Une assimilation de topographie dynamique absolue. Pour quoi faire ? 88

a notre disposition, ainsi que leurs caract´eristiques. Dans ce chapitre, nous d´etaillerons

les caract´eristiques techniques des exp´eriences d’assimilation pr´esent´ees dans la suite du

document.

Il est ´evident que toutes les exp´eriences d’assimilation r´ealis´ees au cours de cette th`ese

ne sont pas discut´ees dans ce manuscrit. Notamment, pr´ealablement `a la mise en place des

exp´eriences dites “en donn´ees r´eelles” que je pr´esente ici, des exp´eriences jumelles et

cou-sines ont ´et´e r´ealis´ees afin de valider notre syst`eme d’assimilation dans un cadre simplifi´e

et nous permettant de contˆoler le niveau de difficult´e. Ces exp´eriences pr´eliminaires nous

ont permis de mieux comprendre la nature du probl`eme inh´erent `a l’assimilation d’une

topographie dynamique absolue. Elles nous ont ´egalement donn´e des pistes int´eressantes

pour l’´etape, ˆo combien importante, de la param´etrisation de l’erreur d’´ebauche qui fait

l’objet de la section 5.2.

Nous ne pr´esenterons ici que les caract´eristiques des exp´eriences discut´ees dans la suite

de ce manuscrit de th`ese. J’ai volontairement choisi de limiter au maximum le nombre de

param`etres susceptibles d’ˆetre modifi´es d’une simulation `a l’autre. Au del`a de la

simpli-fication de la pr´esentation des r´esultats, c’est plus dans une optique d’inter-comparaison

entre les diff´erentes simulations avec assimilation de donn´ees que ce choix a ´et´e fait.

5.1 D´efinition des conditions exp´erimentales

5.1.1 Une assimilation de topographie dynamique absolue. Pour quoi

faire ?

En premier lieu, il convient de rappeler que la topographie dynamique est la

gran-deur que simulent les OGCMs. Il est donc tout `a fait naturel d’assimiler cette grandeur

pour contraindre le mod`ele plutˆot que la SLA r´ef´erenc´ee avec le niveau moyen du mod`ele

comme cela est couramment fait. C’est uniquement `a cause des trop fortes erreurs sur le

g´eo¨ıde (cf chapitre 2) qui viennent contaminer la topographie dynamique que les

assimi-lateurs se sont limit´es `a l’utilisation de la seule partie r´esiduelle du signal altim´etrique

mesur´e par les satellites. L’absence d’une bonne topographie dynamique moyenne est un

probl`eme r´ecurrent (Blayo et al., 1994) pour l’assimilation de donn´ees altim´etriques. Il est

habituellement contourn´e de deux fa¸cons. La premi`ere approche consiste `a s’appuyer sur

le niveau moyen du mod`ele (la topographie dynamique moyenne du mod`ele est suppos´ee

parfaite et sert `a r´ef´erencer les anomalies de surface libre observ´ees). Cette approche a

notamment ´etait utilis´ee parVerron et al. (1999),Gourdeau et al. (2000) etParent et al.

(2003) dans le Pacifique Tropical. Dans cette r´egion, les OGCMs sont relativement

per-formants. Le niveau moyen simul´e est donc assez proche de la r´ealit´e et l’approximation

peut donc se justifier. La deuxi`eme approche s’appuie sur des donn´ees d’observation (en

g´en´eral in-situ) afin d’´evalu´ees apr`es un traitement plus ou moins ´elabor´e une

topogra-phie dynamique moyenne synth´etique (Mercier, 1986;Le Grand, 1998;Niiler et al., 2003).

L’utilisation d’une MDT synth´etique en lieu et place de la MDT mod`ele permet de

recons-truire un signal altim´etrique absolu et ainsi de pouvoir contrˆoler l’´ecoulement moyen du

5.1. D´efinition des conditions exp´erimentales 89

mod`ele en plus de sa variabilit´e. Dans les r´egions o`u la circulation simul´ee par les OGCMs

pr´esente des erreurs marqu´ees, on peut difficilement continuer `a faire l’hypoth`ese que la

surface moyenne simul´ee est parfaite. Cette deuxi`eme approche est, par exemple,

habi-tuellement utilis´ee dans l’atlantique Nord (Testut et al., 2003;Brankart et al., 2003;Birol

et al., 2004) afin de pouvoir corriger la position moyenne de la veine de courant du Gulf

Stream qui reste g´en´eralement trop coll´ee au talus continental dans les OGCMs actuels,

au lieu de se d´etacher et continuer vers l’Est `a partir du Cap Hatteras (Testut et al., 2003;

Brankart et al., 2003; Birol et al., 2004).

Aucune des solutions n’est vraiment satisfaisante et le probl`eme de la d´efinition d’une

topographie dynamique moyenne pour l’assimilation de la SLA observ´ee par les satellites

altim´etriques reste d’actualit´e. Birol et al. (2004), ont illustr´e la sensibilit´e de

l’assimi-lation de donn´ees `a la MDT utilis´ee en utilisant un filtre SEEK et le mod`ele HYCOM

(HYbrid Coordinate Ocean Model) propos´e parBleck (2002) dans sa configuration

Atlan-tique Nord 1/3

◦

. Cet article, dont je suis co-auteur, a ´et´e publi´e dans Marine Geodesy. Il

est fourni en annexe A de ce document. Bien que bas´e sur le SEEK, le syst`eme

d’assimila-tion mis en place pour cette ´etude utilise la m´ethode propos´ee parCooper et Haines (1996)

bas´ee sur la conservation de la vorticit´e potentielle sur les isopycnes en profondeur, pour

passer l’incr´ement d’analyse en SSH au mod`ele, et non la m´ethode statistique classique

du filtre SEEK. Les trois exp´eriences, utilisant trois MDTs diff´erentes pour r´ef´erencer la

SLA T/P+ERS, montrent d’importantes diff´erences en terme de circulation oc´eanique,

de transport et de champs thermo-halin simul´es.Birol et al. (2004) en concluent que les

erreurs sur l’estimation de la MDT font parties des facteurs ayant le plus fort impact sur

la qualit´e de la circulation oc´eanique simul´ee avec assimilation de donn´ees altim´etriques.

Les donn´ees gravim´etriques, dont la pr´ecision et la r´esolution n’ont de cess´e de

s’am´e-liorer (cf chapitre 2) sous l’impulsion des missions satellites d´edi´ees pr´esentes (CHAMP

et GRACE) et `a venir (GOCE), nous donnent aujourd’hui acc`es `a une MDT satellite

observ´ee plus fid`ele `a la r´ealit´e de l’oc´ean mondial. Ce type de MDT observ´ee, utilis´ee pour

r´ef´erencer les produits de SLA, produits d´ej`a tr`es largement utilis´es avec les succ´es que l’on

connait dans la cadre d’exp´eriences d’assimilation de donn´ees pour contrˆoler la variabilit´e

des OGCMs, va maintenant nous donner acc´es `a un signal de topographie dynamique

absolue observ´e et pr´ecis. L’utilisation de ce signal absolu dans la cadre d’exp´eriences

d’assimilation de donn´ees va ainsi nous permettre de contrˆoler, en plus de la variabilit´e,

la circulation moyenne des OGCMs. Ceci repr´esente le premier objectif de l’assimilation

de DT : l’am´elioration de la structure moyenne de l’´ecoulement simul´e.

Un autre int´erˆet d’un signal altim´etrique absolu pour l’assimilateur oc´eanographe est la

perspective d’une assimilation conjointe multi-donn´ees (comme par exemple l’altim´etrie et

les profils de temp´erature TAO) plus efficace. En effet, compte tenu de la nature diff´erente

des donn´ees et de leurs erreurs respectives (notamment les erreurs sur le g´eo¨ıde qui se

traduisent par une erreur sur la moyenne du signal de DT), il n’est pas ´evident que ce

type d’assimilation conjointe fonctionne correctement. Les difficult´es inh´erentes `a ce type

d’exp´erience sont notamment discut´ees parParent et al.(2003). Ces derniers ont montr´e

que la r´ealisation d’exp´eriences assimilant de l’altim´etrie et des profils de temp´erature

in-situ TAO pouvait conduire `a une impasse `a cause de la diff´erence d’´etat moyen entre les

deux types de donn´ees. Parent et al. (2003) ont r´ealis´e deux exp´eriences assimil´ees, une

n’assimilant que la SLA et l’autre n’assimilant que les profils de temp´erature TAO.

L’infor-mation sur le contenu thermique moyen de l’oc´ean pr´esent dans les profils de temp´erature

TAO s’est traduit pas une forte modification de la surface moyenne du mod`ele. Une

er-Fig.5.1 –Topographie dynamique absolue le long des traces pour l’analyse du 22 septembre

1995. La fenˆetre temporelle d’observation est de 5 jours.

reur de plus de 5 cm RMS est ainsi diagnostiqu´ee entre les deux MDT simul´ees. Ceci a

conduitParent et al.(2003) `a conclure que l’assimilation conjointe d’altim´etrie et de profils

de temp´erature TAO, bien que tr`es prometteuse, n’´etait envisageable que moyennant la

connaissance d’une MDT suffisamment pr´ecise afin d’assurer la compatibilit´e, entre eux,

des deux jeux de donn´ees d’observation. Sur ce dernier point, les donn´ees gravim´etriques,

et les donn´ees GRACE en particulier, ont ´egalement un rˆole `a jouer en fournissant une

MDT plus r´ealiste et donc une meilleure compatibilit´e avec les autres sources d’observation

de l’oc´ean, comme les mouillages TAO. Ceci repr´esente le deuxi`eme objectif de

l’assimi-lation de DT : l’am´elioration de la compatibilit´e entre l’altim´etrie et les autres sources

d’observation de l’oc´ean.

5.1.2 Les diff´erentes configurations du syst`eme d’observation

Afin d’estimer l’impact de l’utilisation d’une MDT absolue sur l’assimilation de donn´ees,

nous avons retenu diff´erentes configurations pour le syst`eme d’observation.

• Assimilation de la topographie dynamique absolue uniquement. Une

premi`ere configuration du syst`eme d’observation consiste `a ne consid´erer que

la DT. Cette configuration permettra de valider notre syst`eme d’assimilation

de donn´ees et de d’´evaluer l’impact de l’assimilation de la DT par rapport `a

l’assimilation des seules anomalies de SLA. La DT comme le montre la figure 5.1

pr´esente une tr`es bonne couverture spatio-temporelle et est globale.

Cependant, l’information est par d´efinition une information de surface et il est

vraisemblable, compte tenu du degr´e de libert´e du syst`eme que l’extrapolation

vers le subsurface par la seule statistique du filtre SEEK ne permette pas de

contrˆoler efficacement les couches interm´ediaires.

• Assimilation des profils de temp´erature in-situ TAO uniquement. On

consid`ere ici que la seule source d’observation de l’oc´ean est constitu´ee de profils

de temp´erature in-situ TAO. La nature des observations TAO est tr`es diff´erente de

celle de la DT. Le r´eseau TAO a ´et´e con¸cu afin d’´etudier le ph´enom`ene ENSO qui

5.1. D´efinition des conditions exp´erimentales 91

Fig. 5.2 – Profils in-situ de temp´erature TAO pour l’analyse du 22 septembre 1995. La

fenˆetre temporelle d’observation est de 5 jours.

est contrˆol´e, en partie, par la propagation d’ondes ´equatoriales `a grande ´echelle

qui redistribuent le contenu de chaleur de la couche de m´elange dans le bassin de

l’oc´ean Pacifique Tropical. La configuration du r´eseau TAO a donc ´et´e optimis´e

pour la mesure de ce type d’onde, et non pour le contrˆole d’un OGCM par

assimilation de donn´ees.

Comme on le voit sur la figure 5.2, on a une observation qui est cette fois-ci

3D, mais qui pr´esente une couverture spatiale `a grande ´echelle de la temp´erature

dans la couche sup´erieure de l’oc´ean. De plus, les observations se cantonnent au

rail ´equatorial (i.e. entre 8

◦

S et 8

◦

N) et ne couvrent donc qu’une partie de notre

domaine d’´etude.

• Assimilation conjointe de la DT absolue et des profils de temp´erature

in-situ TAO. Dans cette derni`ere configuration, la DT et les profils de

tem-p´erature in-situ TAO vont ˆetre assimil´es conjointement dans le mod`ele. Cette

configuration est a priori la plus int´eressante. D’une part, la quantit´e

d’informa-tion disponible est plus importante. D’autre part ces deux jeux de donn´ees sont

compl´ementaires. Les donn´ees altim´etriques pr´esentent une couverture globale

et r´ep´etitive mais ne fournissent pas une vision tridimensionnelle du milieu. Les

profils de temp´erature donnent quant `a eux acc`es `a la structure de subsurface

mais elle reste largement sous-´echantillonn´ee, mˆeme dans le Pacifique Tropical

o`u l’on dispose des donn´ees du r´eseau TAO. Il est donc naturel de consid´erer ces

deux jeux de donn´ees conjointement pour contraindre plus efficacement le mod`ele.

Ce type d’assimilation multi-donn´ees complique cependant fortement la tˆache de

l’assimilateur et introduit notamment le probl`eme de la compatibilit´e des donn´ees

que je viens de discuter. Au final, il n’est pas ´evident que cette configuration soit

apte `a efficacement contraindre le mod`ele dans un cas r´ealiste. C’est notamment

un des enjeux de l’utilisation de la MDT GRACE, qui en nous fournissant un

MDT observ´ee et plus r´ealiste devrais permettre de r´esoudre, du moins en partie,

les probl`emes d’incompatibilit´e des donn´ees pr´ec´edemment constat´es.

Dans le document Apports des données gravimétriques GRACE pour l'assimilation de données altimétriques et in-situ dans un modèle de l'Océan Pacifique Tropical. (Page 97-101)