Conditions initiales océaniques

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Partie 2 : Réponse de l’océan à un forçage cyclonique

9 Étude du cyclone tropical Ivan et de son interaction avec l’océan

9.3 Configuration des expériences et initialisation des modèles

9.3.3 Conditions initiales océaniques

Le modèle Océan-1D est initialisé à partir de l’analyse du 12 Février 00h00 UTC produite par le modèle océanique opérationnel Mercator PSY3V1.

L’analyse Mercator

La phase d’analyse de ce modèle couvre 14 jours à cause des délais liés à la récupération, au post-traitement et à la validation des observations devant être assimilées. Durant une première phase de 7 jours, le modèle assimile le maximum de données disponibles et produit des analyses journalières dites « best estimate ». Durant la deuxième phase de 7 jours, toutes les données assimilables ne sont pas encore disponibles. Le modèle produit alors des analyses comprenant moins d’observations appelées « hindcast ». Le schéma d’assimilation utilisé dans cette version du modèle est un schéma d’interpolation optimale qui assimile uniquement les

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anomalies de hauteurs dynamiques déduites des mesures altimétriques des satellites Envisat, Jason-1 et GFO. La résolution horizontale des analyses sur la zone est de 0.25° et la résolution verticale de l’ordre de 10 m jusqu’à 100 m de profondeur et de 25 m jusqu’à 250 m de profondeur. C’est la même grille verticale que celle utilisée dans le modèle Océan-1D. Le modèle Mercator est adapté du modèle OPA 8.2 (Madec et Delecluse 1999) reposant sur les équations primitives.

Les courants initiaux dans la couche de mélange océanique

Les courants initialement présents dans l’analyse Mercator sont issus de la dynamique propre du modèle Mercator, du forçage atmosphérique utilisé (les analyses opérationnelles de l’ECMWF dans ce cas) et de l’assimilation des données altimétriques. Ces courants sont par conséquent une superposition des courants géostrophiques et des courants induits par le cyclone (Fig. 34). Le cyclone représenté dans les analyses du Centre Européen est cependant mal positionné et possède une structure grossière et une intensité sous-estimée en termes de vent, comparée au cyclone produit par les analyses Aladin-Réunion. Il existe donc une incohérence entre le forçage atmosphérique de Mercator et l’état initial de Méso-NH. Ainsi, afin d’éviter que les courants présents dans l’analyse ne viennent perturber les courants générés par le modèle Océan-1D, nous n’avons pas incorporé les courants initiaux dans la simulation couplée. De plus, les courants initiaux moyens de la couche de mélangée sont relativement faibles (0,4 m/s au maximum) le long de la trajectoire du cyclone et ne devraient donc pas influencer de manière significative la réponse océanique produite par le cyclone.

Une autre solution qui permettrait d’intégrer des courants initiaux dans la simulation océanique serait de calculer les courants géostrophiques à partir du champ de masse de l’analyse Mercator et de prescrire ces courants tout au long de la simulation. Le courant simulé serait alors la résultante de la composante géostrophique issue de l’analyse Mercator et de la composante agéostrophique calculée par le modèle Océan-1D.

Fig. 34 Courants moyens de la couche mélangée (m/s, couleur) et profondeur de la couche mélangée (m, iso-contours) issus de l’analyse Mercator du 12 Février 0000 UTC.

Choix de l’analyse de TSM de référence

Les analyses satellites des températures de surface de la mer utilisées dans cette étude sont produites par le REMSS (Remote Sensing Systems), compagnie financée par la NASA pour le traitement et l’analyse des données satellites. Ces analyses sont créées de manière journalière avec une résolution horizontale de 25 km. Elles sont issues d’une interpolation optimale des données micro-ondes acquises par les capteurs TMI (TRMM Microwave Imager) et AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer) des satellites TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) et Aqua, respectivement. Le principal avantage de ces capteurs est leur capacité à effectuer des mesures en conditions nuageuses (mais non pluvieuses). Les données micro-ondes sont donc particulièrement bien adaptées à l’observation du refroidissement de la TSM induit par les cyclones tropicaux, contrairement aux capteurs infrarouges également utilisés pour reconstituer les champs de TSM. D’autres grandeurs physiques, telles que le vent, le contenu intégré en vapeur d’eau, le contenu en eau nuageuse et le taux de précipitation, peuvent être également dérivées de ces données micro-ondes. Différentes corrections (liées aux biais des capteurs, au cycle diurne, ...) et contrôles de qualité sont appliqués à ces données (Donlon et al. 2002) avant d’être interpolée de manière optimale suivant le schéma décrit dans Reynolds et Smith (1994).

Le choix de cette analyse de TSM a été fait suite à la comparaison de nombreuses analyses de TSM effectuée en suivant différents critères. Tout d’abord, de nombreuses analyses TSM ne disposent pas d’une résolution spatiale suffisante pour représenter correctement le

« sillage » d’eau froide formé par le cyclone, ainsi que les gradients de TSM associés à ce refroidissement localisé. Compte tenu des dimensions caractéristiques du cyclone, et en particulier de son rayon de vent maximum, seules les analyses disposant d’une résolution supérieure ou égale à 30 km sont capables de correctement représenter les dimensions et la structure du sillage. Comme indiqué auparavant, les analyses doivent nécessairement intégrer les données micro-ondes disponibles afin de disposer d’informations en présence de nuages.

Ceci est d’autant plus important dans le cas d’Ivan, qui est resté dans la même zone pendant presque 5 jours. Enfin, un paramètre très important est la fenêtre temporelle utilisée pour intégrer les données et produire l’analyse quotidienne. Certaines analyses utilisent en effet des fenêtres temporelles de 7 jours, ce qui permet de collecter beaucoup plus de données pour une même zone mais qui, en contre-partie, provoquent un fort lissage temporel du champ de TSM.

Ce type de produits n’est par conséquent pas adapté pour observer la réponse en TSM à un forçage atmosphérique rapide et intense. On observe ainsi d’une analyse à l’autre des variations très importantes de la TSM dans la zone où Ivan a effectué une boucle, avec des écarts atteignant localement 4°C entre deux analyses pour une même échéance. En prenant en compte ces différentes considérations, il en ressort que les analyses produites par le REMSS sont les mieux adaptées pour restituer correctement le sillage produit par un cyclone en l’absence de données in-situ. Elles disposent en effet d’une résolution spatiale de 25 km, d’une fenêtre temporelle d’intégration de 1 jour et intègrent à la fois les données issues des capteurs TMI et AMSR-E.

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La température initiale de la surface de la mer (a)

(b)

Fig. 35 TSM (°C) de l’analyse (a) REMSS et (b) Mercator le 12 Février 00h00 UTC L’analyse de TSM Mercator est en bon accord avec l’analyse du REMSS (Fig. 35). On distingue clairement la large zone d’eaux refroidies par le cyclone pendant plus de 5 jours.

Cette zone s’étend sur un carré de 4° de côté, avec des TSM localement inférieures à 23°C dans les deux analyses. La température de la seconde poche d’eau froide formée aux alentours du 11 Février est toutefois surestimée dans l’analyse Mercator. A l’ouest de cette poche froide, l’analyse Mercator représente correctement une vaste zone dont la TSM est supérieure à 28°C, atteignant même localement 29°C. Le gradient zonal de température entre la zone froide et la zone chaude apparaît plus resserré dans l’analyse Mercator par rapport à celle du REMSS.

Fig. 36 TSM (°C) de l’analyse Mercator (en rouge) et de l’analyse du REMSS (en noir) interpolées le long de la trajectoire BT d’ Ivan le 12 Février 00h00 UTC

Le long de la trajectoire du cyclone, l’analyse Mercator est également très proche de l’analyse REMSS en termes de TSM (Fig. 36). On observe un écart important entre les TSM (1,5°C) lorsque le cyclone se situe encore au dessus du deuxième minimum de TSM créé le 11 Février et qui est sous-estimé dans l’analyse Mercator. La zone froide est également plus étendue dans l’analyse Mercator dans la direction où se déplace le cyclone, ce qui a pour conséquence de le maintenir sur des eaux plus froides plus longtemps. Le gradient de température est également plus prononcé le long de la trajectoire du cyclone. La zone chaude est très bien représentée en termes de placement et de valeur par rapport aux données du REMSS. La qualité de l’analyse Mercator est donc suffisamment réaliste concernant la TSM pour être utilisée comme condition initiale dans les simulations forcées et couplées.

Le contenu thermique océanique initial

Le contenu thermique océanique (OHC) est défini ici comme l’intégrale entre la surface et la profondeur de l’isotherme 26°C de l’écart de la température par rapport à 26°C multiplié par sa masse volumique et sa capacité calorifique :

   

0 26 m 26

T C

z z P

OHCC T z dz

 

C’est un paramètre intégral permettant de représenter l’énergie thermique océanique disponible pour le cyclone. Il tient compte de la structure thermique verticale de l’océan et permet donc de vérifier si l’analyse Mercator représente correctement le profil vertical de température dans les couches superficielles de l’océan.

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Schéma 3 Illustration de la relation entre les anomalies de hauteur dynamique et la profondeur de l’isotherme 26°C (Goni et al, 1996)

Les valeurs et la structure du champ diagnostiqué à partir de l’analyse Mercator sont comparées aux champs de contenu thermique produits par l’AOML (Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory). Ces contenus thermiques sont déduits à l’aide d’un modèle à 2 couches et de relations statistiques entre la profondeur climatologique de l’isotherme 26°C et les anomalies de hauteur dynamiques dérivées des mesures altimétriques (Goni et al, 1996), comme l’illustre le Schéma 3.

Fig. 37 Contenu thermique (kJ/cm2) analysé par l’AOML pour le 12 Février 2008 On observe sur les figures Fig. 37 et Fig. 38 un contenu thermique nul, ou proche de zéro, au niveau de la poche d’eau froide créé par le cyclone au cours de sa phase quasi-stationnaire (TSM < 26°C), et juste à l’ouest de cette zone, une large zone avec des contenus thermiques atteignant 60 kJ cm-2. Une troisième zone avec des contenus thermiques de l’ordre de 40 kJ cm-2 est située entre Madagascar et 54°E. Ces contenus thermiques ne sont pas très élevés par rapport à ce que l’on peut observer durant la saison cyclonique dans d’autres bassins, ce qui a pu constituer un facteur limitant l’intensification d’Ivan. La comparaison des simulations forcées et couplées nous permettra de répondre à cette question.

Fig. 38 Contenu thermique (kJ/cm2) de l’analyse Mercator du 12 Février 00h00 UTC

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9.4. Validation et analyse de la simulation atmosphérique

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