Les composantes océan, glace de mer et surfaces continentales

Si le travail de cette thèse a porté sur la composante d’atmosphère du modèle couplé, nous avons vu dans le chapitre précédent l’importance des autres composantes du système terre à l’échelle saisonnière. Les différentes composantes de CNRM-CM5.1 modélisant l’océan, la glace de mer et les surfaces continentales sont présentées succinctement dans ce qui suit. Pour plus de détails, on peut se référer à Voldoire et al. (2012) et aux multiples références citées.

2.1.2.1 Le modèle d’océan NEMO

Comme l’atmosphère, l’océan vérifie des lois de conservation qui définissent son évolution à l’échelle climatique. La dynamique de l’océan est régie par trois sortes de forçages : les flux de chaleur à l’interface océan-atmosphère, qui sont fortement contrastés suivant les latitudes et impactent la couche de surface de l’océan, le forçage de la circulation de surface de l’océan par le vent (pompage d’Ekman et courants de bord Ouest), et la circulation thermohaline

induite par les variations de densité de l’eau (liées à la température et la salinité). Le rôle de la formation de la glace de mer dans les régions polaires est capital : la glace de mer étant moins salée que l’eau de mer, l’eau de surface froide et salée peut alors devenir plus dense que les eaux plus profondes de l’océan et plonger. Ces formations d’eau profonde sont équilibrées par des eaux superficielles plus chaudes qui remontent des tropiques vers les pôles. Au-delà de ces processus, la modélisation des océans est un défi en soi, du fait du tracé irrégulier des lignes de côtes. Le domaine à modéliser n’est plus une sphère régulière (comme pour l’atmosphère) mais doit être discrétisé par exemple à l’aide d’éléments finis.

Le modèle d’océan utilisé dans CNRM-CM5.1 est la composante océanique de Nucleus for European Modelling of the Ocean, ou Nemo, dans sa version 3.2 (Madec, 2008). La confi- guration utilisée dans CNRM-CM5.1 correspond à une grille tripolaire appelée Orca-1◦_{, de} résolution nominale de 1◦ _{en latitude et longitude, avec une résolution accrue à 0.3}◦ _{en lati-} tude dans les tropiques. La résolution verticale est de 42 niveaux, dont 10 sur les 100 premiers mètres de profondeur. La topographie du fond de l’océan est représentée par une formulation en « partial steps ». Les équations de Navier-Stokes sont modélisées en laissant une surface libre à la surface. Le modèle comprend également les équations d’état de la température et de la salinité, pour lesquelles la diffusion turbulente et la convection sont paramétrisées.

2.1.2.2 Le modèle de glace de mer GELATO

Aux hautes latitudes, lorsque les températures de surface de l’océan deviennent inférieures au point de congélation de l’eau de mer, se forme une couche de glace. Cette couche joue un rôle sur les échanges de flux thermiques entre océan et atmosphère (en fonction de son épaisseur), sur le rayonnement solaire réfléchi par la modification de l’albédo de surface, mais aussi sur les taux de salinité de l’océan (la glace de mer étant moins salée).

Afin de modéliser ces processus, mais également la dynamique et l’évolution de la glace de mer, un modèle appelé Gelato a été développé au CNRM-GAME (Salas y Melia, 2002). La version 5 de ce modèle est utilisée dans CNRM-CM5.1.

Le modèle Gelato est un modèle multi-catégories prenant en compte l’évolution de plu- sieurs gammes d’épaisseur de glace par point de grille. L’advection et le transport de glace ainsi que la formation de crêtes et de feuilletages sont modélisés. La grille horizontale du mo- dèle est la même que celle du modèle d’océan de Nemo, avec une résolution d’environ 100 km. Gelato modélise également l’évolution de la couche de neige sur la glace de mer avec le schéma de Douville et al. (1995).

2.1.2.3 Modélisation de la surface et de l’hydrologie

Dans CNRM-CM5.1, c’est l’interface Surfex (SURFace EXternalisée) qui fait le lien entre la composante Arpege-Climat et le schéma de surface continentale, et qui calcule les flux au- dessus de l’océan.

Le schéma de surface continentale est le modèle « Interaction between Soil Biosphere and Atmosphere » (ISBA, décrit par Noilhan et Mahfouf, 1996; Noilhan et Planton, 1989). Le modèle ISBA permet de calculer les transferts d’eau (ruissellement, drainage) et de chaleur dans le sol.

2.1 Composantes du modèle couplé CNRM-CM5.1

Les flux de surface sont calculés différemment selon le type de surface (végétation, lacs ou océan). Sur l’océan libre, le modèle Surfex utilise le schéma Ecume (Exchange Coefficients from Unified Multi-campaigns Estimates, Belamari (2005)), tandis que sur la glace de mer et les lacs, les flux sont basés sur le schéma de Louis (1979). Surfex utilise la même grille horizontale que le modèle Arpege-Climat, et les flux par point de grille sont estimés par pondération en fonction de la surface occupée par chaque type de surface, en se reposant sur une base de données de haute résolution appelée Ecoclimap.

Le ruissellement de surface et le drainage modélisés par Surfex permettent d’alimenter le modèle de routage des fleuves « Total Runoff Integrating Pathways » (TRIP). Le modèle TRIP, développé à l’université de Tokyo par Oki et Sud (1998), assure la fermeture du cycle hydrologique à l’échelle du globe en calculant le débit d’eau douce des fleuves vers les océans. La version utilisée dans CNRM-CM5.1 a une résolution de 1◦ _{par 1}◦ _{et suppose un courant} uniforme et constant des fleuves à 0.5 ms−1_.

2.1.3 Le couplage des différentes composantes : assemblage du modèle de