisation qu’il m’a apporté tout
au long de ce stage. Je tiens de plus à le remercier pour la chance qu’il m’a offerte d’entreprendre
cette étude qui m’a réellement enthousiasmé.
Je remercie également mon co-encadrant Pierre Daniel, de la direction de prévision marine
de Météo France pour ses bons conseils, son expertise et sa communication, ainsi que toute son
équipe (Denis Paradis, David Ayache, etc. ) pour sa participation aux longues phase de test
nécessaires aux conclusions de cette étude .
Un grand merci à toute l’équipe Mercator Océan qui m’a accueilli de façon très agréable. Je
tiens à remercier particulièrement mon collègue de bureau Laurent Parent, qui a souvent été mon
« premier secours » dans une bonne partie des problèmes rencontrés aux cours de ce stage
(techniques ou conceptuels) , et qui a toujours répondu présent, malgré sa charge de travail
personnel. Mes remerciements vont aussi à tous ceux qui m’on aidé à un moment ou à un autre, ou
tout simplement ceux avec qui j’ai passé de bons moments de discussion : Romain Bourdallé-Ballie,
Corinne Derval , Jérôme Chanut, Clément Bricaud , Fabrice Messal, Charlie Reigner, Sophie Besnard,
Marie Drevillon, Sylvain Cailleau, Anthony Talandier, Abdelali Elmoussaoui, Lucas Nouel, et tant
d’autres. Un clin d’œil également à la « Young team » de Mercator : Mahé, Jean Eude et Matthieu. Je
salue de plus l’équipe info pour son efficacité et aide apportée.
Enfin, toute action scientifique mise à part, je remercie simplement mes proches (même si je
doute qu’ils poseront un jour les yeux sur ce document): mes parents pour leur confiance, leur
soutien et leur relativisme rassurant ; mes amis de musique pour les multiples évasions
instrumentales partagés à leur côtés ; La promo du M2 pour la solidarité intrinsèque à tout « jeune
en fin d’étude à avenir incertain » ; et enfin, le plus profond des merci à Amandine, pour la vie qu’elle
m’a offerte ici, loin de mon île natale.
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
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APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
Résumé
Le Centre National de Prévisions à Météo-France opère un système de prévisions de dérive
en surface pour assister les autorités responsables de la lutte contre les pollutions marines
accidentelles et les opérations de recherche et sauvetage. Ce système a notamment été utilisé avec
succès lors des accidents de L’Erika (1999) et du Prestige (2002). Il est basé sur un modèle de dérive
de polluant en mer : le modèle Mothy.
Mothy est constitué d’un modèle d’océan à domaine limité et d’un modèle de polluant. Une
partie de la modélisation de l’océan interne à Mothy, repose sur une modélisation barotrope, qui
bien qu’en lui permettant une exécution rapide, handicape fortement ses résultats dans les eaux mal
mélangées et turbulentes, comme c’est le cas en Méditerranée. L’océanographie opérationnelle peut
être une réponse intéressante au besoin de Mothy, ces systèmes représentant de manière très
réaliste la circulation océanique général et l’ensemble des processus non présents dans Mothy
(courants de grande échelle, tourbillons, etc.). Une solution consiste alors à prendre le courant à base
de la couche de mélange océanique de ces système et à l’ajouter au courant calculé par Mothy, de
manière à lui apporter l’information manquante (il ne faut pas prendre en compte deux fois l’effet du
vent). Dans cette optique, Mercator Océan (océanographie opérationnelle) livre quotidiennement
des cartes de courants 2D à Météo-France, dont l’usage est laissée à l’appréciation du prévisionniste
en charge du système.
On souhaite trouver des solutions plus satisfaisantes d’intégration des courants issus des
systèmes Mercator dans Mothy. Pour ce faire, une étude préalable des caractéristiques de Mothy est
nécessaire afin de bien évaluer ses exigences, et les composantes océaniques importantes aux
applications de dérive. Il est tout aussi important d’évaluer la qualité des courants utilisé pour son
forçage, et de connaitre précisément leur capacité à représenter la réalité. Enfin, dresser une rapide
documentation de la zone d’étude aide à se faire une idée des phénomènes que le système va devoir
maîtriser.
Dans cette étude, nous avons produit et testé une nouvelle génération de courants
bidimensionnels élaborés à l’attention particulière de Mothy : la composante géostrophique du
courant, la composante moyenne du signal soustraite des effets moyen du vent et enfin une
extraction à une profondeur localement variable, directement sous la couche d’Ekman. Les résultats,
bien que modestes, furent cependant encourageants à une seconde série de test, avec cette fois-ci
un système opérationnel plus performant, prototype de remplacement du système Mercator actuel
pour la Méditerranée. L’apport en précision de ce nouveau système confirme que la bonne
description de la circulation, en particulier le positionnement des courants et des structures mésoéchelles joue un rôle clé dans les applications de dérive.
Les systèmes opérationnels disponibles à l’heure actuelle ont des résolutions de l’ordre du
de degré, et ne sont pas suffisamment précis pour modéliser correctement la sub-méso
12
échelle, qui a un impact fort sur les dérives de nappes. Nous montrons toutefois qu’on peut utiliser
un forçage océanique avec un assez bon niveau de confiance dans les zones stables, à circulation très
marquée.
ème
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
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Sommaire
Introduction
Introduction ............................................................................................................................................ 7
Description de la zone d’étude : la Méditerranée.................................................................................. 8
Description de Mothy ............................................................................................................................ 11
Méthodologie
Intégration de la composante permanente manquante dans Mothy .................................................. 13
Protocole de simulation de Mothy ........................................................................................................ 15
Résultats des expériences de dérives Mersea ...................................................................................... 18
Elaboration des courants testés ............................................................................................................ 20
Résultats
Résultats du système opérationnel actuel ............................................................................................ 23
Résultats du futur système opérationnel .............................................................................................. 24
Evaluation de zones propices au forçage océanique de Mothy............................................................ 32
Conclusions
Discussions ............................................................................................................................................ 33
Conclusions et Perspectives .................................................................................................................. 35
Bibliographie.......................................................................................................................................... 36
Annexe A : Description mathématique de Mothy................................................................................. 38
Annexe B : les systèmes Mercator ........................................................................................................ 42
Annexe C : Utilisation de climatologie pour le forçage océanique de Mothy ....................................... 43
Annexe D : Validation des courants élaborés........................................................................................ 44
Annexe E : Une simulation complète de Mothy.................................................................................... 47
Annexe F : Instabilité du courant Liguro-provencal, rayon de Rossby, courants géostrophique ......... 49
Annexe G : Rapport d’activité de Mothy ............................................................................................... 52
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APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
Introduction
Véritable plateforme de distribution (avec des connexions vers les Etats-Unis, L’Afrique mais
aussi l’Extrême-Orient via le canal de Suez, en Méditerranée), les côtes Françaises sont spectatrices
chaque année de l’acheminement d’environ 300 millions de tonnes d’hydrocarbure transportés par
voie maritime. Cette activité est intrinsèquement liée à un risque de pollution des eaux importante
en cas d’incidents (collision, échouage, chargements, etc.) et dont les premières expériences furent
désastreuses avec les échouages du Torrey Canyon (100 000 t de pétrole, 1967) et de l’Amoco Cadiz
(220 000 t de pétrole, 1978). Aujourd’hui, en dépit d’une législation de plus en plus sévère et de
protocoles de transports de plus en plus sécurisés, les incidents de l’Erika (1999) et du Prestige
(2002) montrent que le risque est toujours d’actualité.
Par le passé, de nombreuses opérations de secours se sont appuyées sur des données
historiques des courants océaniques, afin de pronostiquer le déplacement des pollutions, et
d’évaluer au mieux les mesures à prendre. De nos jours, il incombe à la modélisation de fournir cette
information de manière pertinente, les systèmes de dérive modernes étant capable de décrire de
manière très réaliste les processus intervenants dans ce phénomène. L’apport de ces systèmes a déjà
été éprouvé, et plusieurs d’entre eux sont acteurs de réseaux de surveillance, comme le modèle
Oilmap (Applied Science Associate, 2005) utilisé par les gardes côtes Américains, ou des modèles
européens tels que OD3D (Met.nc, Norvege) ou Medskilk (Lardener et al, Chypres), partenaires du
modèle français Mothy (Météo-France) dans le projet européen de surveillance de l’océan Mersea
(Marine environement and Security for the European Area).
Ce grand projet a pour objectif le développement et la mise en place d’un système unique
au monde d'observation, de modélisation, et de prévision de l'océan mondial et des mers régionales
européennes. Cette étude s’y inscrit pleinement, portant sur l’amélioration de l’intégration d’un des
forçages non systématique de Mothy, fourni par Mercator-Océan, leader de l’océanographie
opérationnelle européenne.
Mothy a la particularité de proposer sa propre modélisation interne du courant, en vue
d’une exécution autonome et rapide du système. Toutefois, cette modélisation reposant sur une
approximation (un océan dense de manière homogène), le système a besoin dans certaines zones
d’un forçage océanique plus réaliste pour l’obtention de résultats satisfaisant.
Dans le cadre du projet, deux exercices de dérives en conditions réelles furent conduites en
Méditerranée, durant l’hiver 2007. La Méditerranée est en effet une zone peu propice au lancement
de Mothy, et une première exploitation de ces données a montré des résultats mitigés sur la
correction apportée par les champs de courants Mercator actuels. Nous nous baserons sur ces deux
manœuvres et essaierons de rehausser ces résultats.
L’objectif premier, après la compréhension des besoins Mothy, est la détermination, la
production et le test de champs de courant plus adaptés au forçage océanique de Mothy. Nous
aurons de plus la possibilité d’apprécier les améliorations qu’amène l’utilisation de systèmes
opérationnels de nouvelles générations. Enfin, il est aussi important au terme de cette étude
d’identifier les causes des mauvaises simulations, et de proposer une expertise quand à l’utilisation
ou non de ce forçage.
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
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DESCRIPTION DE LA MÉDITERRANÉE
Description de la zone d’étude : la Méditerranée
Généralités
Berceau des grandes civilisations occidentales d’hier et d’aujourd’hui, la Méditerranée est
fréquentée assidûment par les hommes depuis plusieurs dizaines de milliers d’années. Facile d’accès,
elle se présente dès l’antiquité comme l’une des zones les mieux étudiée du monde marin, de part
ses enjeux socio-économiques, militaires et environnementaux. Littéralement mer située au milieu
des terres (du latin : « mare medi terra »), le bassin méditerranéen s’étend d’est en ouest sur 4000
km (de 6° W à 36° E) sur une superficie de près de trois millions de kilomètres carrée. La
configuration méditerranéenne se caractérise par une série de bassins profonds, enserrés par les
chaînes alpines européennes et africaines. Autre particularité, la Méditerranée dispose d’un système
de communication privilégié à l’ouest avec l’océan Atlantique, via le détroit de Gibraltar, en plus
d’une connexion à l’est à la Mer Noire.
Fig. 3. 1: carte de la mer Méditerranée mentionnant les principaux bassins et détroits (Somot et al 202)
Stratification et baroclinicité
Le détroit de Gibraltar est un lieu de rencontre entre les eaux méditerranéennes et atlantiques,
et de ce fait, une interface importante en terme de flux d’eau, de sel et de chaleur. Ces échanges
sont le résultat d’un bilan hydrologique du bassin, forcé par l’atmosphère. En effet, la Méditerranée
reçoit moins d’eau douce par précipitation et ruissellement qu’elle n’en perd par évaporation. Ce
déséquilibre entraine, par compensation, l’eau Atlantique de surface1 avoisinante au détroit à entrer
dans le bassin. Ces eaux Atlantiques sont ensuite, sous l’influence des forçages atmosphériques et
des phénomènes océanique, mélangées aux masses d’eau méditerranéennes. Cependant, cet apport
1
8
Atlantic Water, AW : 15.4°, 36.2 psu
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
DESCRIPTION DE LA MÉDITERRANÉE
d’eau est supérieur à la perte nette du bilan, et il existe en profondeur un courant de retour2
d’origine méditerranéenne qui se glisse sous la couche superficielle des eaux atlantiques entrantes.
Le jeu de figures 3.2 est issu de la base de donnée climatologique MODB (Mediterranean Oceanic
DataBase). Notons que la salinité augmente d’Ouest en Est (Fig. 3.2.a), conformément au schéma de
circulation des eaux atlantique de surface (moins salées et plus froides) dans le bassin. La
température quant à elle (Fig. 3.2.b) montre une distribution classique nord/sud, avec toutefois la
signature des échanges Atlantico Méditéranéen visibles à l’ouest.
a)
c)
Température moyenne de surface (hiver)
Bathymétrie
b)
Salinité moyenne de surface (été)
d)
Amplitude des courants moyens à 5m (hiver)
Fig. 3.2: cartes tracées à partir de la base de donnée MODB
La Méditerranée est donc une zone stratifiée, avec de fortes disparités est/ouest en température
et salinité. De plus, La présence du double courant au niveau de Gibraltar et les différences de
densité forcent une circulation verticale à travers la thermocline pour l’équilibre du système: c’est la
Mediteranean Thermohaline Circulation (M.T.C.). Plusieurs sites de convections profondes ou
intermédiaires participent à la production des masses d’eaux méditerranéennes: le golfe du Lion, la
mer Adriatique, le gyre de Rodhes et la mer Egée.
Bathymétrie et courants
La bathymétrie méditerranéenne a la particularité première de présenter une plongée abrupte
de la plupart de ses côtes, avec de rares plateaux continentaux, fruits des phénomènes de contact
entre les plaques Africaines et Eurasiennes (Fig. 3.2c). Globalement, on distingue deux bassins : le
bassin occidental et le bassin oriental (on parle alors de « Méditerranée orientale » ou
« Méditerranée occidentale », nous utiliserons ces termes par la suite). Le premier bassin, à l’ouest,
englobe le détroit de Gibraltar (profondeur maximale de 320 m), la mer d’Alboran (profondeur
maximale de 1500 m) et la plaine abyssale du bassin Algéro-provencale (hauts fonds autour de 3000
2
Mediterranean Outflow Water, MOW : 13°, 38.4 psu
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
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DESCRIPTION DE LA MÉDITERRANÉE
ÉDITERRANÉE
m). Le second bassin, à l’est, est constitué de vastes cuvettes atteignant jusqu'à 5000 mètres de
profondeur,, de la Sicile jusqu’au bassin Levantin. La séparation des deux bassins est marquée
m
par le
détroit de Sicile (env. 200 m).
En surface, les courants méditerranéens ont un sens giratoire typiquement cyclonique (Fig. 3.2.c
et 3.3). Cette circulation est forcé
cée par les différences de densité est/ouest ainsi que par le régime
des vents de la zone. Parmi les composantes les plus puissantes
puissante de la boucle, citons :
-
le courant Liguro-Provencal
rovencal le long des côtes françaises
la gyre d’Alboran (détroit de Gilbraltar)
Le courant d’Algérie
La variabilité de la circulation (typiquement saisonnière, mais aussi quelque fois interannuelle)
est imposée par forçages externes liés au flux océan/atmosphère en plus d’une variabilité interne, lié
par exemple au positionnement de la Levantin Intermedian Water (eau intermédiaire
méditerranéenne formée lors des processus convectifs de la M.T.C .). Le paysage méditerranéen est
aussi enrichi par la présence de tourbillons, dont la formation et la durée de vie sont dépendant de
l’instabilité
ilité des courants côtiers (Fig. 3.3).
Fig.3.3: carte de la circulation de surface, montrant le positionnement des principaux tourbillons, (Iudicone et al 1998)
Les phénomènes liés à la marée sont présents mais cela dit, peu significatifs. Cette faiblesse
faible
s’explique d’une part par l’étroitesse du bassin qui ne permet pas une progression correcte des
ondes de marée (les ondes de marées ont une longueur d’onde quasiment égale à la largeur du
bassin), et d’autre part par l’absence de plateaux continentaux capables d’accentuer le signal (mis à
part le plateau Tunisien). Enfin, la marée méditerranéenne est souvent perturbée voire annulée par
les effets météorologiques:: un coup de vent violent suffit souvent à la masquer.
Conclusion
Nous
ous sommes en présence d’un bassin fortement stratifié,, avec une forte baroclinicité
est/ouest. Les puissants courants permanents circulant le long de ses côtes sont issus de la
composante basse fréquence des forçages atmosphériques et de phénomènes d’ajustements de
densité. Cess derniers peuvent générer, par leur instabilité occasionnelle, de fréquents phénomènes
tourbillonnaires qui complexifient la circulation de cette zone.
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APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
DESCRIPTION DE MOTHY
Description de Mothy
En réponse à ses engagements dans le WMO (World Meteorogical Organisation : 1994) et le
système MPERSS (Polution Emergency Response Support System), Météo France a développé le
modèle Mothy (MOdèle de Transport d’HYdrocarbure, Daniel et al [1], Fév. 1996). L’ambition
première de ce système est la modélisation du comportement d’une nappe de pétrole en mer,
soumise à des conditions océaniques et atmosphériques de fines échelles. Mothy permet de
conjecturer les trajectoires de pollutions marines accidentelles en temps réel et ce pour n’importe
qu’elle zone d’application. Ce système peut être lancé 24 heures sur 24 en cas d’incident par le
prévisionniste marine du Centre National de Prévision à Météo-France, situé à Toulouse.
Parmi les grands accidents qui ont sollicité le lancement de Mothy et illustré son efficacité,
nous pouvons citer les naufrages de L’Erika (1999), du Levoli Sun (2000) ainsi que celui du Prestige
(2002) (voir [20] et [21]). De part le caractère impératif et urgent des demandes, le système doit être
capable de fournir une information rapide: les temps de réponses sont généralement du ¼ d’heure à
la demi heure.
Aussi, de manière à assister les autorités à la prise de décision lors d’incidents pétroliers ou
d’opération de sauvetage en mer, Mothy est activé plus de 300 fois par an. Le modèle se décline de
plus dans une seconde version (version « Objet », Mars 1998), permettant de traiter les dérives de
corps, et qui fait l’office d’une demande de plus en plus fréquente (recherches en mer, sécurisation
de la circulation marine, etc.). Cette étude se bornera toutefois à la première version, même si les
concepts évoqués sont sensiblement les mêmes pour les deux configurations.
Modélisation de Mothy version hydrocarbure
Mothy est un modèle autonome permettant la simulation des principaux forçages
contraignant les mouvements d’une nappe de pétrole. Cette simulation repose sur le travail commun
d’un modèle hydrodynamique d’océan à domaine limité et d’un modèle physico-chimique de nappe.
En entrée, le système se nourrit :
•
•
•
Des champs de pression et de vents, qui sont
des prévisions de modèles atmosphériques
De la bathymétrie de la zone
Des constantes harmoniques d’un certain
nombre d’ondes de marée de manière à
intégrer ce forçage aux frontières
Marée
(marégraphes)
Forçage
Atmosphériques
MODELE
BAROTROPE 2D
MODELE DE NAPPE
Bathymétrie
MODELE
ANALYTIQUE 1D
CARTES ET RESULTATS
Les paramètres de lancement du modèle sont
Fig.1.1 : schéma structurel de Mothy
la position initiale du rejet, la date et l’heure de départ
de simulation, la masse volumique du polluant, la durée
de relâchement et enfin la durée de simulation souhaitée. Après ces précisions, on obtient en fin de
calcul (ou run) un éventail de cartes de trajectoires de dérives pour l’échéance donnée. La figure 1.1
présente le schéma structurel de Mothy. Nous présenterons rapidement le système, sans rentrer
dans le détail de la modélisation mathématique, mais en précisant les explications qui nous semblent
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
11
DESCRIPTION DE MOTHY
importantes à la bonne compréhension de l’étude. (Ces équations sont toutefois disponibles et
expliquées dans l’annexe A)
1) Modèle d’océan
La particularité du modèle d’océan est sa sécabilité en 2 sous-modèles. La première couche
est un modèle bidimensionnel d’océan barotrope (c'est-à-dire à profil de vitesse constant sur la
verticale) qui calcule les courants moyens sur la couche océanique en se basant sur les équations de
Saint-Venant, qui sont les équations de Navier-Stockes intégrées en comptabilisant l’effet du vent.
Ensuite, via un modèle uni-dimensionel de viscosité turbulente, un profil vertical du courant
est construit de manière analytique, pour finalement en fournir une représentation
tridimensionnelle. Cette distribution du profil de vitesse sur la verticale s’inspire du modèle de
Madsen [15]. Le modèle d’océan part d’un état de la mer au repos, ce qui fait que la circulation
permanente n’est pas représentée.
2) Modèle physico-chimique de polluant
Le modèle d’hydrocarbure traite les nappes de manière particulaire: une nappe est
représentée dans le système par un nuage de gouttelettes indépendantes, mais cependant
cohérentes. Typiquement, un rejet est modélisé dans Mothy par l’introduction à intervalle régulier
de paquets de gouttes dont le diamètre suit une distribution linéaire (entre 10 µm et 50 µm). Le
choix du polluant est fixé dans le système par sa seule masse volumique. Les forces régissant les
mouvements des particules sont alors :
-
le courant calculé par le modèle d’océan interne (mouvement horizontal)
la diffusion turbulente (mouvement tridimensionnel issu d’un processus aléatoire :
modèle d’Elliot [16])
la flottabilité (mouvement vertical, forcé par les lois de Stocks et de Reynolds).
Notons que ce modèle de nappe de prends pas en compte toute la chimie de l’hydrocarbure
(transformation, évaporation, réaction, vieillissement, etc.), ces processus étant mal connus et
sources d’incertitudes.
Conclusion sur la modélisation de Mothy :
La caractéristique physique principale à retenir de Mothy concerne sa conception 2D+1D
pour sa modélisation interne du courant. La possibilité de disposer d’un champ 3D est capitale pour
les applications de dérive de nappes. En effet, la position d’une particule sur la verticale joue un rôle
clé sur la façon dont elle va être advectée: en surface, elle sera plus sensible à l’action du vent et se
déplacera plus vite qu’en profondeur où les courants sont généralement plus faibles. La
décomposition du courant en courant 2D barotrope et 1D analytique est une réponse optimale au
besoin d’une exécution rapide, tout en conservant une description assez fine des mouvements dans
l’espace. Toutefois, ce choix fixe les limites de Mothy et amène une problématique forte : sur les
sites où les masses d’eau sont peu mélangées, et soumises à des courants de grandes échelles
importants, la modélisation du courant devient dès lors fortement critiquable. La Méditerranée est
l’exemple parfait des limitations de Mothy.
12
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
INTEGRATION DE LA COMPOSANTE MANQUANTE DANS MOTHY
Intégration de la composante permanente manquante dans Mothy
La solution retenue par Météo France pour le réajustement des résultats de Mothy en zone peu
appropriée est de fournir au système un courant extérieur prenant en compte les processus
manquants (Daniel P. 2002 [2]). Ce courant, par commodité, est un champ horizontal 2D qui se
retrouve ajouté sur toute la verticale, en tout point du polluant. Son choix est conditionné avant tout
par le fait qu’il ne doit pas prendre en compte le forçage lié au vent (déjà considéré dans Mothy), et
qu’il doit être représentatif de la circulation permanente du bassin. On distingue pour le moment
deux classes de produits servant à cette application: les courants climatologiques et les courants
issus de la prévision opérationnelle. Cet ajout de courant n’est pas systématique et laissé à
l’appréciation du prévisionniste en charge du système.
Les courants climatologiques sont des moyennes mensuelles ou saisonnières sur plusieurs
années, mettant en évidence des régimes de circulations caractéristiques de la fenêtre temporelle
considérée. Ils correspondent donc à une activité stationnaire du milieu qui peut être associée à la
circulation permanente (F. Marty, Météo France 2002, [7], voir aussi annexe C). Ces courants
peuvent être issus indépendamment de la modélisation ou de l’observation.
L’océanographie opérationnelle permet aujourd’hui la prévision de l’état de l’océan à
l’horizon d’une quinzaine de jours. Elle repose généralement sur une vrai modélisation
tridimensionnelle aux équations primitives, permettant une très bonne description de la circulation
générale et des processus méso-échelles. Les sorties modèles de ces systèmes conviennent donc
parfaitement à l’application dont il est propos ici.
Intégration des courants Mercator dans Mothy
Le G.I.P. (Groupement d’Intérêt Publique) Mercator [14] a pour mission à travers divers
projets européens, la mise en place de systèmes prévisionnels (modèles numériques) capables de
décrire l’état de l’océan de manière opérationnelle, à l’échelle du globe. Un partenariat scientifique
étroit lie Mercator et Météo-France et dans cette optique, Mercator livre quotidiennement à Météo
France des cartes 2D de courants journaliers, dont une partie cible l’éventuel forçage océanique de
Mothy.
Ces courants horizontaux (qui sont en fait les composantes zonales et méridiennes du
courants) sont issus d’une extraction des sorties des systèmes Mercator à une profondeur devant
respecter les critères de Mothy (caractéristiques de la circulation permanente et suffisamment en
profondeur pour être isolés de la surface). Au préalable de ce stage, le niveau 100 m était
systématiquement utilisé, plusieurs études ayant montré que la couche de mélange océanique
méditerranéenne est généralement inférieure à l’isobathe 100 m ( par ex. K. Belleguic, 2005 [8]).
Nous exposerons ici quelques particularités des systèmes Mercator justifiant le choix de leur
utilisation pour le forçage océanique de Mothy
Les systèmes Mercator sont basés sur le modèle OPA /NEMO (modèle d’Océan PArallélisé),
développé au laboratoire d’océanographie dynamique et de climatologie (LODYC, institut Pierre
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
13
INTEGRATION DE LA COMPOSANTE MANQUANTE DANS MOTHY
Simon Laplace, Paris) (Madec et al [13]). Ce modèle se retrouve ici couplé à un puissant système
d’assimilation de données issues de l’observation de l’océan.
OPA est un modèle aux équations primitives de la circulation océanique régionale et globale. Les
équations du mouvement sont les équations de Navier Stocks adaptés aux océans. Les variables
pronostiques calculées par OPA sont le champ tri-dimensionnel de vitesse et les caractéristiques
thermo-halines de l'eau de mer. Les autres variables de la description océanographique sont
obtenues de manière diagnostique au travers du jeu des équations de la physique. Les forçages
atmosphériques utilisés par les systèmes Mercator proviennent des moyennes journalières de
l’ECMWF (centre européen de prévisions météorologiques à moyen terme). Tous les processus
océaniques sont pris en compte, à l’exception de la marée et de l’influence de la pression
atmosphérique (baromètre inverse).
L’assimilation de donnée est une méthode de correction de prévisions numériques largement
utilisée dans les domaines de la météorologie et de l’océanographie, et une des forces des systèmes
Mercator. L’idée est d’utiliser des observations directes du milieu, et de les intégrer à la prévision de
manière à fournir des résultats plus proches de la réalité. Parmi les variables que les systèmes
Mercator assimilent, nous retrouvons des produits issus de l’utilisation de satellites telles que la SLA
(Sea Level Anomaly) et la SST (Sea Surface Temperature ) et des mesures directes du milieu ( Profils
température/salinité par bouées dérivantes, etc.).
Le système opérationnel assurant la couverture du domaine méditerranéen est le système
PSY2V2 (système régional Atlantique/Méditerranée au 1/16°). Le futur système de remplacement ;le
système PSY2V3, possédant de nombreuses améliorations vis-à-vis de son prédécesseur, assurera sa
relève pour Juin 2008. (Voir annexe B pour plus d’informations sur les systèmes Mercator)
Remarques
1) On pourrait penser que l’application d’un courant 3D directement issu des sorties
Mercator serait plus judicieux, mais les deux systèmes ne travaillent pas à la
même résolution vertical: Mothy est plus raffiné de manière à résoudre la spirale
d’Ekman, alors que les systèmes Mercator les plus fin commencent à peine à le
faire. Le choix d’un courant 2D implique une facilité immédiate de mise en
œuvre : il suffit de faire un simple ajout sur la verticale.
2) On pourrait tout aussi bien imaginer utiliser directement les systèmes Mercator
couplé au module de particule de Mothy, mais le temps de réponse du système
serait alors incompatible avec les besoins de l’application.
3) Il est aussi impératif de mettre en évidence la différence en terme de fréquence
de forçage entre des deux systèmes. Les cartes Mercator sont des cartes de
courants moyennées à l’échelle de la journée, utilisant des forçages
météorologiques moyens sur 24 h, alors que les forçages météorologiques de
Mothy sont utilisés toutes les 6hrs. Nous avons ici un découplage temporel entre
les deux systèmes, en plus d’une limitation à traiter la réponse de la variabilité
aux petites échelles temporelles des forçages (un brusque coup de vent
influençant la dérive par exemple).
14
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
PROTOCOLE DE SIMULATION DE MOTHY
Protocole de simulation de Mothy
Dans cette partie nous décrirons les expériences sur lesquelles nous appuierons notre évaluation, et
le protocole utilisé.
Description des expériences de dérives Mersea en Méditerranée
Une manière classique d’évaluer un modèle numérique est de confronter les résultats simulés à
l’observation de la réalité, sur des cas d’étude bien précis. Pour l’expertise de Mothy dans la zone
méditerranéenne, nous nous baserons sur deux manœuvres de lâchée de bouée menées dans le
cadre du projet européen Mersea (Marine EnviRonment and Security for the European Area »), lors
de l’hiver 2007.
La première, en Méditerranée occidentale, a consisté à la mise à l’eau de six bouées
dérivantes par le CEDRE (Fig. 3.1.a, CEntre de Documentation de Recherche et d’Experimentation) au
niveau de la Côte d’Azur, le 10 Octobre 2007. Les trajectoires des bouées furent tracés heure par
heure pendant deux mois, de manière à disposer d’un jeu de trajectoires de référence pour la
validation des systèmes participant au projet. Durant les premiers jours, les bouées sont collées aux
côtes françaises par le puissant courant Liguro-Provencal, (Fig. 3.2, gauche) jusqu'à menacer de
s’échouer sur le littoral le 17 Octobre. Un coup de Mistral bienvenu distribuera finalement les bouées
vers le sud, la plus grande partie dérivant dans le prolongement du liguro et de ses méandres
(bouées 75662, 60213, 75664, 60212) alors que deux bouées s’isolent avec des trajectoires vers l’est
des Baléares (75663) et vers la Tunisie (78115). Finalement, au terme de l’expérience, le 06
Décembre, quatre bouées sur six sont échouées, les deux restantes faisant l’objet des caprices des
phénomènes tourbillonnaires de la zone.
La seconde expérience, en Méditerranée orientale, offre le résultat de trois trajectoires évaluées
avec les bouées dérivantes « Argosphere Oil emulating system » (Fig. 3.2.b), avec points de largage
différents, dans la baie du proche Orient (Bassin Levantin), au niveau de Chypres. Le parcours des
bouées, mises à l’eau le 17 Septembre, est cette fois-ci beaucoup plus accidenté et tortueux (Fig.
3.2b). Au final, Les bouées 78116 et 78117 font naufrage, l’une au sud des côtes libanaise, entre les
villes de Sour et Saida le 16 Octobre et l’autre sur les côtes Israéliennes entre Netaya et Hadera le 31
Octobre. La bouée 78118 se trouve toujours en mer à la clôture de l’expérience, le 06 Décembre.
Fig. 3.1 : a) bouées dérivantes de surface (CEDRE), utilisées en Méditerranée occidentale b ) Argosphere Oil emulating system, utilisées
en Méditerranée orientale. Ces système voyagent à des profondeurs comprises entre 5 et 50 m. .
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
15
PROTOCOLE DE SIMULATION DE MOTHY
Fig. 3.2 : Ré sult ats de s expér ie nces de dér ive s Mersea, Médit erranée occide nt ale (gauche) et orie nt ale (droite)
Protocole d’évaluation de Mothy
Ces deux expériences sont un jeu de donnée unique pour l’évaluation de Mothy en territoire
méditerranéen. Il apparait à première vue réducteur d’extrapoler et de comparer la physique de
dérive d’une bouée à celle d’une nappe de pétrole, mais des études similaires ont montré que la
comparaison est satisfaisante si tenté que l’on travaille avec de l’hydrocarbure léger, et peu réactif
avec le milieu (NOAA [22], Mc Grath et al [5]).
[5]
Nous avons vu précédemment que Mothy modélise les nappes de manière particulaire, par un
ensemble de gouttes
ttes dénombrables. Pour faire la comparaison entre observation et simulation, on
va associer le barycentre de ces éléments à une bouée « immatérielle ». On peut ainsi étudier les
différences en terme de trajectoire entre cette « bouée » simulée et la bouéee observée (attention, le
but est toujours de modéliser le comportement d’un hydrocarbure).
Dans le but d’exploiter au mieux ces données, on découpe chaque trajectoire observée en
intervalles de quarante huit heures, chacun servant de fenêtre temporelle et spatiale de lancement
pour Mothy. On laissera ensuite le système dériver pendant trois jours, en comparant heure par
heure la simulation à l’observation. Au terme de chaque simulation (ou run), on passera à l’intervalle
suivant afin de multiplier les résultats.
ésultats. Ce découpage en intervalle de quarante huit heures est à
priori largement suffisant pour l’application que l’on recherche, puisque dès les premières vingtvingt
quatre heures, la simulation est déjà très différente et éloignée de l’observation. On suit ici le même
protocole préconisé par Comerma et al [9], qui assure que la bouée simulée ne se retrouve pas
finalement à une distance raisonnable de l’observation par hasard, au terme d’une très longue
simulation.
16
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
PROTOCOLE DE SIMULATION DE MOTHY
Exemple sur une simulation
Les figures
res 3.3 illustrent le déroulement d’une simulation, ainsi que l’idée de l’interprétation
effectuée. La première carte (Fig. 3.3, gauche) est une carte de résultat typique de Mothy. Le run est
mené pour une dérive de 72 h basé sur un tronçon de la trajectoire
trajectoire 60212. La trajectoire de
référence (l’observation) figure en noir alors que celles obtenues par les différents forçages
océaniques testés ici se distinguent par des couleurs différentes (marron : pas de forçage - wind only
, vert : climatologie Mercator à 6 m, rouge : modèle italien - M.F.S, bleu : ré-analyse
ré
Mercator
PSY2V2).
2V2). Sur les trajectoires, chaque point marque un espacement temporel de 24h.
La deuxième carte (Fig.. 3.3, droite) montre la dispersion des particules simulées par Mothy.
C’est en fait le détail de l’état du système 48 h après le début du lancement de la simulation
précédente, le code de couleur étant conservé. Nous voyons ici les positions des patchs de particules
de nappes simulés, en plus des trajectoires 60213 et 75661. Seuls les barycentres des nappes ont été
retenus pour le bilan de la dérive. Notons que l’information du barycentre ne renseigne pas sur la
géométrie du patch, mais nous n’explorons pas ici cette problématique, en nous focalisant
uniquement sur l’aspect de « dérive
dériv » du système.
Fig. 3.3
Gauche : Simulation Mothy trajectoire N° 6021. Position initiale : 43.54 N 7.19 W. Durée de la simulation : 72h. Forçages testés : wind only
(pas de forçages), climatology (climatologie
(cl
PAM-mercator), MFS (modèle Italien), Mercator
ercator PSY2V2 réanalyses
Droite: Même simulation que précédemment, description de l’état
l’état de la simulation à h= 48 h après le début du run
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
17
RÉSULTATS DE MERSEA
Résultats des expériences de dérives Mersea
L’entreprise de ce stage est en partie motivée par les questions qui furent soulevées lors de la
diffusion des premiers résultats des expériences de dérives Mersea conduites avec Mothy et divers
forçages océaniques. (Mersea drift report [3]). Les forçages testés étaient alors :
•
•
•
•
Pas de forçage océanique (hormis le courant interne calculé par Mothy) : wind only
Une climatologie mensuelle à 6 m avec une résolution 1/8°, calculée avec des analyses
Mercator-PAM construites sur trois ans (1998-2000)
Mercator PSY2V2R1, meilleures estimations à 100m avec une résolution 1/15°
MFS, (système Italien) meilleures estimations à 100m avec une résolution 1/16°
Rapport Mersea Ouest
Rapport Mersea Est
Fig. 4.1 : Résultats des premières simulations de dérive Mothy en Méditerranée
Les résultats présentés ici (Fig. 4.1) sont les moyennes des évolutions de distance (km) entre
l’observation et la simulation pour chaque forçage, sur les 72h de simulation, toutes simulations et
toutes bouées confondues (110 simulations).
Faisons ici quelques remarques. Le critère d’erreur distance est l’information la plus
pertinente, pour les opérations de secours sur une simulation ponctuelle, car il mène à la
discrimination d’une région d’intérêt pour la localisation de l’objet (un cercle dont le rayon est égal à
l’erreur, centré sur la prévision). Cependant ce n’est pas nécessairement le verdict le plus adapté ici,
car il est tout à fait possible qu’un run mal commencé (par exemple dans le cas où la simulation va, à
cause du forçage océanique, à contre sens de l’observation), présente finalement un résultat
intéressant en fin de simulation. On ne peut pas dans ce cas identifier ce forçage comme correct.
Notons de plus que les résultats sont issus de moyennes sur plusieurs simulations différentes, sans
tenir compte de la localisation géographique et des phénomènes particuliers à l’instant de la mesure.
Dressons maintenant un premier bilan de ces résultats. L’évaluation de différents forçages
atmosphérique, à l’ouest, montre que l’utilisation prévisions issues de L’ECMWF génère
18
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
RÉSULTATS DE MERSEA
systématiquement les meilleurs résultats. Nous sélectionnerons dés lors toujours ce forçage pour le
reste des simulations entreprises dans la suite de l’étude
En Méditerranée occidentale, Mercator est le plus mauvais forçage océanique (en moyenne
entre 48 et 50 km de l’observation à 72 h d’échéance), suivi de prés par le forçage atmosphérique
seul (entre 45 et 48 km à 72 h). Le modèle MFS et la climatologie sont en moyenne les meilleurs
forçages avec respectivement 40 et 35 km de distance moyenne à l’observation au terme des
différents runs. En Méditerranée orientale, Mercator est encore une fois dernier, avec un résultat
final de 55km, alors que les trois autres forçages offrent des résultats à peu prés similaires autour de
40 km.
Nous constatons ici de manière troublante que l’emploi de climatologie, en moyenne, est
souvent meilleur que les prévisions fournies par les modèles Mercator ou MFS. De plus, à l’Est, le fait
de ne pas utiliser de forçage océanique ne semble pas détériorer outre mesure les résultats.
Des études similaires ont montré que la qualité de la modélisation, en particulier le
positionnement des structures méso-échelle et des courants, joue un rôle critique pour les
applications de dérives (Jorda et al [6], Jouan [12]). En effet, la mauvaise localisation d’une structure
advective dans le système (et/ou une mauvaise estimation de son intensité) se trouvant à proximité
du corps dérivant peut avoir une lourde conséquence sur le reste de la simulation (en admettant que
les systèmes reproduisent une circulation proche de la réalité).
Nous tâcherons d’explorer les questions suivantes :
1/ Peut-on améliorer de manière systématique les résultats en fournissant une génération de
courants modélisés plus adaptée à Mothy ?
2/ Est-il possible d’identifier des situations où les résultats sont toujours satisfaisants, et d’en
comprendre les mécanismes ? Peut-on finalement avancer des pronostiques ou mettre en évidence
le meilleur forçage à utiliser dans une configuration donnée ?
3/ Enfin, peut-on quantifier la capacité des systèmes opérationnels à forcer avec succès les
systèmes de dérive ?
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
19
ÉLABORATION DES COURANTS TESTÉS
Elaboration des courants testés
Une première étape de cette étude consiste à la caractérisation de candidats potentiels de
substitution pour le courant bi-dimensionel Mercator diffusé à l’attention de Mothy. Il faut donc
réussir à identifier à partir des sorties modèles de ces systèmes, de nouveaux champs de courants
intéressants pour l’application. Il nous a paru important de décomposer le signal océanique afin de
cibler l’influence de chaque forçage dans le système, en particulier celui du vent qu’il ne faut surtout
pas comptabiliser. Les composantes géostrophiques et d’Ekman (composantes océaniques de
grandes échelles spatio-temporelles) ne sont pas disponibles en sortie du modèle, on doit alors les
recalculer de manière diagnostiques à partir des équations de bases. On s’inspirera des méthodes
développées par Lagerloeff et al (1999) [4], que l’on a adapté ici à l’utilisation de sorties de modèles.
Ces méthodes permettent la détermination tridimensionnelle de courants horizontaux à partir
de trois variables de surfaces: l’anomalie d’élévation de surface (), la tension du vent (τ) et la
température de surface (), en calculant l’efficience de chaque forçage. Toutefois, ayant de besoin
d’un courant bi-dimensionel, nous nous bornerons à la première partie du calcul, qui fournit un
courant moyen sur une couche océanique (un peu à la manière du courant barotrope Mothy).
Ces trois variables sont bel et bien présentes dans les sorties modèles et de manière homogène à
la résolution du système utilisé, par contre il convient de préciser quelques informations. Le champ
de tension du vent n’est pas une variable calculée, mais un forçage fournit par le centre européen
avec une résolution du ¼ de degré, qu’on ré-interpole sur la grille du modèle (ici au 12ème ). La SST et
la SSH quant à elles sont des produits issus des systèmes de prévision Mercator (modélisation +
assimilation): les zones les mieux décrites seront alors celles dotées du meilleur réseau
d’observation.
Modèle utilisé
On considère un écoulement quasi-linéaire et stationnaire dans une couche de surface où la
vitesse horizontale , varie avec la coordonnée verticale et où le mélange turbulent est
caractérisé par un coefficient de viscosité turbulente uniforme avec la profondeur. Un terme de
flottabilité simplifié θ, dépendant seulement de la et d’un coefficient est retenu pour la
balance hydrostatique. En écrivant sous la notation complexe , , et ,
les équations de base sont:
avec
•
•
20
1
# . $%
. !"
(
1
.
#
&
'
!" $
' &. . # , la pression en un point du fluide #, , !" , la masse volumique caractéristique du fluide
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
ÉLABORATION DES COURANTS TESTÉS
•
•
, le coefficient d’expansion thermique du fluide ( 3. 10+, - +.)
, le facteur de Coriolis
et / / 0 , représente ici une grandeur d’échelle caractéristique telle que le
cisaillement vertical s’annule selon les conditions limites suivantes :
% 0
% 0
1
0
0
0
0
0
Avec 1 (2. 3 +4 le stress du vent normalisé par la masse volumique caractéristique !" .
a) Coefficient de viscosité A
Le coefficient de viscosité turbulente est évalué localement d’après une loi empirique :
5|7|⁄7. 9
avec
•
•
Les coefficients : 7. 1 2. 3 +. , 5 8 ; 10+< 24 . 3 +. ,= 2.2
7 est le module du champ de vent à 10 m 2. 3 +. En inversion la loi quadrique modélisant la tension du vent de surface à partir du champ de vent,
nous avons :
|7| ?1C@A. !
B
avec
•
•
@A , le coefficient de frottement air/eau, sans dimension,
!B , la masse volumique de l’air (!B 1.29 E&. 2+F Dans la pratique, le calcul du module du vent à 10m, 7, avec la seule connaissance de la tension du
vent 1 a été effectué par la détermination de @A, en faisant converger numériquement en chaque
point du domaine :
@A 0.8 0.065 I |7|
0.8 J0.065 I ?1C@A. ! K
B
La détermination de A permet aussi de calculer la profondeur d’Ekman, représentant la profondeur
maximale jusqu'à laquelle l’influence du vent est ressentie :
LM 2C
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
21
ÉLABORATION DES COURANTS TESTÉS
Courant diagnostiques
En considérant les mouvements sur une couche de surface d’épaisseur L tel que L N , et en
faisant l’approximation O'C&O P 1, le courant moyen sur la couche peut s’exprimer selon :
Q
RS V
U A
T +T
&ξ θ X
4
Z+[\] +X
X
Q le courant moyen sur la couche
avec ξ , le déplacement de l’interface océan atmosphère et d’épaisseur L .
Le terme &ξ représente la force de pression-gradient (par unité de masse), additionné
d’une contribution aux forces de flottabilité4 θ. La dernière partie de l’équation,
X
Z+[\] +X
X
représente la force de trainée nette liée à la diffusion verticale de l’énergie dispensée au système par
le vent. Nous utiliserons le cisaillement vertical du courant fourni par le modèle.
Mothy a besoin de la composante grande échelle et basse fréquence du courant pour
pouvoir fonctionner correctement en Méditerranée, la première idée est que ce courant manquant
pourrait être remplacé par le courant géostrophique. Seconde idée, il faut à Mothy un courant de
grande échelle bi-dimensionel auquel on soustrait l’influence du vent, nous testerons dés lors le
champ de vitesse moyen sur la couche ^0, L_, soustrait du champs d’Ekman moyen correspondant.
Enfin, troisième idée, au lieu de faire une extraction de courant à profondeur fixe, on testera une
extraction à profondeur variable, directement sous la couche d’Ekman, en chaque point du domaine.
Courant géostrophique et courant d’Ekman moyen
Les équations pour le courant zonal et méridien géostrophique et d’Ekman sont :
0θ
& 0c L
C2
C
0
0(
0c
0θ
_&Ma
bbbbbbbb &
LC2
C
0
0
_&Ma
bbbbbbbb 0
bbbbbbbbbbbb
_ME25e 1CL f1 |+T g
0
(
d
0
bbbbbbbbbbbb
_ME25e 1CL f1 |+T g
0
Pour le champ d’Ekman, notons que nous ne prenons pas en compte ici la variation du
courant sur la verticale (c'est-à-dire les effets de la spirale d’Ekman), mais le résultat moyen sur
l’ensemble de la couche.
Courant sous la profondeur d’Ekman
Il s’agit du courant sous le niveau maximal de mélange du au vent, c’est à priori un courant de
grande échelle prenant en compte tous les forçages, sauf celui dû au vent. La profondeur d’Ekman
est en général inférieure à la couche de mélange océanique car dans cette dernière est comptabilisée
tous les processus thermodynamiques supplémentaires participant au mélange. Hors présence de
vent, le niveau où se produit l’extraction est sensiblement proche de la surface.
22
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
RÉSULTATS DU SYSTÈME OPÉRATIONEL ACTUEL
Résultats du système opérationnel actuel
La génération des courants ici testés a été faite de manière diagnostique à partir de sorties
modèles du système PSY2V2 (façade Atlantique et Méditerranée au 16ème de degré). Toutefois, à
cause de procédures de stockage, les calculs furent menés sur des cartes allégées ré-interpolées au
8ème de degré (légère dégradation de l’information, ceci dit les champs servant aux calculs étant bien
modélisés au 16ème °). A l’issu du calcul, un premier test comparant des séries d’advections de
positions entre ces nouveaux champs et le classique courant à 100m annonçait des résultats assez
concluant pour 24 h de forçage.
Le résultat de l’association de ces champs avec Mothy pour les simulations coté ouest est
visible sur la figure 5.1. Nous évaluons ici nos courants diagnostiques moyens calculés sur une couche
de 100m, que l’on compare aux résultats déjà existants du courant à 100 m, de la climatologie et du
modèle M.F.S.. Les courants testés sont en moyenne tous meilleurs que le courant à 100m pour les
premières 24 h, le courant géostrophique devenant moins bon que le courant à 100m pour une
dérive supérieure à 48 h. Au bout de 72 h, nous avons finalement gagné trois kilomètres sur l’erreur
généré par le forçage à 100 m , même si le modèle italien est toujours meilleur dans cet exercice.
Ce premier bilan est mitigé, mais encourageant pour une phase de test plus poussée avec le
nouveau prototype PSY2V3, futur remplaçant du système PSY2V2 ici testé. On pouvait de plus
s’attendre à ce type de résultat : les courants diagnostiques sont à l’image du système utilisé, et
ceux du système PSY2V2 sont à la base modeste pour l’application dont il est sujet ici. Nous avons en
effet eu la confirmation par la suite que la qualité de la modélisation a un impact beaucoup plus
important que le calcul de divers courants diagnostiques, ceux-ci participant néanmoins à une légère
amélioration des résultats.
Fig. 5.1 : résultats simulation PSY2V2,
courant mercator-geotherm : courant
géostrophique + contribution thermique
courant he: courant sous la couche
d’ekman
courant moy_me: courant moyen de la
couche – ekman moyen
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
23
RÉSULTATS DU FUTUR SYSTÈME OPÉRATIONEL
Résultats du futur système opérationnel
La mise en opérationnel du nouveau prototype PSY2V3, remplaçant du système PSY2V2 utilisé
dans nos premières simulations, a été fixée pour le mois de Juin 2008. Nous
ous avons dés lors eu la
possibilité de disposer de sorties issues du rattrapage temps réel de cee système, pour analyser la
réaction de Mothy à l’utilisation d’une modélisation plus pertinente.
Résultats pour la Méditerranée occidentale
A) Description du parcours des bouées
Il est intéressant dans un premier temps de comparer la trajectoire des bouées à la description
proposée par ce nouveau système, au jour le jour. La carte 6.1 montre l’évolution de la trajectoire
des bouées confrontée au courant de surface modélisé aux jours 2, 18, 34 et 53 après le début de
l’expérience. Ces analyses “quantitatives”
“quantitatives” permettent de repérer les zones où la modélisation
s'éloigne de l'observation
tion et, l'on pourra pronostiquer que les résultats seront mauvais dans cette
situation. Nous pouvons plus au moins classer les trajectoires des bouées en deux types: celles qui
suivent assez bien les courants (60212, 75662), et celles dont le parcours tend à s'écarter des
prévisions (60213, 75663, 75664). Globalement, la première série de bouée présente des trajectoires
à peu prés rectilignes et homogènes au champ de courant.
courant En opposition, les autres bouées se
livrent par endroits à des séries de boucles qui suggèrent la présence de tourbillons aux petites
échelles, et qui semblent en effet non modélisés par le système (Fig. 6.2).
24
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
RÉSULTATS DU FUTUR SYSTÈME OPÉRATIONEL
Fig. 6.1 : position des bouées et de la modélisation du courant de surface pour les dates : 12 et 28 Octobre, 13 Novembre et 02 Décembre. La position des
bouées est indiquée par une croix rouge, leur trajectoires précédentes en blanc et la dérive pour les prochaines 24 h en rouge.
Fig. 6.2 : zoom sur une mauvaise simulation: la position de la bouée modélisée
par Mothy est en vert et l’observation réelle en rouge. L’intensité de l’advection
suivante (24 h) est coloriée suivant la palette. Les trajectoires précédentes
apparaissent en pointillés.
s. Le champ du forçage océanique utilisé ( ici la surface)
est précisé en bleu.
Notons ici que la sinuosité du parcours n’est pas du tout représentée
re
par le
champ proposé par le modèle.
B) Résultats de l’association MothyMothy PSY2V3
La figure 6.3 montre les résultats les plus pertinents de l’association Mothy-PSY2V3.
Mothy
Ce sont
les résultats moyens en terme de distance, d’erreur de vitesse, et d’erreur de direction à
l’observation, toutes simulations et toutes bouées confondues, pour 72 heures de dérive (110 runs,
Fig. 6.3, haut). On voit premièrement un net bénéfice entre l’utilisation du PSY2V2-100m
PSY2V2
et le
meilleur champ de courant PSY2V3 (l’extraction sous la couche d’Ekman). En distance, au terme des
trois jours de comparaison, l’écart entre les
les deux systèmes est en moyenne de 14 km, PSY2V3 étant à
34 km de l’observation, ce qui représente une amélioration de prés de 30% des résultats. On parvient
ici à obtenir des résultats aussi satisfaisants
satisfaisant que la climatologie PAM-Mercator
Mercator à 6m. En vitesse et
e en
direction, on voit la encore que le nouveau système est le plus efficace à contraindre de manière
manièr
réaliste l’orientation et l’advection des bouées, la différencee avec la climatologie étant cette fois-ci
fois
nette.
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
25
RÉSULTATS DU FUTUR SYSTÈME OPÉRATIONEL
Fig. 6.3
Haut : Résultats de synthèse sur 72 heures des
simulations pré-stage
pré
confrontées au meilleur champ
PSY2V3 (sous la profondeur d’Ekman), en terme de
distance, d’erreur de direction et d’erreur de vitesse à
l’observation.
Bas, gauche : Résultats de synthèse sur un critère
d’erreur ponctuel de distance
Bas, droite : Résultats de synthèse sur 72 heures pour
différents courants diagnostiques PSY2V3, calculés
avec une couche de 100m, en terme de distance à
l’observation.
En examinant l’erreur de vitesse, nous observons que la modélisation
modélisation est toujours en retrait
de l’observation concernant l’amplitude des vitesses de dérive. Ce fait classique peut s’expliquer par
une sous-estimation
estimation et/ou une mauvaise paramétrisation de l’énergie provenant des forçages
atmosphériques (déjà cité par Mc Grath et al [5]), ou alors par la résolution
tion utilisée, qui contraint mal
la dynamique du système (voir la partie « Discussion »). Les courants du modèle PSY2V3 sont en tout
cas plus puissants, et plus proches de l’observation, sans doute grâce à une intégration des forçages
améliorée,, une modélisation plus performante et une meilleure méthode d’assimilation.
d’assimilation
L’histogramme
ramme de la figure 6.3, dispense une information
ation rapide, mise en place par des
3
critères d’erreur arbitraires en distance et évalués de manière ponctuelle, ici 24h après le début des
simulations. Il nous permet d’avoir un ordre d’idée des résultats de chaque forçage pour cette zone.
Nous voyons par exemple que tous les forçages ont à peu prés la même capacité à générer
géné
ici
d’excellents résultats (moins
moins de 5 km de l’observation à 24h de dérive). En revanche,
rev
pour les cas
qualifiés de « bons », l’extraction sous la couche d’Ekman prend clairement le pas sur les autres
forçages. De plus, plus de la moitié des runs menés avec l’ancien système et le forçage
climatologique sont « mauvais »: il est alors peu recommandable de les utiliser ici.
3
Validés par Météo-France
26
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
RÉSULTATS DU FUTUR SYSTÈME OPÉRATIONEL
Au bas de la figure 6.3, à droite sont présents les résultats de synthèse en terme de distance
pour les courants diagnostiques évalués avec une couche de 100m. On retrouve ici le même
comportement obtenu avec le système PSY2V2. Nous gagnons cette fois-ci 4 km sur le courant à 100
m, ce qui représente une amélioration de 10 %, contre 6 % pour les anciens diagnostiques PSY2V2.
Les bons résultats réalisés par l’extraction sous la couche d’Ekman peuvent aussi provenir de
l’utilisation de courants plus proches de la surface que le classique courant à 100 m (selon nos
calculs, la profondeur d’Ekman est au maximum de 30 m en Méditerranée), puisque que les modèles
paraissent sous-estimer l’intensité de la circulation réelle. Autre point, une mauvaise modélisation et
l’utilisation de niveaux proches de la surface entraînera également des résultats médiocres : les
courants y étant plus puissants, on donne alors plus de poids à une mauvaise information. Il parait
dès lors intéressant d’analyser le comportement du système à un forçage à différentes profondeur.
C) Influence de la profondeur d’extraction
En lançant Mothy avec des courants horizontaux issus de différentes profondeurs (en
surface, à 30 m à 50 m et à 100 m), il apparait que c’est le niveau 30 m (celui proche de la profondeur
d’Ekman maximale) qui produit en moyenne les meilleurs résultats, suivi par l’extraction à la surface,
le niveau 50 m et enfin le niveau 100 m. (le niveau surface du modèle correspond à 50 cm)
Le détail du parcours de la bouée la plus représentative des résultats individuels, la bouée
60213, est visible sur la figure 6.4 et permet d’identifier la réponse de l’association Mothy/PSY2V3 à
différentes situations. Nous nous focaliserons ici sur l’erreur instantanée, en suivant l’ensemble de
la trajectoire (bas de la figure). Premièrement, les dix premiers jours de dérive correspondent à
l’advection par le courant Liguro-Provençal, nous voyons dans cette partie que plus le courant est en
surface, meilleurs sont les résultats (zone 1). La zone 2 correspond ensuite au coup de Mistral du
20/10/07, toujours dans le Liguro-Provencal: la tendance précédente s’inverse alors. Ceci est sans
doute lié au double ajout d’information sur l’énergie cédée aux couches de surface lors de la
bourrasque, que l’on dispense simultanément par Mothy et le modèle. L’effet de ce vent sur la
structure verticale du courant est visible sur la figure 6.5. Le cisaillement entre la surface et le fond
est beaucoup plus marqué, et les courants plus intenses (+20 cm/s dans les couches de surface,
+5cm/s au fond). Le courant de surface est ici sans doute trop énergétique, et dépasse largement le
biais de vitesse observé précédemment. A la sortie du courant ligure, les pics d’erreur observés dans
la tranche 23-32 jours (zone3) sont le résultat d’une grande boucle de dérive totalement ignorée par
le système, les résultats sont alors toujours mauvais, peu importe le niveau d’extraction. A la fin du
parcours, la bouée retrouve un courant à peu prés stable, qui longe les côtes des Baléares, l’erreur
devient alors très faible.
D) Influence de la variabilité
Nous avons comparé les résultats moyens sur le tronçon correspondant uniquement au
courant Liguro-Provencal (six runs par bouées, sur les dix premiers jours, faisant un total de 36
simulations), et le reste de la trajectoire (74 simulations) (Fig. 6.6). Nous voyons ici un net écart de
résultat entre les deux zones. Le courant Liguro Provencal est lié au gradient de densité est/ouest
méditerranéen et très stable à l’échéance saisonnière, nous voyons ici en effet que la climatologie et
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
27
RÉSULTATS DU FUTUR SYSTÈME OPÉRATIONEL
les niveaux de surface fournissent les meilleurs résultats avec respectivement 27,87 km et 27,65 km à
une échéance
éance de 72 h (Fig. 6.5, partie de gauche). Nous illustrons en outre ici pleinement l’utilité du
forçage océanique pour les zones comme la Méditerranée:
Méditerranée: sans ce dernier, l’erreur effectuée par
Mothy seul se positionne au double du meilleur forçage (60,35 km
km contre 27,80 km).
Hors Liguro-provencal
provencal (Fig. 6.5, partie de droite), les modèles ne sont pas assez précis, et il
vaut mieux alors utiliser un forçage océanique allégé, par exemple très en profondeur (meilleur
(
forçage : PSY2V3 100m : score final de 31,19
31,19 km) ou bien pas de forçage océanique du tout (score
final de 33,73 km). Le mauvais résultat de la climatologie (37,10 km) confirme en effet que la
variabilité joue un rôle clé dans ces régions.
Fig. 6.4 :
Droite: résultats en distance, moyennés sur 72 heures (haut) et tout
au long de la trajectoire (bas), pour la bouée 60213. Différentes
profondeurs d’extraction sont ici évalués : 100 m, 50 m, 30 m et à la
surface. Pour construire une série temporelle continue, nous avons
considéré uniquement les premières
pre
48hr de dérive, pour suivre le
protocole de repositionnement
reposi
de la bouée.)
Gauche : aperçu des trajectoires représentatives de chaque tronçon
numéroté sur la trajectoire, en utilisant le forçage de surface. Le
champ de courant de surface modélisé et le champ de tension du vent
moyen pour la journée sont aussi représentés respectivement en bleu
et orange.
28
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
RÉSULTATS DU FUTUR SYSTÈME OPÉRATIONEL
Fig. 6.5: Structure du courant Liguro
iguro-provencal, zone 2, avant (gauche) et après (droite) le coup de vent.
vent Le vent
provoque un cisaillement
lement de courant beaucoup plus prononcé entre la surface et le fond pour la composante
zonale. La composante méridienne, au départ presque neutre,
neutre, prend la signature du phénomène qui est de
direction sud.
Fig. 6.6 : Synthèse sur 72 h pour les parties Ligure- provençales (à gauche) et le reste de la trajectoire (à droite)
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
29
RÉSULTATS DU FUTUR SYSTÈME OPÉRATIONEL
Résultats pour la Méditerranée orientale
Fig. 6.7 : visualisation des trajectoires à l’est (gauche), zoom sur la bouée 78118 dans le courant de côte libanais (droite).
(droit
Les trajectoires des bouées,
uées, visibles sur la figure 6.7 ne semblent pas du tout corrélées au
courant de surface, on s’attend alors à avoir les mêmes types de résultats que pour la zone ouest
hors Liguro-Provencal.
Provencal. Quand bien même une bouée se retrouve
retro
danss une veine de courant à peu
prèss bien définie par le système, comme la bouée 78118 dans le courant côtier libanais (Fig. 6.6,
droite), sa trajectoire montre des sinuosités laissant perplexe.
Les figures 6.8 synthétisent les résultats obtenus pour ce coté du bassin. Le fait que les
bouées aient des points de largage différents, puis des trajectoires éloignées rendent difficile leurs
comparaison. Nous parvenons aux mêmes conclusions que précédemment, à savoir qu’ici, les
mauvais résultats de la modélisation
lisation sont surtout liés à la mauvaise description petite échelle de la
zone. Il vaut mieux alors dans ce cas considérer à nouveau une signature plus faible du courant (le
courant de fond ou la climatologie).
climatologie
Encore, lee fait de ne pas considérer de forçage océanique donne de meilleurs résultats en
direction sur le long terme. Ceci est bien visible pour une évaluation qui repose sur un critère de
direction appliquée à une position instantanée de la simulation (ici à 24 h et 48 h après le lancement,
lancement
Fig. 6.8, droite). Lee fait que Mothy seul soit meilleur qu’utilisé avec la climatologie ou les prévisions
peut provenir en plus d’une variabilité des effets du vent qui est mieux représenté dans Mothy
(fréquence de 6h) que dans les systèmes Mercator (fréquence de24
24 h). Nous n’avons pas toutefois
pu investiguer la question sur ces expériences. Jorda [6] précise dans une étude similaire qu’il faut
sélectionner le forçage océanique à la plus haute fréquence possible.
30
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
RÉSULTATS DU FUTUR SYSTÈME OPÉRATIONEL
Fig. 6.8:: Résultats de synthèse
synthès des forçages océaniques de Mothy coté est.
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
31
DISCUSSIONS
Evaluation
valuation de zones propices au forçage océanique de Mothy
Nous avons montré que les résultats sont globalement meilleurs dans les zones stables et
bien décrite
te par le modèle. La figure 6.9 montre les courants
rants moyens et les écarts types
caractéristiques du mois de Novembre, calculés à partir d’une climatologie mensuelle libre sur 5 ans
construite au cours de cette étude. Ces résultats sont générés à partir d’un système global similaire
au système PSY2V3. Nous n’avons pas malheureusement pu finaliser le test du forçage océanique de
cette nouvelle climatologie à la date de remise du rapport, toutefois, nous pouvons dégager des
résultats intéressants de sa simple visualisation.
Côté ouest, le courant liguro provençal est un courant très marqué dans le modèle (40 cm/s
en moyenne), avec peu d’écart-type
type (10 cm/s) , contrairement à la zone nord des Baléares qui est
soumise à une plus forte variabilité. Ceci est cohérent avec les résultats précédents. De même, à
l’est, on observe un fort écart type dans toute la baie Libanaise (jusqu’a 20cm/s) pour une circulation
de faible intensité (2 à 10 cm/s). C’est la encore la signature d’une activité méso
so échelle importante
du système. Nous aurions tendance à penser que les
les zones respectant ces critères, peu de variabilité
modèle et circulation moyenne marquée, seront plus propices à l’utilisation d’un
d’un forçage océanique
de Mothy.
Fig. 6.9:: Amplitude moyenne des courants pour le mois de Novembre (haut), et l’écart type correspondant (bas)
32
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
DISCUSSIONS
Discussions
Nos résultats doivent être néanmoins nuancés. Tout d’abord, on utilise ici un jeu de donnée
très réduit pour l’évaluation de Mothy et il est difficile de dresser un bilan général à partir de deux
manœuvres isolées. De plus, les expériences d’inter-comparaisons sont très localisées: nous n’avons
pas d’informations sur le comportement des modèles dans des zones plus spécifiques, comme les
zones convectives méditerranéennes par exemple, ou alors dans le voisinage de tourbillons
permanents.
Autre point, la juste représentation du bassin méditerranée par les systèmes opérationnels
est sensible. En effet, peu d’observations y sont disponibles et le modèle est alors peu contraint par
la réalité. La figure 7.1 montre l’ordre de grandeur des innovations d’assimilation (c'est-à-dire les
différences entre les prévisions du modèle et les données assimilées) pour le territoire Atlantiqueméditerranéen, sur une semaine d’assimilation. Outre le résultat (la prévision est correcte pour des
innovations nulles, celle-ci semble satisfaisante pour la Méditerranée), peu d’observations in situ
sont conduites, puis intégrées, pour la Méditerranée. De plus, les zones observées ne sont pas fixes,
mais extrêmement variables dans le temps, dépendantes de l’orbite4 du satellite pour les données
altimétrique et des programmes d’observation pour les données in situ : nous n’avons donc pas
homogénéité de description dans le temps.
Fig. 7.1 : Gauche : Innovations des observations satellitales ; droite : Innovation des observations in situ.
Ensuite, le pouvoir descriptif de nos modèles est fortement lié à leurs résolutions et leurs
maillages numériques. Nous travaillons ici avec des modèles au 12ème de degré, ce qui représente des
points de grilles espacés d’environ une dizaine de kilomètres. La figure 7.2 montre la valeur du rayon
interne de Rossby pour la méditerranée calculé à partir du formalisme de Jackett and McDougall
(1994), et de la climatologie au ¼ de degré LEVITUS 98 [23]. Le rayon de Rossby représente la taille
moyenne des structures produites par les instabilités baroclines, qui sont le processus dominant de
formation des tourbillons en Méditerranée (voir annexe F). Sur la carte, nous voyons des dimensions
de l’ordre de 25/30 km pour la méditerranée. Dès lors nous ne disposons que de deux ou trois points
de grilles pour résoudre la dynamique du phénomène. Ce n’est clairement pas suffisant pour un
positionnement précis de la structure (une erreur de l’ordre du pas de grille), de la répartition
correcte de son intensité, et du traitement de la dynamique complexe sous-jacente aux tourbillons
(méandres, filaments, etc.)
4
on parle alors de « traces »,ie la trajectoire de fauchée du satellite
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
33
DISCUSSIONS
Fig. 7.2 : Valeur du rayon
interne de Rossby (km) pour
la Méditerranée. On voit ici
un ordre de grandeur de 25
à 30 km.
La figure 7.3 montre les contrastes qui existent entre deux modèles de résolutions
différentes à la description de la dynamique tourbillonnaire. Le champ représenté est la vorticité
potentielle (mesure de la rotation d’un écoulement), décrite par un modèle au 12ème (à gauche) et
un modèle au 36ème (à droite), actuellement en développement à Mercator. On voit ici que
l’augmentation de la résolution amène un affinement du positionnement des structures et courants,
avec une intensification/compression
intensification/compression de leur amplitude (en effet, dans le cas d’un maillage grossier,
l’énergie des forçages est étalée sur une plus large zone, celle-ci
celle ci se retrouve plus resserrée ici).
ème
Toutefois, la réalisation de la simulation au 36
présentée ici a été conduite sans
sa assimilation de
donnée, ce qui explique les différences de circulation entre les deux figures, et une possible distance
à la réalité. Ce futur système dispose d’un forçage atmosphérique haute fréquence, de l’intégration
de phénomènes physiques supplémentaires
supplémentaires (comme la marée) et d’une résolution de 2 à 3 km lui
permettant un traitement plus réaliste de la variabilité océanique. Nous avons ici un aperçu du
potentiel des futurs systèmes
tèmes opérationnels à desservir au mieux les applications de dérives.
Fig. 7.3 : Vorticité potentielle sur une grille au 12eme (à gauche) et au 36ème (à droite), pour une même zone. La palette utilisée est
identique pour les deux figures.
34
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
DISCUSSIONS
Conclusions et Perspectives
Nous avons au cours de ce stage mis en évidence le fort potentiel de l’océanographie
opérationnelle à seconder et améliorer les prévisions d’un système de dérive de nappes autonome,
ici le modèle Mothy. L’expérience du couplage Mercator/ Mothy a montré que le succès des résultats
est fortement lié à la bonne description des processus aux petites échelles, en particulier la
représentation des structures tourbillonnaires. Nous avons de plus pu apprécier l’impact positif
d’une modélisation améliorée des champs de courants utilisé pour le forçage.
Plusieurs champs de courant furent évalués et il en ressort que c’est l’extraction sous la
couche d’Ekman qui fournit les meilleurs résultats, si tenté que la modélisation de la zone soit
correcte. En effet son utilisation ne doit pas être systématique, nous avons vu que dans les zones
soumises à une forte variabilité, il vaut mieux prendre une signature plus faible du courant, comme
une climatologie ou un courant plus en profondeur. Nous avons enfin mis en évidence que la qualité
(en particulier la résolution, mais aussi de la représentation des phénomènes physiques et de la prise
en compte des observations) des systèmes utilisés joue énormément sur leur capacité à reproduire
fidèlement la réalité, et ainsi leur possibilité à simuler un forçage correcte.
L’idéal serait sans doute la création d’un système régional à très haute résolution
entièrement dédié à Mothy, pourvu de forçages haute fréquences et forcés aux frontières par les
actuels systèmes Mercator. Ce système pourrait être lancé sur demande expresse en cas d’incidents.
On pourrait en outre le compléter avec une carte géographique d’indice de confiance, présentant
une information rapide pour la prise de décision de son utilisation.
Les pistes envisageables pour la poursuite de l’étude :
-
-
-
-
Quantification de l’apport d’une résolution plus fine en évaluant le forçage océanique issu
des futurs systèmes Mercator. Utilisation de forçages atmosphériques de résolutions spatiotemporelles plus fines dans les systèmes Mercator et/ou dans Mothy, augmentation de la
fréquence de couplage entre les deux systèmes.
Evaluation de la pertinence de générer des simulations d’ensemble sur les différents forçages
des modèles pour les prévisions de dérives. Réalisation de tests permettant d’analyser
l’impact de plusieurs sources d’erreur sur les performances prévisionnels de Mothy de
manière statistiques.
Qualification plus poussée de zones à forts indices de confiance : élaboration d’une
cartographie à lecture rapide. Les données d’entrées pourraient être des cartes d’intercomparaison inter-modèles ou de produits issus de l’observation, les innovations
d’assimilation, des climatologies modèles [11].
Mise en place et analyse du forçage direct du module de particule de Mothy par le modèle
NEMO/OPA. Créations de systèmes dédiés à Mothy.
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
35
RÉFERENCES
Bibliographie
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36
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
RÉFERENCES
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MOTHY, Site Internet: http://www.meteorologie.eu.org/mothy/index.html
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IFREMER, Site Internet de l'IFREMER: URL http://www.ifremer.fr
CEDRE, Site Internet: http://www.cedre.fr/
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
37
ANNEXE A
Annexe A : Description mathématique de Mothy
Mothy est un modèle autonome permettant la simulation des principaux forçages
contraignant les mouvements d’une nappe d’hydrocarbure. Cette simulation repose sur le travail
commun d’un modèle hydrodynamique d’océan à domaine limité et d’un modèle physico-chimique
de nappe
Modèle d’océan
Equations du modèle barotrope 2D
h
s
w
. & i ρ .
η
. jkl
jm
. & i ρ .
h.x
η
s.x
. jm . jo ρ.p . τqm τrm . jkl
jo
0
jn
jn
.
. jm . jo ρ.p . uτqo τro v
jt
jt
.
, :
Courants zonaux et méridiens intégrés sur la profondeur
Pa
:
Facteur de coriolis
:
Pression atmosphérique,
{
:
&
:
Accélération de la pesanteur (& 9.81 2. 3 +4)
Elévation absolue de la surface libre de l’océan
!
:
Masse volumique de l’eau de mer
τqm , τqo
:
Profondeur de l’océan
:
Composantes du stress du vent de surface
:
Composantes du stress du frottement de fond
τrm , τro
38
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
ANNEXE A
Les termes de stress sont modélisés en utilisant une loi quadratique :
€€€O. Wm
τqm ρl . C~ . OW
(
|
€€€O. Wo
τqo ρl . C~ . OW
€€€
W m ,W o ,W
ρl
C~
Wu)
:
Composantes horizontales et vecteur du vent à 10 mètres
:
Masse volumique de l’air
:
Cr
τrm ρ. Cr . ‚4 4 . (
|
τro ρ. Cr . ‚4 4 . :
€€€Ov10+F (formule de
Coefficient de frottement air-eau, C~ u0.8 0.065. OW
Coefficient de frottement de fond Cr 0.0015
Le modèle d’océan utilisé par Mothy est un modèle barotrope basé sur les « équations en
eau peu profonde ». EN effet, si les effets baroclines ont un impact certain sur la circulation
océanique, on estime que, pour des prévisions à court terme (quelques jours) et autour du plateau
continental, les principaux forçages sont le vent de surface , la pression atmosphérique, le
frottement sur le fond et la force de Coriolis. Cette approche est effectivement un succès sur des
zones où les eaux sont bien mélangées et où les courants permanent sont négligeables (par exemple
en Manche ou dans le Golfe de Gascogne)
Equations du modèle de viscosité turbulente
L’équation du mouvement horizontal s’écrit, en utilisant la notation complexe
I . „
…
. :
1 0ƒ 0
0 I
. . I .
„ .
! 0e 0
0
vitesse horizontale du courant,
:
viscosité de l’eau,
:
Dérivé horizontale du formalisme complexe.
Le profil de viscosité dépend de la profondeur suivant un modèle bilinéaire, proposé par Madsen:
‡
„ ‡. Iˆ . 3 " N / 0
(
†
„ ‡. I9 . 3 L N / "
:
constante de Von Karman (‡ 0.4
,
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
39
ANNEXE A
Iˆ
I9
:
vitesse de cisaillement en surface,
:
vitesse de cisaillement au fond.
Modèle d’hydrocarbure
Modélisation de la diffusion turbulente : modèle d’Elliot
Le processus est dépendant d’un coefficient de diffusion et représenté par la distance de parcours
effective sur l’horizontale et la verticale.
ŠT ‹‚2. -T . Œ
‹
:
Œ
:
-T , -s
2. 10F , 5. 10+F 24 . 3 +. )
:
Šs 2. ‹ 1
. ‚2. -s . Œ
nombre aléatoire pris entre 0 et 1,
pas de temps
coefficient de diffusion horizontal et vertical (-T , -s Cette diffusion horizontale a lieu dans la direction ' 2. Ž. ‹
Modélisation de la flottabilité
La flottabilité est modélisée par une loi de Stockes pour les gouttes de diamètre inférieur à ARR‘h’
et par une loi de Reynolds pour les autres. On a:
!
&. A4 1 !V a“EM3 ” S 18. „
8
!V
‹Mea•A3 ” S – . &. A. 1 3
!
ARR‘h’ A
„
! , !V
40
:
:
:
9.52. „
4C
F
!
?&. 1 !V diamètre de la goutte
viscosité („ 1. 10+— masse volumique de l’eau de mer et du polluant
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
ANNEXE A
Le modèle Mothy ne prend pas pour l’instant en compte une chimie trop complexe du
polluant, telle que l’évaporation, le vieillissement et l’émulsification.
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
41
ANNEXE B
Annexe B : les systèmes Mercator
Le socle prévisionnel de Mercator est constitué de plusieurs modèles régionaux et globaux,
de résolutions allant du ¼ au 1/12 de degré. Dans le cadre de ce stage, trois systèmes opérationnels
ont été utilisés pour l’étude du domaine Méditerranéen :
•
PSY2V2 : système régional Atlantique/Méditerranée au 1⁄16 °, ancienne configuration OPA
(version 8) et système d’assimilation de donnée (O.I)
•
PSY2V3 : remplaçant du système PSY2V2 (1⁄16 ° sur la Méditerranée) , OPA version 9 et
nouveau système d’assimilation de donnée (S.E.E.K.)
•
Une simulation libre (c'est-à-dire sans assimilation de donnée) sur la grille ORCA12 (même
configuration que PSY2V3 mais domaine global, résolution moyenne 1⁄12 °), en vue de
constituer une nouvelle climatologie pour le forçage de Mothy
Les deux derniers modèles font partie des derniers prototypes mis en service opérationnel au
début du mois de Mai 2008, et ont put être testé pour la première fois avec le système Mothy dans
le cadre de ce stage.
Les améliorations des derniers prototypes sont nombreuses et renforcent le pouvoir de description
de ces systèmes. Parmi ces améliorations, citons :
L’utilisation de la version 9 d’OPA (version 8 pour les anciens systèmes),
Un nouveau système d’assimilation de données, prenant en compte un nombre
d’observations supérieur et des méthodes plus précises (E.O.F.3D),
L’utilisation d’une résolution verticale beaucoup plus fin dans la couche de surface,
Un dernier niveau vertical variable pour ajuster la grille verticale à la bathymétrie réelle,
Une nouvelle formulation pour la description des flux.
Les futurs systèmes opérationnels MERCATOR sont déjà définis. Les configurations globales
auront une résolution verticale améliorée en surface (de l'ordre de 1 m) et utiliseront un forçage
atmosphérique à haute fréquence. Le système régional couvrant la Façade Atlantique du sud de
l’Europe, en cours de développement (dont une sortie est présenté en fin de rapport, dans la section
« Discussion »), contiendra des phénomènes physiques supplémentaires (en particulier la marée) et
couvrira la zone avec une résolution de 2 à 3 km.
42
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
ANNEXE C
Annexe C : Utilisation de climatologie pour le forçage océanique de
Mothy
La climatologie d’un paramètre est l’étude de l’historique de ses variations sur de longues
périodes afin de mettre en évidence des régimes et des modes de variabilité propres à celui-ci. Dans
ce qui va suivre, on montrera que l’utilisation de courants climatologiques saisonniers ou mensuels
peut être une alternative intéressante à l’utilisation de courants issus de la prévision.
Soit la fonction vectorielle qui calcule l’influence des conditions atmosphériques sur le
courant au niveau considéré. On peut alors écrire l’approximation suivante :
€€€€€€€€€€€€€€€€€€
€€€€€€€€€€€€€€€€€€š’" Me
€€€€€€€€€, #™M33ae
@a™5e @a™5e
Cette relation décompose de façon assez intuitive le courant défini à instant  donné en une
€€€€€€€€€€€€€€€€€€š’" invariante sur une période considérée, et en une seconde
première partie @a™5e
€€€€€€€€€ , #™M33ae
représentant la contribution de la variation des forçages atmosphériques sur
Me
cette période à un instant donné.
Travailler avec un courant climatologique revient finalement à prendre la moyenne de la relation
précédente sur la fenêtre temporelle considérée, qui s’écrit alors :
bbbbbbbbbbb @a™5e
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F. Marthy (Météo France 2002, [7]) a montré que la moyenne de l’influence des forçages est
très faible en regard de la composante invariante en considérant des intervalles mensuels (avec une
erreur de 1% environ). On peut donc justifier l’approximation et considérer, avec une approximation
raisonnable, les moyennes mensuelles de courants comme étant la composante permanente
manquante à Mothy.
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Dans cette étude, nous avons construit une climatologie mensuelle de tous les courants
présents dans cette étude, ainsi que des forçages correspondants, à partir d’un RUN libre (c'est-àdire sans assimilation de donnée) du futur prototype PSY4 (même configuration que PSY2V3 mais en
global)pour 5 années consécutives (de 2001 à 2006). Malheureusement, n’ont n’avons pu finaliser les
test à l’échéance de la remise du rapport.
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
43
ANNEXE D
Annexe D : Validation des courants élaborés
Nous essaierons ici de proposer ici une première validation des courants générés.
s.
Comparaison des forçages et des composantes océaniques obtenues
Champ de te nsion du vent (Pa)
Profondeur d’Ekman associée (m)
Courant d’Ekman (m/s)
Lee courant d’Ekman et la profondeur d’Ekman ne sont pas l’image directe
directe du champ de vent,
car il faut tenir compte du coefficient de viscosité qui dissipe l’énergie du vent dans l’océan.
l’océan Ce
coefficient est variable
able dans l’espace, et dépend du cisaillement de vitesse à la base de la couche
considérée.
44
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
ANNEXE D
SSH (m)
SST (°C)
Courant géostrophique (m/s)
Le courant géostrophique résulte d’un équilibre lié aux variations horizontales de SSH et à la
force de Coriolis, (et SST ici). Nous retrouvons bien le comportement typique de ce champ, qui à
tendance à circuler
ler perpendiculairement aux zones de forts gradients de SSH.
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
45
ANNEXE D
Comparaison entre le courant géostrophique calculé et le courant géostrophique
altimétrique (produit
produit SURCOUF, CLS)
CLS
Haut :
Nous voyons ici des structures différentes, certaines étant
étant toutefois reconnaissables.
L’altimétrie mésestime systématiquement les courants prés dés côtes, la mesure par satellites
devenant très sensibles dans ces zones.
46
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
ANNEXE E
Annexe E : Une simulation complète de Mothy
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
47
ANNEXE E
48
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
ANNEXE F
Annexe F : Instabilité du courant Liguro-provencal, rayon de Rossby,
courants géostrophique
1) Courant de densité : définition
Les eaux méditerranéennes sont plus denses que les eaux atlantiques. Cette différence de
densité entraîne un ajustement permanent de ces 2 masses d'eau au niveau du détroit de Gibraltar.
Les eaux légères atlantiques pénètrent en surface en Méditerranée tandis que les eaux lourdes
méditerranéennes sortent en profondeur vers l'Atlantique. La rotation terrestre conduit a une
inclinaison de l'interface entre les 2 masses d'eau. Cette interface est plus profonde au sud du détroit
qu'au nord. Après avoir franchi le détroit et un parcours complexe en mer d'Alboran, les eaux de
surface finissent par se concentrer sur la côte africaine, i.e. sur leur droite. Elles forment alors une
veine bien définie, le courant algérien, qui s'écoule le long de la côte. Le courant nord résulte
également en partie de ce processus.
Cette description met en évidence 2 aspects clefs de la circulation en Méditerranée :
l'ajustement entre 2 masses d'eau et le fait que le courant résultant, courant de densité, a une
largeur finie. Cette largeur dépend, parmi d'autres facteurs de la stratification.
Le processus décrit est connu sous le nom d'ajustement de Rossby et l'échelle spatiale qui le domine
est le rayon interne de déformation de Rossby. Si on suppose que l'océan est constitué de 2 masses
d'eau de densité différentes séparées par une interface, cette quantité a une expression simple
‹
Avec
•
•
•
•
?&.
∆!
!. . &, l’accélération de la pesanteur,
∆! !4 !. , !4 et !. étant les densités des deux masses d’eau,
, épaisseur caractéristique
, le paramètre de Coriolis
Le courant qui résulte de l'ajustement entre les 2 masses d'eau est parallèle à leur séparation
et sa largeur est de l'ordre de R. Derrière le front qui le précède et se propage à la vitesse . ‹, il est
en équilibre géostrophique. Lorsqu'il rencontre la côte, il tourne mais conserve sa largeur. De même,
il tourne à l'extrémité d'un bassin et continue à longer la côte et ainsi de suite jusqu'à faire le tour du
bassin.
De façon générale, dès que deux masses d'eau de densités différentes peuvent s'ajuster dans
un domaine dont les dimensions sont supérieures au rayon de déformation, il y aura formation en
surface d'une veine d'eau légère coulant le long d'une des limites du domaine.
2) Equilibre géostrophique
On parle d'équilibre géostrophique lorsque les seules forces importantes de l'écoulement
sont les forces de pression et les forces de Coriolis dues à la rotation terrestre et donc qu'elles
s'équilibrent.
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
49
ANNEXE F
L'équation du mouvement (en eau peu profonde) et dans le cas stationnaire devient alors
 ; € Avec
•
•
•
1
€ƒ
!V
€, vecteur vitesse en un point du fluide,
!V , la densité caractéristique du fluide,
€ƒ, gradient horizontal de pression.
La plupart des grands courants marins respectent cet équilibre géostrophique, c'est
également le cas en Méditerranée en ce qui concerne le courant algérien et le courant nord. Les
vitesses dites vitesses géostrophiques de ces écoulements se calculent simplement dès lors que l'on
connaît le gradient de pression soit la densité du lieu et l'élévation de la surface libre.
3) Instabilité de courant
Un courant côtier ne s'écoule pas en suivant sagement la côte. Tout d'abord la ligne de côte a
des déformations (ex: cap ou golfe), qui peuvent être de la largeur du courant, et qui perturbent
l'écoulement. Ces perturbations peuvent n'être que le sillage de l'obstacle. Elles peuvent aussi, ainsi
que toute modification légère du courant, entraîner un changement complet de son comportement.
Ceci est dû à la structure du courant lui-même qui n'est plus "capable" de conserver son énergie sous
sa forme moyenne, c'est-à-dire sous une forme variant lentement dans le temps, et qui en
redistribue une partie aux perturbations qui se développent rapidement à son détriment. On dit alors
que le courant est instable et il se créée en son sein des tourbillons cycloniques et anticycloniques.
Aux échelles spatiales de l'ordre de la largeur du courant ou du rayon interne de déformation
de Rossby, les instabilités modifient profondément la structure du courant. Elles ont pour origine le
cisaillement horizontal de vitesse -on parle communément d'instabilité barotrope- ou le cisaillement
vertical de vitesse géostrophique associé au gradient horizontal de densité -il s'agit alors d'instabilité
barocline-.
Le mécanisme le plus important est celui de l'instabilité barocline. Pedlosky (1979) en donne
une explication simple en montrant qu'il s'agit d'une forme de l'instabilité statique due à l'inclinaison
des isopycnes résultant du cisaillement vertical de vitesse (et vice versa). Les mouvements se
développent en général en quelques jours et peuvent avoir une signature très nette en surface et
donner naissance à des tourbillons. Ce mécanisme intervient sur une gamme d'échelle étendue. Sur
quelques dizaines de kilomètres, il est responsable du mélange horizontal intense qui a lieu en
surface sur le bord extérieur du courant nord au moment de la formation d'eau profonde hivernale
(Madec et al. 1991a, b). De même, il est vraisemblable qu'il contribue à la re-stratification du front
résultant des upwellings côtiers (Barth, 1989).
4) Variabilité du courant Ligure
Le courant ligure, courant de densité sur lequel vent et climat paraissent avoir un rôle
essentiel, a une variabilité saisonnière avec un débit qui varie de 1 à 1,6 Sv entre 0 et 300 m de
profondeur, le maximum étant atteint en hiver (Albérola et al., 1995). (Flux moyen de 1,8 Sv canalisé
sur 33 km de large : Béthoux, 1988; compris entre 1,1 et 1,9 Sv entre 0 et 400 m : Sammari et al.,
50
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
ANNEXE F
1995). Deux régimes peuvent en particulier être distingués au cours d'une année ainsi que l'a d'abord
noté Gostan (1967). Durant la période calme qui s'étale de juin à décembre, la composante
géostrophique de la vitesse montre que le courant est large et peu profond. En surface il atteint 4050 km de large et une vitesse de 50 cm/s, réduit à 10 km à 100-200 m de profondeur alors que la
vitesse moyenne est de l'ordre de 10 cm/s (maximum 50 cm/s). De janvier à mi-mars, le courant
s'approfondit, devient plus étroit avec 20-30 km de large et se rapproche de la côte. Les vitesses
géostrophiques ont en conséquence augmenté, à 250-500 m de profondeur et à 10 km au large elles
atteignent encore 10 cm/s (Millot, 1991) et l'on mesure des vitesses de 5 cm/s à environ 400 m de
profondeur. Les maxima enregistrés durant cette période peuvent atteindre 1 m/s (Sammari et al.,
1995).
C'est au printemps que le courant ligure s'élargit et ralentit et c'est très nettement au mois
de décembre qu'il devient plus étroit, plus profond et plus rapide (Millot, 1991, Sammari et al.,
1995). En hiver, cet écoulement est instable et développe des méandres jusqu'à la longitude de
Marseille (Conan et Millot, 1995), d'amplitude 10-20 km et de longueur d'onde comprise entre
quelques dizaines à une centaine de kilomètres (Viollier et al., 1981; Crépon et al., 1982). Ces
méandres peuvent se couper en tourbillons de taille inférieure à ceux du courant algérien et un des
phénomènes les plus spectaculaires observé est l'existence d'une branche d'eau s'étendant vers le
large depuis la côte provençale jusqu'à la zone côtière corse (Millot, 1987).
Il est à noter que dans toute la bande côtière de la mer Ligure sur une dizaine de kilomètres
de large, le courant moyen n'est pas significatif et la variabilité moyenne échelle très élevée ce qui
rend la prédiction de la circulation dans cette zone difficile (Albérola et al., 1995, Sammari et al.,
1995). En aval, le courant catalan est accéléré le long du talus continental de la mer des Baléares. Sa
variabilité saisonnière est similaire à celle du courant ligure avec un maximum d'activité à moyenne
échelle en hiver et un minimum vers la fin de l'été en lien avec l'évolution du front plateau/talus plus
qu'à la variabilité du vent local (Font et al., 1995).
Référence :
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
Ifremer
51
ANNEXE G
Annexe G : Rapport d’activité de Mothy
Nombres de lancement
lancement de Mothy avec (gauche) et sans (droite) les grand incidents
Type d’objets recherché en 2007
52
Délai entre la demande de réponse et l’envoi des résultats
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
ANNEXE G
Lancements de Mothy en 2007
APPORT DE L’OCÉANOGRAPHIE OPÉRATIONELLE AUX SYSTÈMES DE DÉRIVES
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